Al基和Al-6Si基闭孔泡沫铝的动态吸能性能

利用熔体转移发泡法制备不同基体成分不同密度的闭孔泡沫铝,从能量吸收能力、能量吸收效率以及能量吸收图等方面对其动态吸能性能进行研究。结果显示:无论是Al基还是Al-6Si基的闭孔泡沫铝,能量吸收能力随应变的增加而增大,且随相对密度的增加,能量吸收能力先增加后减小;能量吸收效率的变化具有明显的缓慢增加、趋于平缓和缓慢减小的特征;随着应力的增加,闭孔泡沫铝单位体积的吸能能力先快速提高,达到一定值后上升趋势减缓,出现明显的肩;对应此密度的闭孔泡沫铝可以提供最大容许应力σp,且随着相对密度的减小,最大容许应力σp逐渐减小;相同密度Al基和Al-6Si基的闭孔泡沫铝能量吸收能力相比,前者的要大一些,但Al-6Si基闭孔泡沫铝的吸能效率要比Al基闭孔泡沫铝的吸能效率高,且最高吸能效率比较稳定持久。

闭孔泡沫铝的力学性能和吸能能力

在闭孔泡沫铝准静态压缩试验的基础上,研究了其力学性能、吸能能力。结果表明,闭孔泡沫铝单轴压缩应力-应变曲线呈现线弹性变形、塑性平台阶段、致密化阶段3个阶段;闭孔泡沫铝的压缩强度、吸能能力随着孔隙率的增大而减小,采用Gibson-Ashby模型分析闭孔泡沫铝的压缩屈服强度,吻合良好。并在此基础上,提出可供工程使用的多孔泡沫金属吸能能力公式,为其工程应用提供理论支持。

Al基和Al-6Si基闭孔泡沫铝的动态压缩性能

利用熔体转移发泡法制备了不同密度的Al基和Al-6Si基闭孔泡沫铝(CCAF),探讨了CCAF基体的微观形貌及物相组成,对其动态压缩性能进行了研究。结果表明:Al基CCAF基体微观形貌较单一,基本上是小块状(Al20CaTi2);而Al-6Si基CCAF基体微观形貌复杂,主要呈大片状(Al3.21Si0.47和CaAl2Si3)、长针状(Al3Ti)和小白点(Al2O3)。动态压缩结果显示:Al基CCAF压缩应力—应变曲线较平缓,断裂层有明显的材料撕裂痕迹;而Al-6Si基CCAF压缩应力—应变曲线不光滑,个别曲线波动较大,断裂层出现显著的脆性材料断裂特征;随着相对密度的增加,Al基和Al-6Si基CCAF屈服强度(σpl)和表观弹性模量(E0.2)整体趋势都在增加。

泡沫铝的动态压缩性能和吸能性研究

通过测量泡沫铝在动态和准静态压缩条件下的应力 -应变曲线 ,研究了泡沫铝的准静态和动态压缩行为以及不同应变条件下的吸能性 ,并对其应变率效应进行了分析。结果表明 ,在高应变速率和准静态压缩下 ,泡沫铝的σ -ε曲线均表现出弹性变形段、平缓段和密实段三阶段特征 ;泡沫铝的压缩性能具有明显的应变速率敏感性 ,随应变速率的提高 ,流动应力上升 。

应变速率对闭孔泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响

采用分离式霍普金森压杆 (SHPB)技术 ,研究了应变速率 (1× 10 - 3s- 1 ～ 2 5 0 0s- 1 )对泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响。结果表明 :泡沫铝有较高的应变速率敏感性 ,随应变速率的增加 ,泡沫铝的屈服强度和吸能能力增加 ,泡沫铝的应变速率敏感性随应变、应变速率变化幅度的增加而增加。

