藉状多孔铜压缩力学行为及能量吸收特性研究

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藕状多孔金属材料具有优异的力学性能,是轻质结构和能量吸收部件的理想材料。藕状多孔金属在用作吸能材料时会经受不同应变速率条件下的复杂载荷作用。但目前的研究主要集中在准静态力学特性的分析上,而对其在中、高应变速率下的动态力学行为研究却鲜见报道。本文在较宽的应变速率范围内(10-3 s-1~2400s-1)研究了藕状多孔铜的力学特性、能量吸收特性和变形行为。   采用定向凝固法制备了藕状多孔铜。重点研究了浇注温度对藕状多孔铜结构的影响规律及其机制。结果表明,所制备棒料的气孔率受浇注温度的影响较小,但随着浇注温度的升高气孔尺寸减小,数目增加,分布更加均匀,棒料表层无孔区厚度则呈现减小趋势。   在平行和垂直于气孔方向压缩两种情况下,研究了应变速率和相对密度对藕状多孔铜压缩应力—应变关系的影响。结果表明:两种情况下,藕状多孔铜压缩应力—应变曲线均随应变速率的提高和相对密度的增加而逐渐抬升;压缩平台应力σp1在一定的应变速率下会发生明显的提高,表现出显著的应变速率敏感性特征,二者满足关系式σpl=S(·ε)m;σp1随相对密度的增加而增大,二者满足关系式σpl=K(p/ps)n;密实化起始应变εcd对应变速率和相对密度的依赖性较小。   在平行和垂直于气孔方向压缩两种情况下,研究了应变速率和相对密度对藕状多孔铜单位体积能量吸收能力Wv和能量吸收效率η的影响。结果表明:两种情况下,Wv随应变速率的增加而明显提高,应变为0.55时的能量吸收能力Wv0.s5在应变速率大于800 s-1时显著提高,表现出明显的应变速率敏感性特征;能量吸能效率η对应变速率的依赖性不明显;应变速率相同时,相对密度的减小会引起Wv的降低和η的增大。   在应变速率为10-3 s-1、30s-1和1600s-1的条件下,研究了压缩方向平行和垂直于气孔方向时藕状多孔铜的压缩变形行为。结果表明,平行于气孔方向压缩时,藕状多孔铜在低应变速率和中应变速率下的变形主要以孔壁的C形弯曲、S形弯曲和局部弯折为主,而高应变速率下则以C形弯曲和局部弯折为主。垂直于气孔方向压缩时,藕状多孔铜在低应变速率和中应变速率下的变形主要经过单元气孔的椭圆形变形、弯月形坍塌和一字形密实,高应变速率压缩条件下则在试样内部出现了变形区局部化现象。
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