文摘
这项研究的结果强调发泡剂的作用和加工路线的污染影响细胞壁物质产品,而反过来,闭孔Al-foams宏观力学响应的影响。出了几种Al-foams纯铝/铝合金Alporas像融化的过程中,所有有或没有执行与传统TiH Ca添加剂和加工2发泡剂或CaCO3作为一种替代方法。污染的损害行为被认为影响泡沫的微观结构变形,有利于塑性屈曲或脆性破坏细胞壁。抗压强度的实验值之间没有差异Al-foams由韧性细胞壁成分和这些规定的理论模型为闭孔结构被发现而存在的低韧性和/或脆弱的共晶域和污染包括粒子/层3Ti,残留的部分TiH反应2Ca轴承化合物,结果在减少抗压强度值接近甚至低于相同的开孔泡沫材料的相对密度。
1。介绍
卓越的吸收能力是能力的闭孔泡沫铝进行大型压力(60 - 70%)几乎恒定应力下崩溃保护和其他应用程序提供显著的性能提高,冲击能量的有效利用率是必需的(1]。例如,在泡沫铝三明治(AFS)结构组成的金属/陶瓷盖板和Al-foam核心,最后一个是一种有效的冲击能量吸收器,限制加速度碰撞事故,提供事故保护陆地和海洋汽车(2,3]。这就是为什么有一个广泛的兴趣在生产(1,4- - - - - -10Al-foams),力学性能(11- - - - - -16]。
尽管不断努力,生产流程Al-foams受技术和经济的限制。作为应用于利用率高生产方法基于融化,粉盒的处理技术(4,10)经济限制将会特别由于采用昂贵的传统的发泡剂,氢化钛(TiH2)。此外,昂贵的粒状Ca用作增稠剂造成材料成本Al-foam由传统的熔化处理像Alporas路线17]而昂贵的气体雾化Al / Al合金粉末会导致增加材料成本的前兆,因此通过粉盒产品技术(4,10]。因为这个有一种强烈的动机开发成本效益的处理路径。在这一点上廉价的碳酸钙(CaCO3)作为替代发泡剂最初提出的研究在日本发展中Alporas路线(6),后来其适用性一直延长粉盒技术(5,6,9]。此外,融化处理像Alporas路线提供了增加有效粘度没有掺合料颗粒融化Ca最近开发(18]。然而,转让Al-foam在工程实践中不能没有的详细知识Al-foam属性(包括机械的)和发泡过程的限制。
是共同知识的最重要的微观结构特性影响力学性能相对密度,泡沫密度的定量的固体,。没有缺陷的几种方法基于一种理想化表示细胞结构已经发展为解释泡沫的力学行为。那些是理想的利用率高的方法来描述机械性能开放——和closed-sell泡沫了11]。最简单的方法是基于维参数并给出了依赖属性的相对密度和细胞壁但不是细胞几何属性(19]。泡沫的复杂细胞几何模型很难准确。在这种方法有关的常数单元几何通常模型方程拟合实验数据。第二种方法接近单位细胞tetrakaidecahedron能够估计几何常数用结构力学或有限元分析(20.- - - - - -23]。第三种方法基于空间周期性排列的几个随机泰森多边形法细胞通过使用有限元分析(24泡沫细胞几何)提供了最佳的表示。细胞单元与平面孔通常使用的模型。
然而,真正的实际力学性能的Al-foams远离理论预测基于理想化的表征缺陷的细胞材料(11]。特别是,许多可用的细胞材料,特别是闭孔泡沫产生的相对强度低于预测的理论模型(11,19]。的散射泡沫的力学性能阻碍实际应用25,26]。
一般认为,实验结果和理论预测之间的分歧出现由于不同的结构性缺陷存在的真正的金属泡沫材料。结合同步x射线microtomography值得认真研读和机械分析包括有限元模拟结构缺陷对泡沫的力学性能的影响11,27- - - - - -32]。特别是变形机制的泡沫很大程度上取决于细胞形态而细胞大小的影响是可以忽略不计27,29日,32]。不规则的细胞形状介观层次上可以诱导局部弯曲。例如,x射线microtomography表明高度椭圆形细胞与t形可以在相邻细胞壁产生弯曲,初始变形的崩溃乐队(11,27]。最后,曲率和起皱的细胞(26,28)和微孔隙及其空间分布在细胞壁33)以及非齐次密度分布(29日,34和破碎细胞壁11,35)被认为是关键因素控制泡沫铝的力学行为。然而,这些因素难以量化的精确意义因为微观特性,比如外国粒子,沉淀,和溶质元素存在于细胞壁物质,目前也被认为是非常重要的,至少在非齐次应力/应变分布。然而,微观结构方面(尤其是称细胞壁成分)的力学性能仍很大程度上忽略了在大多数研究中,尽管已知的微观结构特征会显著影响相应的散装材料的性能特征。