闭孔泡沫铝的动态压缩性能试验研究

为了研究闭孔泡沫铝动态压缩性能的应变率效应,采用改进的INSTRON高速动力加载系统,对不同应变率下闭孔泡沫铝试件进行动态压缩试验研究。首先利用正向试验和反向试验技术对不同厚度的闭孔泡沫铝试件在同一加载速率下的动态压缩性能进行了研究,得到了在一定速率下消除泡沫铝动态压缩试验中惯性效应的合理试件厚度。进一步开展了闭孔泡沫铝试件在不同加载速率下的高速压缩试验,研究了其动态压缩性能随应变率的变化规律。结果表明在高速压缩下,闭孔泡沫铝的应力-应变曲线与准静态条件相同,具有明显的弹性段、平台段及压实段的3阶段特征。闭孔泡沫铝的平台应力具有明显的应变率效应,而致密应变在不同的应变率下表现出了不同的变化趋势,初步解释为泡沫铝孔壁塑性变形机制的改变以及波动效应的相互影响。闭孔泡沫铝的吸能能力随应变率的增加而明显提升。

采用改进的SHPB方法对闭孔泡沫铝的动态压缩性能的研究

采用改进的分离式霍普金森压杆,分别对长度为10、16 mm的闭孔泡沫铝试件在不同应变率下进行了动态压缩试验,得出了相应的应力-应变曲线,分析了应变率对闭孔泡沫铝的变形、应力以及能量吸收性能的影响。结果表明:在340～1350s-1下,两组试件均未能完全压实,动态压缩应力-应变曲线只存在弹性区和屈服平台区,缺少致密区;闭孔泡沫铝的变形、应力以及能量吸收性能均有明显的应变率效应。

闭孔胞状泡沫铝的单向压缩力学性能和吸能能力

通过不同孔隙度闭孔胞状泡沫铝的准静态压缩试验,研究泡沫铝孔隙度对其力学性能和吸能能力的影响。闭孔胞状泡沫铝单轴压缩应力应变曲线呈现明显的3个阶段:线性变形、平台阶段、致密化阶段;在单向压缩情况下,泡沫铝的压缩强度、吸能能力随着孔隙度的增大而减小;采用Gibson-Ashby的模型分析闭孔胞状泡沫铝的压缩屈服强度,并提出泡沫铝吸能能力公式,为工程应用提供理论支持。

闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管的低速冲击性能

目的研究闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管在低速冲击载荷下的力学及吸能性能,探究泡沫Al-Cu与铝合金薄壁管之间的交互作用。方法采用粉末冶金发泡法制备闭孔泡沫Al-Cu,并将其直接填充到铝合金薄壁管中,获得闭孔泡沫Al-Cu填充薄壁管(简称“填充管”)。采用万能电子试验机和冲击试验机对试样进行力学及吸能性能测试,采用VIC-3D系统和高速摄像机观察试样的宏观变形行为,采用扫描电子显微镜(SEM)分析试样的微观断口形貌。结果在不同冲击能量下,泡沫Al-Cu具有较稳定的吸能特性。在相同位移下,较大冲击能量下的填充管能够吸收更多能量。与薄壁管相比,受冲击后填充管的形变较小且其冲击曲线更加平稳,表明泡沫Al-Cu芯材的填入能够增强变形稳定性及整体吸能能力。与泡沫Al-Cu相比,填充管受应变率影响较小,可在较宽应变率范围内稳定吸能,较高应变率下的冲击会导致泡孔发生脆性断裂。结论填充泡沫Al-Cu芯材能够提高薄壁管受冲击载荷时的变形稳定性,两者之间的相互作用使填充管结构具有更好的吸能性能。

中低应变率下闭孔泡沫铝动态力学性能研究

为探索闭孔泡沫铝的动态力学性能与吸能特性,基于万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对闭孔泡沫铝在准静态和中应变率下(0.001~100s^-1)的动态力学性能进行了测试,分析了不同应变率、不同相对密度和不同泡沫铝基体特性下闭孔泡沫铝的应力应变曲线特征和吸能特性变化。研究结果表明:中低应变率下的纯铝基体泡沫铝并不具备应变率效应,高脆性、相对密度较小的泡沫铝具备更好的吸能特性,塑性和脆性基体泡沫铝变形带分别呈现“V”形和“X”形,脆性基体泡沫铝同样不具备应变率效应。

