楊?？?王 輝 杜曉磊 何小元

(1東南大學(xué)江蘇省工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)(2東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)(3北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)是一種綜合性能優(yōu)異的新型功能與結(jié)構(gòu)材料，除了具有泡沫鋁材料優(yōu)異的功能材料特性外，克服了單一泡沫鋁強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，具有比傳統(tǒng)蜂窩板更高效的能量耗散能力、更高的沖擊強(qiáng)度和耐熱能力等，在汽車制造、航空、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1-2］.目前，國(guó)內(nèi)外泡沫鋁夾心的制備主要采用膠粘、粉末冶金發(fā)泡法以及焊接法.膠粘工藝生產(chǎn)的泡沫鋁夾心板耐高溫與耐腐蝕能力較差，產(chǎn)品的使用環(huán)境具有一定的局限性，而粉末冶金發(fā)泡工藝和焊接是近年來研究較深入的泡沫鋁夾心板的主要制備方法［3-6］.其中粉末冶金發(fā)泡工藝中，采用軋制復(fù)合-粉末冶金發(fā)泡技術(shù)，通過軋制復(fù)合工藝實(shí)現(xiàn)面板與芯層粉末的有效結(jié)合制備泡沫鋁夾心板，國(guó)外已能生產(chǎn)大規(guī)格(1.2 m ×2.5 m)的夾心板［5］，但這種方法主要用于夾心為閉孔結(jié)構(gòu)，很少用于開孔泡沫鋁芯的夾心板制備.迄今為止，有關(guān)泡沫鋁的焊接技術(shù)尚不成熟，這極大地限制了大尺寸化的制備和泡沫鋁在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用.最近，東南大學(xué)材料學(xué)院提出了采用Zn-Al-Cu基合金作為釬料，無須真空或保護(hù)氣氛條件和不使用釬劑，通過配合機(jī)械/物理方法去除致密氧化膜，實(shí)現(xiàn)了泡沫鋁的焊接［6］，并進(jìn)一步用于夾心板的制備［7］.

由于抗彎曲性能是夾心板結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)，目前大多數(shù)的研究主要集中在膠結(jié)和冶金制備閉孔泡沫鋁夾心板整體的抗彎曲性能和層合梁的失效上［8-13］.Kabir等的三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)研究了商業(yè)泡沫鋁夾心面板厚度及支撐跨距對(duì)其彎曲性能的影響［8］，而文獻(xiàn)［9］則通過四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究了商業(yè)泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)不同夾心厚度與其彎曲變形行為的關(guān)系.國(guó)內(nèi)，東南大學(xué)的張林、何德坪通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)膠結(jié)式球形孔泡沫鋁夾心梁的載荷-位移曲線及各種破壞模式進(jìn)行了研究［10］.東北大學(xué)的張敏等采用復(fù)合軋制方法制備界面為冶金結(jié)合的泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)，并通過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證界面的結(jié)合性和整體的彎曲特性［11］.而對(duì)焊接加工的夾心板彎曲性能和焊接對(duì)力學(xué)性能的影響以及泡沫鋁夾心在彎曲過程中的變形行為測(cè)量研究鮮有報(bào)道.本文主要采用靜態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和圖像相關(guān)方法，對(duì)焊接加工制備的夾心材料為開孔和閉孔泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)的抗彎性能以及泡沫鋁夾心在彎曲過程中變形行為進(jìn)行研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接夾心板彎曲載荷下的彎曲響應(yīng)與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的冶金和膠結(jié)加工的夾心板具有相同的彎曲吸能性能.圖像相關(guān)計(jì)算的表面變形結(jié)果表明，泡沫鋁與鋁板的焊接連接界面焊接釬料的厚度對(duì)夾心板彎曲吸能影響較大，焊接釬料的厚度及焊接質(zhì)量將影響夾心板的中性層位置，這對(duì)泡沫鋁夾心板的焊接制備與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用金屬熔體發(fā)泡法通過鋁熔體的增粘、發(fā)泡和控制凝固等制備過程獲得實(shí)驗(yàn)用泡沫鋁.分別選取孔隙率為65%左右的開孔泡沫鋁及78%左右的閉孔泡沫鋁作為芯材，將開孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁線切割加工成厚度為17.34和18.34 mm 板芯各1塊，厚度16.62 mm的閉孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁板芯3塊，與厚度為1 mm的實(shí)芯鋁板作為前、后面板按文獻(xiàn)［6］介紹的方法進(jìn)行焊接成夾心板，并進(jìn)一步加工成長(zhǎng)230 mm和寬40 mm的試樣共5個(gè).上述夾心部分的閉孔泡沫鋁厚度方向的平均孔數(shù)均不少于5個(gè).