这个问题变得越来越明显,当发泡过程执行与天然气逸剂和其他添加剂,导致非传统的矩阵组成的合金大量各种金属间化合物的化合物和其他外国粒子(2,8,11,36]。大量的各种金属间化合物化合物和其他外国粒子形成过程中发泡过程大大影响变形的微观结构,降低泡沫的力学响应2,14,15,36]。不幸的是,证据有关的力学响应Al-based金属间化合物化合物和其他粒子,典型的泡沫铝的细胞壁物质,是数量很少16,36]。
这种努力是阐明处理添加剂的作用影响的力学性能Al-foams处理不同类型的父母铝合金通过Alporas路线。注意力主要集中在细胞壁成分诱导的损害行为的影响通过处理添加剂对宏观Al-foam的压缩行为。
2。材料和实验过程
2.1。材料
几种闭孔泡沫标记为F1-F14和列在表1被用于实验。纯铝纯度(99.95)和一些常规铝合金作为基体材料。泡沫1和2与纯铝加工,而泡沫F3-F6是处理Al-7Si合金铸造A356合金(类似)。小学作文的形变合金al - 1 - mg - 0.6 - 0.2 si - 0.28 -铜- - cr(类似于6061合金)和Al-5Mg合金(类似于5356合金)是用来生产泡沫F7, F8, F9,和F10分别。此外,Al-Zn-Mg合金成分的al - 5.5 -锌- 3 - mg - 0.6 -铜- 0.5 -锰掺杂另外很小(< 0.6 wt. %)的Sc、锆(类似于7075合金)也被选择作为一个家长F11-F14泡沫材料制造。
各种Al-foams通过Alporas喜欢路线中产生氢化钛TiH2或碳酸钙CaCO3被雇佣为起泡剂(9,14,15]。此外,氢化物和碳酸盐Al-foams要么有或没有生产钙添加剂通常引入融化为增稠剂。各种Al-based泡沫是由圆柱块直径90毫米和180毫米的高度。大量的样本直接从各类加工应用基发泡材料结构表征和测试的使用它们。样品尺寸是大约20×20×30毫米3和30×30×45毫米3。
此外,一些固体合金成分大致对应于这些形成的细胞壁材料研究Al-foams被铸造捏造实验中使用它们。近似为这些固体材料的屈服强度值,列在表中1,是由传统的机械测试拉伸使用它们作为输入数据的理论模型解释泡沫压缩下的行为。
2.2。结构表征
所有样品加工Al-foams研究类型的特点是他们的相对密度(和对应的密度泡沫和固体、职责),细胞形态学和细胞微观结构。相对密度,被称重测量样本已知的体积。样品加工的相对密度范围从研究种Al-foams列在表中1。细胞形态,包括细胞的大小和形状,研究了利用扫描的图像细胞结构的各种研究Al-foams。细胞大小指示性的研究类型的Al-foams提出了表1。细胞壁材料的微观结构研究Al-foams使用扫描电子显微镜(SEM)研究了二级和反向散射模式。材料基本组成,研究了利用能量色散x射线能谱(EDS)和电子探针显微分析(电子探针)。
2.3。机械测试
Al-foams变形行为的研究在单轴抗压测试进行移动和维度标本20×20×30毫米3或30×30×45毫米3。特定样本的最小尺寸的三个方向的七倍细胞大小以避免尺寸效应。压缩伺服液压控制的测试机器上的测试进行了位移控制和静态应变速率为1.5×10−3年代−1。
3所示。结果与讨论
3.1。材料表征
各种研究Al-foams被认为已经关闭细胞近球形的14]。然而,细胞结构和平均细胞大小的同质性碳酸泡沫(F2, F5、F6 F13,和F14)发现小至少两倍比氢化的(F1、F3、F4,季,F12)处理相同的母合金,从表就是明证1。