闭孔泡沫铝准静态压缩试验及吸能特性研究

为研究闭孔泡沫铝厚度及密度变化对其静态力学性能和吸能特性影响,采用液压式WE-1000万能试验机对其进行静态压缩试验。结果表明:泡沫铝厚度由50 mm增加到100 mm,致密化应变和能量吸收分别增长10%~28%、30%~50%,而弹性模量和平台应力基本保持不变;闭孔泡沫铝的密度从0.35 g/cm^(3)增加到0.65 g/cm^(3),其弹性模量增加了32%~132%、能量吸收量增长44%~95%、屈服平台应力提高了35%~130%,致密化应变降低了6%~16%;相比于低密度闭孔泡沫铝,高密度闭孔泡沫铝吸能较多,但吸能效率偏低。

相对密度对泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响

对不同相对密度的两种胞孔结构———开孔和闭孔泡沫铝进行了单轴压缩试验,研究了相对密度对泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响。结果表明:随着相对密度的增大,泡沫铝的屈服强度与流动应力也相应增加,通过对本实验结果进行拟合,得出泡沫铝的屈服强度与相对密度的关系式。泡沫铝材料吸收的能量随着应变量的增大而增加,在相同应变量下,高密度开孔泡沫铝的吸收能比低密度闭孔材料多。吸能效率反映材料本身的一种属性,高的理想吸能效率表明泡沫铝是一种优良的吸能材料。

闭孔泡沫铝缓冲性能及其变形失效机理研究

在闭孔泡沫铝的准静态压缩实验基础上,研究不同孔隙率下的力学性能和吸能性能,分析其压缩变形机理。结果表明,闭孔泡沫铝的压缩过程存在明显的3个阶段:线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段。随着孔隙率的增大,闭孔泡沫铝的屈服强度、弹性模量和压实应力均减小。在压缩过程中,吸能效率和理想吸能效率均是先上升后下降。孔隙率对吸能效率影响较大,对最大理想吸能效率影响不大。将理想吸能效率曲线和吸能效率曲线结合可以选择合适的缓冲材料,发挥其最佳吸能特性。闭孔泡沫铝在准静态压缩条件下有良好的塑性变形能力,变形呈逐层破坏的特征。

泡沫铝的动态力学性能研究

粉末冶金法是制备泡沫铝的一种操作简便、实用性强的工艺。通过调整造孔剂含量、粒径、加热温度及时间等手段 ,可控制其细观结构 ,获得孔洞分布均匀的泡沫铝样品。采用 Hopkison压杆测试技术 ,对泡沫铝试样的动态压缩性能进行测试和分析。结果表明 ,泡沫铝的平台强度取决于应变速率的高低和相对密度的大小。泡沫铝材料具有很好的吸能缓冲性能。

闭孔泡沫铝压缩行为的有限元仿真

用DEFORM-3D有限元软件对闭孔泡沫铝的压缩行为进行模拟,探讨不同孔隙率和孔径对压缩力学特性的影响,研究孔隙率、孔径对能量吸收和吸能效率的影响。结果表明:在准静态条件下,闭孔泡沫铝的压缩过程存在线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段;闭孔泡沫铝的抗压缩能力、吸收能力随着孔隙率的减小而增强;当孔隙率为50%,孔径分别为1.0、2.0、3.0 mm,孔径对闭孔泡沫铝的压缩性能和吸能性能影响不大;将理想吸能效率曲线和吸能效率曲线结合可以选择合适的缓冲材料,并发挥其最好吸能特性。

轧制制度对闭孔泡沫铝材料塑性的影响

研究了采用熔体发泡法制备的闭孔泡沫铝材料的轧制过程,分析了不同道次压下量条件下泡沫铝的变形特点与破坏方式,探讨了影响泡沫铝轧制能力的主要因素.结果表明:闭孔泡沫铝的轧制应遵循多道次、小变形的原则.道次压下量为0.1 mm时,Si质量分数为12%的泡沫铝(厚度约11 mm)经10道次变形后可实现1 mm的总变形量.道次压下量过大时泡沫铝的破坏方式为典型的脆性断裂,适宜的压下量则有利于发挥泡沫铝良好的吸能性,但小变形时易出现弯曲而使材料最终发生剪切破坏.提高泡沫铝轧制能力的具体方法为降低基体中的Si含量,提高材料组织性能的均一性,轧制工艺中采用适宜的道次压下量和较低的轧制速度.