將加工后的泡沫鋁夾心板試樣采用新三思?CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)三點(diǎn)彎曲加載測(cè)試其力學(xué)性能，同時(shí)利用CCD相機(jī)連續(xù)記錄彎曲變形過程并對(duì)記錄的圖像進(jìn)行相關(guān)處理，獲得不同變形時(shí)刻泡沫鋁夾心變形行為.實(shí)驗(yàn)時(shí)所有試樣加載的支撐點(diǎn)跨距為200 mm，壓頭加載速率為5 mm/min，圖像記錄速度為30幀/min，每幅圖像大小為1 024像素×768像素，直到試樣破壞為止.為了便于比較，實(shí)驗(yàn)中還對(duì)長(zhǎng)230 mm、寬40 mm和厚21 mm的閉孔泡沫鋁板進(jìn)行同樣的三點(diǎn)彎曲測(cè)量.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 非夾心閉孔泡沫鋁板彎曲和變形特征

圖1為閉孔泡沫鋁板的三點(diǎn)彎曲過程中試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄的壓力-位移(可近似為板中心處的彎曲撓度)曲線，可以看出，泡沫鋁板彎曲時(shí)屬于線性范圍的變形很小(壓頭位移小于0.15 mm)，大部分都是非線性的或塑性彎曲.數(shù)字圖像相關(guān)方法分析得到的試樣在壓頭位移為0.35 mm時(shí)一側(cè)面橫向面(u場(chǎng))內(nèi)位移和縱向面(v場(chǎng))內(nèi)位移(撓度)分布分別如圖2(a)和(b)所示，結(jié)果表明橫向變形的中性層(橫向應(yīng)變值為0的區(qū)域)基本位于板結(jié)構(gòu)的幾何中間層面內(nèi)，而各個(gè)橫向?qū)用鎯?nèi)的撓度分布以壓頭位置的中截面為軸對(duì)稱分布.因此，泡沫鋁彎曲時(shí)整體上具有較明顯的各向同性特性.圖2(c)為試樣下界面剛剛出現(xiàn)宏觀斷裂裂縫時(shí)(壓頭位移為1.15 mm)的橫向面內(nèi)位移，除了豎向?qū)ΨQ軸處外，被測(cè)界面幾何中間層面以下部分橫向拉伸變形變化梯度很小.

圖1 閉孔泡沫鋁板三點(diǎn)彎曲時(shí)試驗(yàn)機(jī)記錄的壓力-位移曲線

圖2 泡沫鋁板表面不同時(shí)刻的位移云圖

2.2 夾心泡沫鋁板的彎曲和變形特征

圖3是3塊夾心為閉孔泡沫鋁的夾心板三點(diǎn)彎曲壓力-位移曲線，所有夾心的厚度均為16.62 mm.圖4(a)～(c)分別為試樣1在壓頭位移為0.72 mm，試樣 2 在壓頭位移為 0.67 mm，以及試樣3在壓頭位移為1.36 mm時(shí)側(cè)面橫向面內(nèi)位移分布.圖5則對(duì)應(yīng)于3個(gè)閉孔泡沫鋁夾心板試樣界面剛剛出現(xiàn)宏觀裂縫時(shí)的橫向面內(nèi)位移分布，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓頭位移分別為 7.15，4.13 和2.52 mm.