图1显示组织的几种Al-foam细胞壁材料。细胞壁的泡沫(F1-F10)基于纯铝和铝合金成分Al-7Si, Al - 1毫克- 0.6 - si和Al-5Mg由粗Al树突圆形的共晶域网络(浅灰色),如最初所示(8,14,16,36]。枝晶间的冗余网络阶段,出现在一个矩阵的铝固溶体与随机分散3(ScZr)金属间化合物颗粒是泡沫特征(F11-F14)处理Al-Zn-Mg-alloys [14,15,36]。
(一)
(b)
(c)
(d)
不含碳酸盐类Al-foams (F2、F6 F13和F14)细胞壁材料对于所有其他泡沫表现出很多外国粒子。在Al-foams (F3和F5)基于Al-7Si合金与Ca添加剂和加工,粗晶体构图与2属于接近2金属互化物并提出了细胞壁物质除了E (Al + Si)共晶域图中可以看到1(一)。形成针状艾尔2属于接近2晶体(5)也发现Al-foam的细胞壁物质基础al - 1 - mg - 0.6 - si合金(F7),如图1 (b)。外国的颗粒部分TiH转换2和/或其反应产品如粒子/层2钛/铝3Ti(12)随机分布在细胞壁氢化物种Al-foams (F1、F3、F4和F7-F12)。符合(14)以上Ti-rich粒子主要是提出了氢化物的细胞壁物质种类的Al泡沫(F4, F8, F10 F12)处理没有钙添加剂,可以看到在图1 (d)。
基本分布结果表明,共晶域形成的细胞壁组成物质的其他Al-foams被发现,而不同的母合金相比,依赖于处理添加剂。一般来说,溶解钙主要是积累在共晶域/冗余的阶段,导致当地的修改与外国Ca-bearing共晶的形成区。特别是,除了E (α表示“动作+毫克2Si)共晶域(6)表明父母al - 1 - mg - 0.6合金、E等外国共晶区(α表示“动作+基地4Ca) (3), E (α表示“动作+基地4CaCu)(4)和E (α表示“动作+基地2CuMg)(7)形成Al-foam (F7),如图1 (b)。这同样适用于Al-foam Al-5Mg合金(F9)处理。Al-foam细胞壁物质(F9)由Ca-bearing共晶区,如E (α表示“动作+毫克2Ca)(9)和E (α表示“动作+基地4Ca +基地3除了E (Ti) (10)α表示“动作+毫克5艾尔8)共晶域(8)表明母合金,如图1 (c)。此外,少量(大约0.26。%)氢化钛基体溶质的种Al-foams。后者也集中在共晶域内,导致形成的3钛化合物。作为一个例子,Ti-bearing共晶区,如E (α表示“动作+基地4Ca +基地3Ti)(10)和E {α过程+ T (AlCuMgZnTi)}(11)中发现的细胞壁Al-foams (F9和F12)基于Al-5Mg和Al-Zn-Mg合金,分别如图1 (c)和1 (d)。
重点关注细胞壁成分的破坏行为的差异由不同种类的Al-foams细胞壁材料。特别是,艾尔+4Ca共晶域指示性碳酸盐类Al-foam (F2)与纯铝加工演示接近相当高的可塑性α过程树突,而这些都表明另一种Al-foams显示低延性和/或高脆性(14,16,36]。摇摇欲坠的脆性发生共晶域/冗余阶段甚至略切片标本后,可以看到数据1(一)和1 (c)。这同样适用于污染包括粒子/层3Ti,以及残留的部分分解TiH2和Ca-bearing化合物。的公布的数据16,36)表明,固体材料组分与上面的细胞壁污染,演示,而低延性。此外,后者固体显示极其微小的断裂韧性,,尽管他们的力量是相当高的。特别是,断裂韧性(=氢化钛TH)2甚至低于技术玻璃(=)[16]。这表明低韧性的存在和/或脆性细胞成分会导致损害破坏细胞壁的阻力,促进他们的加载下过早失效。
3.2。抗压的反应Al-Foams
各种各样的Al-foams显示宏观力学响应与弹性/塑料行为[1,2,11,19]。然而,不同种类的Al-foams表现出相当大的差异在微观变形事件“高原”政权,可以看到数据2(一个)和2 (b)。
