【摘要】：藕狀多孔金屬是一種力學(xué)性能優(yōu)良的新型多孔金屬材料,是近年來多孔材料研究的熱點(diǎn)。藕狀金屬的變形行為和吸能性能的研究可為其在航空航天、高速交通等高技術(shù)領(lǐng)域輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和吸能部件方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文以變形能力差異較大的兩種典型藕狀多孔金屬(銅和鎂)為對(duì)象,采用GLEEBLE實(shí)驗(yàn)和直撞式霍普金森壓桿方法,在10-3～2500s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi),對(duì)藕狀多孔金屬進(jìn)行了壓縮變形測(cè)試,系統(tǒng)研究了孔隙結(jié)構(gòu)和變形條件對(duì)藕狀金屬變形行為、力學(xué)性能和吸能特性的影響,構(gòu)建了藕狀多孔金屬的本構(gòu)關(guān)系,取得的主要研究結(jié)果如下。 采用自行研制的定向凝固裝置,研究了凝固速度、澆注溫度、鑄型溫度等主要制備參數(shù)對(duì)藕狀鎂和銅孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,獲得了可制備出具有較高孔隙率(40%-65%)、較小平均孔徑(Φ0.15-0.55mm)和較好均勻性孔隙結(jié)構(gòu)的藕狀多孔鎂和銅的條件：采用水冷銅模直接冷卻以獲得較大的凝固速度,鑄型溫度分別約為500℃和900℃,澆注溫度分別約為760℃和1180℃。 采用變形量控制和高速攝像等方法,研究了藕狀多孔金屬的壓縮變形行為,給出了孔隙結(jié)構(gòu)的變化過程和圖景,探明了變形條件對(duì)多孔金屬變形行為的影響。結(jié)果表明：藕狀多孔金屬表現(xiàn)出與致密金屬迥異的壓縮變形行為,即在壓縮過程中應(yīng)力在較大應(yīng)變范圍內(nèi)緩慢增加或基本不變,壓縮變形過程主要包括以孔壁發(fā)生彈性和鐓粗變形為主的線彈性階段、以孔壁發(fā)生塑性彎曲變形為主的低應(yīng)力平臺(tái)階段和以孔隙進(jìn)一步閉合并發(fā)生整體流變?yōu)橹鞯拿軐?shí)化階段。 研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)平行于氣孔壓縮時(shí),藕狀多孔金屬在平臺(tái)階段的變形行為與材料特性和應(yīng)變速率有關(guān)。對(duì)塑性變形能力良好的純銅,在低、中應(yīng)變速率時(shí)以孔壁發(fā)生的S形彎曲變形為主,在高應(yīng)變速率時(shí)則以C形彎曲變形為主；對(duì)塑性變形能力較差的純鎂,在低、中應(yīng)變速率時(shí)主要以孔壁發(fā)生局部剪切斷裂進(jìn)而向孔隙內(nèi)塌陷的方式變形,在高應(yīng)變速率時(shí)主要以孔壁發(fā)生傾轉(zhuǎn)進(jìn)而折斷的方式變形。當(dāng)垂直于氣孔壓縮時(shí),藕狀多孔金屬在平臺(tái)階段的的塑性變形行為主要與應(yīng)變速率有關(guān)。在低、中應(yīng)變速率時(shí),以孔壁向氣孔內(nèi)發(fā)生彎月形彎曲和塌陷并逐漸填充孔隙部位的變形方式為主,而在高應(yīng)變速率時(shí)以氣孔直接壓扁閉合的變形方式為主。分別采用力學(xué)分析的方法,建立了藕狀金屬壓縮變形平臺(tái)階段的本構(gòu)關(guān)系模型,具有較高的精度。 研究了孔隙結(jié)構(gòu)與變形條件對(duì)藕狀多孔金屬壓縮力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,孔隙率、平均孔徑和孔隙均勻性等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)中孔隙率對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響最顯著。藕狀多孔金屬的力學(xué)性能具有顯著的各向異性,壓縮方向與氣孔方向夾角越小,平臺(tái)應(yīng)力越大：應(yīng)變速率較低時(shí)對(duì)力學(xué)性能的影響不明顯,但對(duì)藕狀多孔銅當(dāng)應(yīng)變速率增大到某一臨界值時(shí)表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變速率硬化效應(yīng)；變形溫度升高,壓縮應(yīng)力下降,平臺(tái)區(qū)的寬度增加。采用線性擬合的方法,獲得了孔隙率和變形條件對(duì)藕狀多孔金屬應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響的數(shù)學(xué)模型,建立了藕狀多孔金屬壓縮變形包含孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和變形條件的本構(gòu)關(guān)系,具有較高的精度。 研究了典型藕狀多孔金屬的吸能特性以及孔隙結(jié)構(gòu)和變形條件的影響,結(jié)果表明,藕狀多孔金屬具有較高的單位體積與單位質(zhì)量吸能能力以及可在較大的應(yīng)變范圍保持基本不變的較高穩(wěn)定吸能效率；吸能性能具有明顯的各向異性,平行于氣孔方向壓縮與垂直時(shí)相比,吸能能力較高,穩(wěn)定吸能段明顯較寬,但穩(wěn)定吸能效率值稍低；吸能能力隨孔隙率的增大而減小,而吸能效率受孔隙率和應(yīng)變速率的影響不明顯。藕狀多孔銅的吸能機(jī)理主要是孔壁通過發(fā)生彎曲、壓扁、塌陷等變形將能量轉(zhuǎn)化為塑性功而吸收和消耗能量；藕狀多孔鎂主要是孔壁通過發(fā)生斷裂、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎折、塌陷等變形方式耗散和吸收能量。
【圖文】：

共生結(jié)構(gòu)被稱作“Gasarite”，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：由很多長(zhǎng)而直的圓柱形氣孔定向規(guī)則分布于基體中，如圖1-1所示【"】，，因其形狀與藕根相似被稱作藕狀多孔材料。圖1-1藉狀多孔金屬孔隙結(jié)構(gòu)形貌(a)橫截面；（b)縱截面定向凝固制備岕狀多孔金屬的工藝原理是：一方面氣體在金屬中溶解度與氣體和金屬本身有關(guān)，即不同氣體在某種金屬液體中的溶解度相差比較大；-6 -

實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能上與人骨的進(jìn)一步親和。這些都是Gasarite材料潛在的非常有意義的應(yīng)用領(lǐng)域。如圖1-2和圖1-3所示為將岕狀多孔不銹鋼用作接骨材料的研究報(bào)道ii SjO “ ■‘ 100 "0 ‘ I圖1-2用于老鼠骨略挏接的藉狀多孔不誘鋼-9-
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2524950