圖6顯示2個(gè)試樣夾心為開孔泡沫鋁夾心板的三點(diǎn)彎曲壓力-位移曲線(夾心部分的厚度分別為17.34和18.34 mm).圖7為開孔泡沫鋁夾心試樣1在壓頭位移為0.35 mm和試樣2在壓頭位移為0.7 mm時(shí)側(cè)面橫向面內(nèi)位移分布.圖8對(duì)應(yīng)于2個(gè)夾心板試樣界面剛剛出現(xiàn)宏觀裂縫時(shí)的橫向面內(nèi)位移分布，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓頭位移分別為7.9和8.3 mm.

圖3 閉孔泡沫鋁夾心板的三點(diǎn)彎曲時(shí)壓力-位移曲線

圖4 閉孔泡沫鋁夾心板試樣表面橫向位移場(chǎng)

圖5 閉孔泡沫鋁夾心板出現(xiàn)宏觀裂縫前的橫向位移場(chǎng)

圖6 開孔泡沫鋁夾心板的三點(diǎn)彎曲時(shí)壓力-位移曲線

2.3 結(jié)果分析與討論

圖7 開孔泡沫鋁夾心板試樣表面橫向位移場(chǎng)

圖8 開孔泡沫鋁夾心板出現(xiàn)宏觀裂縫前的橫向位移場(chǎng)

對(duì)于閉孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁板，不論是純泡沫鋁板還是夾心結(jié)構(gòu)板，由圖1和圖3可以看出在靜態(tài)彎曲荷載作用下閉孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁(除夾心結(jié)構(gòu)的試樣3外)具有較寬的塑性彎曲變形平臺(tái);同等厚度的板梁，夾心結(jié)構(gòu)承受的最大彎曲載荷的平均值是非夾心的5倍多.圖1和圖3的彎曲壓力-位移曲線表明，閉孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁彎曲時(shí)即使在出現(xiàn)局部宏觀的斷裂破壞，這種結(jié)構(gòu)仍能維持較寬的塑性彎曲變形平臺(tái)，而且由圖2和圖4可以看出斷裂裂縫出現(xiàn)初期結(jié)構(gòu)彎曲的中性層位置仍基本位于夾心板幾何中間層處，除了壓頭處偏向于上邊界一側(cè)外.

由于實(shí)驗(yàn)中夾心梁截面高度(即板的厚度)遠(yuǎn)小于跨度，因此，橫力彎曲時(shí)剪應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)［14］，將梁的彎曲理論應(yīng)用于上下表面面板厚度相同的夾心梁結(jié)構(gòu)可得其彎曲剛度為［15］

式中，Ef和Ec分別為面板和板芯材料的彈性模量;b為夾心梁的寬度;f為面板厚度;d為上下面板中心距離;c為夾心的厚度.式(1)右端的第1，2項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)于上、下面板的彎曲剛度，第3項(xiàng)對(duì)應(yīng)于夾心部分.實(shí)驗(yàn)中，閉孔泡沫鋁夾心梁試樣3的整體梁厚比另外2個(gè)梁的厚度多出0.5 mm，多出的部分為試樣下邊界處泡沫鋁芯和實(shí)心鋁面板間的焊接層(見圖9(a))，這樣名義上的下表面面板的厚度比上表面板厚0.5 mm.因此，式(1)中的第2項(xiàng)比另外2個(gè)試樣的值多出0.5倍，致使整個(gè)夾心板的彎曲剛度高于2個(gè)同類試樣.同時(shí)彎曲中性層的位置更靠近下界面(見圖4(c)).由于閉孔泡沫鋁的抗壓比抗拉強(qiáng)度高些，因此隨著焊接層宏觀斷裂裂紋發(fā)生，在比同等試樣更高的彎曲壓力作用下，裂紋擴(kuò)展的速度和承載力下降速度(見圖3)都比較快，最后大部分夾心和下表面面板斷裂(見圖9(b)).