(一)
(b)
图2 (b)表明,碳酸盐岩的泡沫(F2)与韧性铝+4Ca共晶域细胞壁物质(14,16,36这是典型的塑性屈曲变形顺利[11,19]。相比之下这轻微的硬化/软化效应叠加在越来越“高原”的压力在氢化的变形模式种Al-foams (F1、F3、F4和F9)处理纯铝和铝镁合金Al-7Si和Al-5Mg等。这些变形事件通常归因于当地失败细胞壁被粉碎低韧性共晶域和刺激脆弱的外国粒子(12,14,34]。氢化物种Al-foams(季、F12)处理Al-Zn-Mg合金,其细胞壁组成高脆性外国粒子的体积分数和共晶域,显示最强大的压力振荡的“高原”的压力,可以看到在图2 (b)。
高体积分数的粗碎冗余的阶段,大量脆性颗粒部分TiH转换2和粒子/层2钛/铝3Ti损害细胞延性和韧性。此外,高体积分数的外国强大的粒子的存在导致氢化物种Al-Zn-Mg泡沫所需压力相对较高(季、F12)开始致密化。因为这个不受欢迎的高发病时的峰值应力全球崩溃之后,强大的负载降低导致高原压力以上各类Al-foams马鞍形状。外国Ca-bearing区域内Al-foam的细胞壁物质(季)导致抗压强度下降,尽管应力-应变曲线的形状,而类似氢化类Al-foam (F12)捏造没有Ca。CaCO的应用3发泡剂的变形模式提供了一个显著的改善Al-foam (F14)基于Al-Zn-Mg合金。图2 (b)表明,碳酸盐岩Al-foam基于Al-Zn-Mg合金加工没有Ca显示更为顺畅stress-curve使峰振幅振荡的最低水平。
因此,抗压响应的比较分析不同种类的Al-foams阐明微观结构和机械损伤的细胞壁成分有着戏剧性的影响局部变形和破坏的微观机理,进而被认为有一个Al-foams宏观力学响应的影响。脆弱的细胞壁成分如脆性颗粒部分TiH转换2圆形的艾尔2钛/铝3钛层和小3钛颗粒以及脆弱的共晶域/冗余阶段作为裂纹的萌生,可能网站传播的产生应力集中在相邻地区,干预基体,可以看到在图3。细胞壁的最终失败显然发生破碎脆性细胞成分及其弥合在完整的韧带。再次,变形带的地方骨折引起振荡的“高原”压力,如图2。
(一)
(b)
3.3。比较Al-Foam抗压强度的理论模型
比较实验结果与理论预测在这方面概述估计细胞壁的作用完成了组织和机械损伤的细胞壁成分闭孔Al-foams的力学性能。没有缺陷的几个模型基于理想化表示细胞结构最著名的关系申请描述机械性能是发表在11,19]。开孔泡沫材料制成的弹塑性材料,尺寸参数给塑料破裂压力的相关性,相对于固体细胞边缘材料的屈服强度,,而相对密度,,(19] 在哪里力量指数和常数吗有关细胞几何是大约3大范围的泡沫。
闭孔泡沫,屈服拉伸细胞面临贡献他们的力量。由于这种额外的术语在右手边出现在塑料坍塌压力的关系: 电力指数。
tetrakaidecahedral单位与平面孔,有限元分析了稍微不同的值(2)。根据(28]权力指数在右边第一项被发现而常量的值决定的和。
一般来说,抗压强度通常是通过定义“高原”压力相对于屈服强度或抗压强度20%应变(11]。屈服应力,一般屈服和高原压力致密化,,(14)在本研究中使用。近似的屈服强度值,为固体,构图与细胞壁材料由常规机械拉伸测试。参数的值表中列出1。
后(11数据相对的抗压强度,和,对于不同种类的Al-foams绘制在图4的代表(1)和(2)。图4(一)表明,碳酸盐岩类Al-foam F2的数据处理与纯铝谎言接近(2规定的),闭孔泡沫的理论。然而,一个行为的所有其他类型的Al-foams或多或少地偏离了理论预测。数据氢化物的Al-foam (F1)处理纯铝躺下面(2)和转向(1),可以看到在图4(一)。偏差理论预测的实验结果表明,减少塑料弯曲故障的贡献。
(一)
(b)