弹丸侵彻闭孔泡沫铝冲击波形数值模拟

为分析弹丸结构参数及闭孔泡沫铝材料参数对冲击加速度响应的影响,建立了弹丸侵彻闭孔泡沫铝试验装置的动态非线性有限元模型。利用LS-DYNA软件模拟了弹丸冲击侵彻闭孔泡沫铝的波形发生过程。通过数值计算研究参数对冲击响应的影响,特别是对冲击过程中弹丸加速度峰值、脉宽及加速度波形的影响。研究发现,使用锥形头弹丸可获得较为平整的加速度波形;降低泡沫铝孔隙率、减小厚度、减小弹丸质量均会引起弹丸冲击加速度峰值的增大与冲击脉宽的减小;增大弹丸初速可提高冲击加速度峰值与脉宽。

基于面心立方孔洞堆砌模型的泡沫铝准静态及动态压缩模拟研究

以有限元分析软件ANSYS的Workbench为平台,以高孔隙率面心立方孔结构（Face centered cubic,FCC）的泡沫铝模型为对象,进行了准静态压缩和落锤冲击的有限元模拟。高孔隙率泡沫铝特指孔隙率（Porosity,Pr）在85%~90%之间的泡沫铝。已有的实验结果表明,孔隙率为90%的泡沫铝的准静态压缩下屈服平台应力值为3 MPa,当冲击应变速率在900s-1以上时,其屈服平台的应力值稳定在7 MPa左右;模拟结果与实验结果一致,并发现当应变速率达到35342s-1后,泡沫铝的屈服平台应力值会再次大幅升高,达到14 MPa。根据泡沫铝压缩模拟的应力云图,揭示了不同应变速率下泡沫铝的吸能能力和变形模式的对应关系,并从结构变形的角度解释了泡沫铝的抗冲击吸能性能优于其准静态压缩的原因。

短纤维对泡沫铝压缩力学性能与吸能特性的影响研究

为探索闭孔泡沫铝加入短纤维后的力学性能和吸能特性变化规律。利用熔体发泡法在铝熔体中加入短碳纤维后制作得到纤维增强泡沫铝,通过万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对泡沫铝、纤维增强泡沫铝进行准静态和中应变率下(0.001~100 s-1)的动态力学性能测试,分析了纤维长度、纤维含量对泡沫铝力学性能和吸能特性变化规律。研究结果表明,纤维在泡沫铝内部主要呈现三种不同的形态模式:穿透模式、贯穿模式和嵌入模式;在平均孔径为2 mm的泡沫铝中加入长度为1 mm的纤维后,大多数纤维呈现穿透模式,泡沫铝整体性能下降,加入等含量长度为3 mm的纤维后,大多数纤维呈现贯穿和嵌入模式,平台应力和吸能效率有所提升;加入纤维后,泡沫铝整体呈现更为明显的应变率效应。

多次冲击下泡沫铝动态压缩力学性能试验与本构模型研究

基于分离式霍普金森压杆装置对泡沫铝试样进行多次冲击加载试验,研究泡沫铝在中低应变率下的动态压缩力学性能。通过分析泡沫铝破坏形貌、透波率、应力-应变曲线以及能量吸收效率随冲击加载次数的变化规律,研究了损伤累积对材料动态力学性能以及吸能特性的影响机理。试验结果表明:随着冲击次数的增加,泡沫铝内部胞孔结构逐步崩溃压实,对应力波的衰减作用减弱,弹性极限应力及对应应变均有增强效应,且多次冲击下的损伤累积效应有助于提高理想吸能效率。基于试验所得应力-应变曲线,将损伤累积变量引入Sherwood-Frost方程,建立泡沫铝材料多次冲击下损伤累积本构模型,分析了形状函数参考曲线对应损伤累积能量与多次冲击试验损伤累积能量差值对本构模型准确性的影响,并进行了试验验证。