圖9 閉孔泡沫鋁夾芯板試樣3的圖像

對(duì)比圖3和圖6可以發(fā)現(xiàn):與夾心為閉孔泡沫鋁試樣不同，開孔泡沫鋁為夾心的試樣出現(xiàn)宏觀斷裂裂縫之后，試樣的承載力很快變小.由于開孔泡沫鋁芯材的孔隙率小，密度較大，再加上整個(gè)開孔結(jié)構(gòu)的芯材厚度較閉孔結(jié)構(gòu)的厚，根據(jù)式(1)容易理解其承受的最大彎曲壓力比閉孔的夾心板高出15% ～25%.另外，由圖3和圖6看出閉孔結(jié)構(gòu)芯材與開孔結(jié)構(gòu)芯材的夾心板出現(xiàn)裂縫時(shí)機(jī)也不一樣，這是因?yàn)殚]孔芯材孔壁為薄板結(jié)構(gòu)，拉伸時(shí)延展性很小，易于斷裂;而開孔芯材孔壁可以看成是細(xì)桿結(jié)構(gòu)，拉伸時(shí)仍具有一定的延展性.根據(jù)圖9和圖10所示的夾心板的失效圖像，以及對(duì)加載過程中記錄的數(shù)字圖像分析可知，對(duì)于因焊接導(dǎo)致的面板較厚的夾心板，特別是下表面面板厚時(shí)，由于整體的彎曲剛度增大，承受的最大彎曲壓力也必然增大，這樣夾心板的下表面承受的橫向拉應(yīng)力也相應(yīng)增大.泡沫鋁的“孔洞缺陷”及焊接層畢竟不像冶金鍛壓金屬材料那樣密實(shí)，在高的拉應(yīng)力作用下，靠近夾心板下表面區(qū)域容易出現(xiàn)拉伸斷裂.所以隨著焊接層宏觀斷裂裂紋的發(fā)生焊接層失去承載作用，更多的拉力轉(zhuǎn)移到了下表面的面板上，這樣使得面板也容易折斷.

圖10 閉孔及開孔泡沫鋁夾心試樣的失效形式

圖10(a)為閉孔泡沫鋁夾心板試樣2斷裂破壞圖像，由于試樣焊接層比較薄，結(jié)構(gòu)整體的彎曲剛度小，彎曲時(shí)承受的最大壓力也比焊接層厚的試樣要小30%(與同類試樣3相比)，這樣下表面的拉應(yīng)力也必然要小些，達(dá)不到面板斷裂需要的應(yīng)力水平.因此，該試樣在彎曲時(shí)，即使出現(xiàn)左側(cè)大范圍的脫焊現(xiàn)象，在彎曲撓度不斷增加的過程中，仍保持較恒定的彎曲壓力，直到夾心層一半被撕裂后整個(gè)試樣才失效.

3 結(jié)論

1)閉孔泡沫鋁芯夾心板因夾心斷裂而破壞失效，開孔泡沫鋁芯夾心板則因夾心和面板同時(shí)斷裂而破壞失效;開孔夾心件的面板斷裂缺口較閉孔夾心面板端口齊直.

2)使用相同面板的情況下，閉孔泡沫鋁芯的孔隙率比開孔芯材的大，相對(duì)密度小，雖然開孔泡沫鋁夾心板較閉孔泡沫鋁芯能承受更大的彎曲壓力，但閉孔夾心板三點(diǎn)彎曲過程中卻比開孔泡沫鋁芯具有更高的能量吸收能力.這一點(diǎn)對(duì)于夾心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用來說很有意義.

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