同样适用于碳酸盐岩的Al-foam (F6)基于Al-7Si合金氢化没有Ca和加工以及各种Al-foams处理合金如Al-7Si, al - 1毫克- 0.6 - si和Al-5Mg和执行(F8)或没有(F10)钙添加剂。图4 (b)显示的数据的屈服应力Al-foams谎言远低于(2)和转移到(1),而高原压力谎言接近闭孔泡沫的线代表力量。之间的差异(2氢化)和数据类型的Al-7Si泡沫(F3, F4)和碳酸盐类Al-7Si泡沫(F5)与Ca添加剂是最明显的。图4 (b)显示了高原的压力数据,这些Al-foams转变本质上下面(2屈服应力的谎言),而数据远低于或至少沿着线代表开孔泡沫。氢化物的压缩行为类型的Al-foams (F7, F9),是加工等合金al - 1 - mg - 0.6 - si和Al-5Mg Ca的掺合料,非常类似于Al-foams (F3, F5)基于Al-7Si合金,通过TiH处理2或CaCO3和执行Ca添加剂。明显的区别仅仅是,细胞壁厚度的增加会导致Al-foams F7的抗压强度,F9向上转移当相对密度增加。图4(一)表明两种Al-foams (F11-F14)处理Al-Zn-Mg合金展览最挠度理论预测的实验结果。产量和高原的数据stressesof Al-foams(季、F13 F14)转变远低于线代表开孔泡沫,而那些Al-foam F12谎言接近(1)。
一般来说,一个或另一个抗压强度与相对密度之间的关系,,可以调整近似抗压强度的各种Al-foams最近[显示的一样16]。例如,抗压强度Al-foams (F1、F2)处理纯铝符合规定的合理与关系(2),闭孔结构。然而,值得注意的是,计算系数的值Al-foam F1有点减少相比Al-foam F2。这通常是与贡献相关联的断裂模式的崩溃变形带。碳酸盐类Al-foams也是如此(F8, F10)加工合金如al - 1 - mg - 0.6 - si和Al-5Mg。其他Al-foams (F3-F7和F9)处理合金如Al-7Si, al - 1毫克- 0.6 - si和Al-5Mg数值系数的值有关高原压力是大大降低相比,规定(2)。此外,数值系数有关上述泡沫完全退化了屈服应力为零。近似的结果表明,强度退化Al-foams (F11-F14)处理Al-Zn-Mg合金相当强劲。除了数值系数的值有关产量和高原应力退化到零,力量指数的第一项(2)上升。
因此,实际抗压强度的差异Al-foams和理论预测反映变形的微观结构的差异。通过考虑上面的证据显示,很容易破坏行为的细胞壁成分影响的主要微观结构变形,有利于塑性屈曲或脆性破坏细胞壁。压应力,其Al-foams可以进行致密化,证明是非常敏感的小缺陷引起的脆性细胞壁成分的微观结构。一个要注意的事实影响脆弱的细胞壁成分的材料退化的强度属性更强。图中可以看到4,后者是类似的减少相对密度实现完整的Al-foam是免费的缺陷。
4所示。结论
关键作用的发泡剂和Ca添加剂污染的细胞壁物质产品和,因此,在宏观力学响应的闭孔Al-foams捏造通过Alporas像路线是合理的。
相对的抗压强度的相关性,,而相对密度获取和分析。抗压强度的实验值之间没有差异Al-foams规定由韧性细胞壁组分和那些理论模型基于一个理想化的闭孔结构表征缺陷的细胞结构被发现在相反的被认为是对存在的低韧性和/或脆处理污染包括粒子/层3Ti,残留的部分TiH反应2、Ca-bearing化合物和/或修改共晶域。后者污染导致减少抗压强度值接近甚至低于相同的开孔泡沫材料的相对密度,。Al-foams相当大的差异的实际抗压强度和变形的理论预测结果从微观结构上的差异,这反过来,影响细胞壁成分的破坏行为,有利于塑性屈曲或脆性破坏细胞壁。
这项工作的结果带来更好的理解加工条件之间的相互作用,细胞壁组织,破坏细胞壁成分的行为,和机械Al-foams的反应。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究受到了乌克兰国家科学院的项目没有。III-2-13。特别感谢将东北大学的研究人员,日本,富有成效的讨论和合作。