泡沫金属材料压缩塑性力学探究

随着经济的发展和社会的进步，工业科技随之迅猛发展，开发复合材料，探索新材料是当今工业领域重要的课题。泡沫金属作为一种新型材料，相对于传统金属材料和多孔聚合物材料来说，其不仅具有功能材料的特性，同时更兼顾了结构材料的特点，具有明显的优势，发展前景广阔。如今，泡沫金属材料已经在汽车工业、建筑行业、航空领域等多个领域中加以应用，成为新材料领域研究的重点课题之一。 
　　1 泡沫金属的特性 
　　泡沫材料具有金属骨架和气孔，相对于传统金属材料，具有传统金属可焊性等基本属性的同时又具有大量的内部孔隙，而正因为这些内部孔隙的存在使得泡沫金属具有其自身的优势特点。 
　　1.1具有渗透性 
　　因为泡沫金属中具有大量的孔隙，但是其中闭孔的数量也占有较大比重，因为只有通孔结构才具有渗透性，因此闭孔对于渗透性是具有很大的影响的。同时渗透性还与孔径的大小以及渗透物的属性有关。 
　　1.2 消声减震性 
　　泡沫金属中存在的通孔结构可以将传递进来的声波以及震动向热能转化并将其散发。消声减震的性你呢与其孔隙率的高地以及直径的大小有直接的关系，同时泡沫金属相对于石棉等材料耐用性更好，而且强度更高，阻燃性更好。 
　　1.3 热传导性能 
　　泡沫金属的热传导性能优于金属材料又低于隔热材料，而且其导热性能的好坏有孔隙率有直接的关系，闭孔结构比通孔结构绝热性能更好。在对流条件下，提高孔隙率以及扩大孔径能够促进对流换热能力的提升。 
　　1.4 电学性能 
　　因为具有孔隙结构，因此阻尼性很好，倘若将高分子聚合物填充在孔隙中，则能够有效的提高阻尼特性。对于泡沫金属材料而言，阻尼特性与表面积的大小有直接的关系。 
　　2 泡沫金属材料的结构形态 
　　人们在对结构材料进行研究和使用的时候首先就要考虑到材料的力学性能，因此，力学性能是材料性能评价的重要参数。而人们要对材料本身所具有的力学性能进行深入的研究首先就要先认识材料的结构形态。 
　　泡沫金属材料的主体为金属骨架和气孔，气孔又包括通孔和闭孔两大类。通孔结构又称为开孔，即泡沫金属内部的单个气孔是开放式的，气孔之间呈相互连接的状态。闭孔结构的气孔呈封闭状态并且各自独立，与母体金属是分离状态。需要注意的是在大部分的泡沫金属内容结构中闭孔和开孔是同时存在的。 
　　坡面金属的支架结构可分为孔壁、筋、节。在开孔结构中气孔之间是相互关联的，隔离的孔壁是不完整的，而闭孔结构则是由完整孔壁将气孔进行隔离。在孔壁较之筋要薄得多的情况下，孔壁对泡沫金属材料整体的力学性能的影响是非常薄弱的，可以将其作为准开孔结构来看待。 
　　3 泡沫金属材料的压缩力学性质 
　　3.1 静态压缩行为 
　　泡沫金属材料的应力到应变的曲线分为三个阶段（参见图1）：第一阶段为弹性变形阶段，第二阶段为屈服平台阶段，第三阶段为崩塌压实阶段。开始时应变很小，应力-应变去心呈线性弹性；接着应变不断增加，应力处于一个平台期，几乎处于一个不变或者变化很小的状态，随着泡沫金属材料内部孔洞不断挤压被压在一起，材料呈压实状态，应力快速增加。泡沫金属材料在受到压缩力的作用下，变形机制主要为棱杆的弯曲和孔壁薄膜的弯曲和拉伸。但是材料内部一些孔洞本身较弱，当应变在局部位置集中时，原本就较弱的孔洞先在挤压作用下被压坏，再带动与其相邻的孔洞继续被压坏，形成依次传递的局面，造成了“变形带”的产生。随着“变形带”的不断扩大，破坏应力的扩大和传递影响到材料整体时，就表现为材料整体被压坏。由此可见，泡沫金属材料的压缩塑性变形是逐层传递依次破坏的。 
　　实验结果表明，泡沫金属材料在受到压缩力的作用时，发生弹性变形的阶段是非常短暂的，当应变达到2%的时候就会进入到屈服平台期，也就是说对于泡沫金属材料而言，压缩屈服应力和屈服平台期的应力是相等的。 
　　3.2 动态压缩行为 
　　泡沫金属所具有减震性能，使其成为一种很好的减震缓冲材料在多种场合中应用，研究泡沫金属在动态压缩载荷作用下的力学性能是新材料领域的热点问题。相对于静态压缩载荷下的力学性能，动态压缩载荷的力学性能问题更为复杂，动态压缩需要充分的考虑到动态效应的一系列的问题，包括惯性效应、应变率效应等。根据泡沫金属材料的压缩变形机制，在应变率较高的情况下，材料的屈服强度有所提高。在静态压缩载荷条件下，泡沫金属材料是逐层发生压缩变形，有一层气孔孔壁发生弯曲变形，也就是塑性变形的第一阶段到第二层气孔的塌陷，随着一层层气孔在载荷作用下逐层塌陷直至全部的气孔被弯曲压实达到致密程度，这个变形过程是不均匀的，而且在某一局部是呈不稳定的状态。那么在动态压缩载荷条件下，应力增加，材料强化主要受两种因素的影响。一种是随着冲击速度的不断提高，冲击表面的气孔压实更加紧密，从而使屈服应力随之不断的增加。另一种是动态压缩具有突出的局部化特点，这就使得压缩塑性变形带的应变速率提高，加上微惯性的作用，造成了变形的对称模式和非对称模式的增强。