导　　师： 杨桂通

学科专业： H0102

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 太原理工大学

摘　　要： 泡沫金属材料在作为缓冲吸能及防护装置的应用中，构件均需承受冲击载荷，因此研究泡沫金属材料的动态力学性能，讨论它们的应变率效应是倍受关注的问题。研究影响泡沫金属材料动力学行为的因素及机理对泡沫金属的应用有实际意义。本文以实验为主，与理论分析和数值模拟相结合，系统研究了泡沫铝材料在高应变率下的压缩力学行为及变形特性。主要内容包括： 1.泡沫铝材料的动态力学性能及能量吸收性能的影响因素 研究了泡沫铝材料的应变率效应与基体材料性质及孔隙结构的关系。实验发现：①基体材料不同的泡沫铝材料对应变率的敏感程度不同，差异显著。吸能效率的极值对应变率的变化不太敏感，吸能量的应变率敏感性受基体性质的影响较小。②基体韧性较好的泡沫铝合金材料表现为空间上的均匀变形，反之基体较脆的泡沫铝合金材料则表现为空间上的不均匀变形。③所研究的开孔泡沫铝合金材料都是应变率敏感材料，且敏感性受泡沫材料密度的影响较小；闭孔泡沫铝材料的应变率敏感性受泡沫密度的影响，相对密度较低时，应变率敏感性较强。 2.用均匀化理论预测胞孔形状对泡沫材料等效弹性常数的影响 将具有三维孔隙的泡沫材料简化为截面上具有规则孔洞的二维结构，取具有不同孔洞形状的正方形胞元作为周期性结构的代表胞元，以均匀化理论为依据，计算出了不同微孔形状及体积分数下材料的等效弹性常数。数值计算发现：泡沫材料的等效弹性常数不仅取决于微孔数量，而且受微孔形状的影响，孔洞体积分数越大影响越大；同时基体泊松比对等效弹性常数的影响也与微孔形状有关。 3.胞孔尺寸对泡沫铝材料动力学性能及变形模式的影响 研究了胞孔尺寸对开孔泡沫铝材料力学性能的影响，同时采用应变“冻结”法研究了胞孔尺寸对开孔泡沫铝材料压缩过程中胞孔变形的影响，最后，利用大型LS-DYNA3D非线性有限元分析软件，采用立方体模型，首次模拟分析了胞孔尺寸变化对开孔泡沫铝材料动力学性能的影响。①实验发现：泡沫铝材料的杨氏模量和压缩强度均受胞孔尺寸的影响，同时应变率敏感性及能量吸收性能也受到影响，但胞孔的变形均匀性不受影响。密度较低、胞孔尺寸中等的泡沫铝材料具有较强的应变率敏感性，同时应变速率提高时孔隙大小造成的性能差异更显著。④数值模拟结果与实验结果完全一致，说明该模型用于模拟开孔泡沫铝材料在冲击载荷下的变形是有效的。 4.热处理对泡沫铝材料动态压缩力学性能及能量吸收性能的影响 不仅对泡沫铝合金材料进行了常规的T6处理，还尝试了节能省时的时效处理，均取得了很好的强化效果。研究了这两种热处理工艺对泡沫铝合金材料动态力学性能的影响，并用扫描电镜观察了热处理前后泡沫孔棱的显微组织，用微观组织转变说明两种工艺处理对泡沫铝合金材料性能的影响，发现：①T6强化处理和时效处理均能提高泡沫AL-MG-SI材料及泡沫AL-CU-MG材料的压缩强度，而且在动态下作用更明显。T6强化处理的效果一般比时效处理的效果显著。热处理对泡沫AL-MG-SI材料及AL-CU-MG材料能量吸能效率极值的影响不明显，但对单位体积吸能量有显著影响，因此可以通过热处理来提高其能量吸收能力。②时效处理能明显提高泡沫AL-MG-SI及AL-CU-MG合金材料的压缩强度及能量吸收能力。这种工艺不需高温固溶，可节约时间和能源，还能避免在水中淬火时对胞孔结构的破坏，值得推广。③相对密度影响泡沫铝合金材料的热处理性能，相对密度越低，热处理强化作用越明显；热处理改变了泡沫铝合金材料的应变率敏感性与相对密度的关系。

关 键 词： 泡沫铝 应变率敏感性 能量吸收 热处理 孔隙结构 数值模拟 均匀化理论

分 类 号： [TG146.21]

领　　域： [金属学及工艺] [一般工业技术] [金属学及工艺]