泡沫铝夹心板静态三点弯曲变形行为及力学性能

杨福俊 王 辉 杜晓磊 何小元

(1东南大学江苏省工程力学分析重点实验室，南京210096)(2东南大学材料科学与工程学院，南京211189)(3北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083)

泡沫铝夹心结构是一种综合性能优异的新型功能与结构材料，除了具有泡沫铝材料优异的功能材料特性外，克服了单一泡沫铝强度较低的缺点，具有比传统蜂窝板更高效的能量耗散能力、更高的冲击强度和耐热能力等，在汽车制造、航空、航天等领域具有广阔的应用前景［1-2］.目前，国内外泡沫铝夹心的制备主要采用胶粘、粉末冶金发泡法以及焊接法.胶粘工艺生产的泡沫铝夹心板耐高温与耐腐蚀能力较差，产品的使用环境具有一定的局限性，而粉末冶金发泡工艺和焊接是近年来研究较深入的泡沫铝夹心板的主要制备方法［3-6］.其中粉末冶金发泡工艺中，采用轧制复合-粉末冶金发泡技术，通过轧制复合工艺实现面板与芯层粉末的有效结合制备泡沫铝夹心板，国外已能生产大规格(1.2 m ×2.5 m)的夹心板［5］，但这种方法主要用于夹心为闭孔结构，很少用于开孔泡沫铝芯的夹心板制备.迄今为止，有关泡沫铝的焊接技术尚不成熟，这极大地限制了大尺寸化的制备和泡沫铝在相关领域的应用.最近，东南大学材料学院提出了采用Zn-Al-Cu基合金作为钎料，无须真空或保护气氛条件和不使用钎剂，通过配合机械/物理方法去除致密氧化膜，实现了泡沫铝的焊接［6］，并进一步用于夹心板的制备［7］.

由于抗弯曲性能是夹心板结构的主要性能指标，目前大多数的研究主要集中在胶结和冶金制备闭孔泡沫铝夹心板整体的抗弯曲性能和层合梁的失效上［8-13］.Kabir等的三点弯实验研究了商业泡沫铝夹心面板厚度及支撑跨距对其弯曲性能的影响［8］，而文献［9］则通过四点弯曲实验研究了商业泡沫铝夹心结构不同夹心厚度与其弯曲变形行为的关系.国内，东南大学的张林、何德坪通过三点弯曲试验对胶结式球形孔泡沫铝夹心梁的载荷-位移曲线及各种破坏模式进行了研究［10］.东北大学的张敏等采用复合轧制方法制备界面为冶金结合的泡沫铝夹心结构，并通过三点弯曲实验验证界面的结合性和整体的弯曲特性［11］.而对焊接加工的夹心板弯曲性能和焊接对力学性能的影响以及泡沫铝夹心在弯曲过程中的变形行为测量研究鲜有报道.本文主要采用静态三点弯曲实验和图像相关方法，对焊接加工制备的夹心材料为开孔和闭孔泡沫铝夹心结构的抗弯性能以及泡沫铝夹心在弯曲过程中变形行为进行研究.实验结果表明，焊接夹心板弯曲载荷下的弯曲响应与有关文献报道的冶金和胶结加工的夹心板具有相同的弯曲吸能性能.图像相关计算的表面变形结果表明，泡沫铝与铝板的焊接连接界面焊接钎料的厚度对夹心板弯曲吸能影响较大，焊接钎料的厚度及焊接质量将影响夹心板的中性层位置，这对泡沫铝夹心板的焊接制备与应用具有一定的指导意义.

1 实验材料及方法

采用金属熔体发泡法通过铝熔体的增粘、发泡和控制凝固等制备过程获得实验用泡沫铝.分别选取孔隙率为65%左右的开孔泡沫铝及78%左右的闭孔泡沫铝作为芯材，将开孔结构的泡沫铝线切割加工成厚度为17.34和18.34 mm 板芯各1块，厚度16.62 mm的闭孔结构泡沫铝板芯3块，与厚度为1 mm的实芯铝板作为前、后面板按文献［6］介绍的方法进行焊接成夹心板，并进一步加工成长230 mm和宽40 mm的试样共5个.上述夹心部分的闭孔泡沫铝厚度方向的平均孔数均不少于5个.

将加工后的泡沫铝夹心板试样采用新三思ⓇCMT5105电子万能试验机进行静态三点弯曲加载测试其力学性能，同时利用CCD相机连续记录弯曲变形过程并对记录的图像进行相关处理，获得不同变形时刻泡沫铝夹心变形行为.实验时所有试样加载的支撑点跨距为200 mm，压头加载速率为5 mm/min，图像记录速度为30帧/min，每幅图像大小为1 024像素×768像素，直到试样破坏为止.为了便于比较，实验中还对长230 mm、宽40 mm和厚21 mm的闭孔泡沫铝板进行同样的三点弯曲测量.

2 实验结果与分析

2.1 非夹心闭孔泡沫铝板弯曲和变形特征

图1为闭孔泡沫铝板的三点弯曲过程中试验机自动记录的压力-位移(可近似为板中心处的弯曲挠度)曲线，可以看出，泡沫铝板弯曲时属于线性范围的变形很小(压头位移小于0.15 mm)，大部分都是非线性的或塑性弯曲.数字图像相关方法分析得到的试样在压头位移为0.35 mm时一侧面横向面(u场)内位移和纵向面(v场)内位移(挠度)分布分别如图2(a)和(b)所示，结果表明横向变形的中性层(横向应变值为0的区域)基本位于板结构的几何中间层面内，而各个横向层面内的挠度分布以压头位置的中截面为轴对称分布.因此，泡沫铝弯曲时整体上具有较明显的各向同性特性.图2(c)为试样下界面刚刚出现宏观断裂裂缝时(压头位移为1.15 mm)的横向面内位移，除了竖向对称轴处外，被测界面几何中间层面以下部分横向拉伸变形变化梯度很小.

图1 闭孔泡沫铝板三点弯曲时试验机记录的压力-位移曲线

图2 泡沫铝板表面不同时刻的位移云图

2.2 夹心泡沫铝板的弯曲和变形特征

图3是3块夹心为闭孔泡沫铝的夹心板三点弯曲压力-位移曲线，所有夹心的厚度均为16.62 mm.图4(a)～(c)分别为试样1在压头位移为0.72 mm，试样 2 在压头位移为 0.67 mm，以及试样3在压头位移为1.36 mm时侧面横向面内位移分布.图5则对应于3个闭孔泡沫铝夹心板试样界面刚刚出现宏观裂缝时的横向面内位移分布，此时对应的压头位移分别为 7.15，4.13 和2.52 mm.

图6显示2个试样夹心为开孔泡沫铝夹心板的三点弯曲压力-位移曲线(夹心部分的厚度分别为17.34和18.34 mm).图7为开孔泡沫铝夹心试样1在压头位移为0.35 mm和试样2在压头位移为0.7 mm时侧面横向面内位移分布.图8对应于2个夹心板试样界面刚刚出现宏观裂缝时的横向面内位移分布，此时对应的压头位移分别为7.9和8.3 mm.

图3 闭孔泡沫铝夹心板的三点弯曲时压力-位移曲线

图4 闭孔泡沫铝夹心板试样表面横向位移场

图5 闭孔泡沫铝夹心板出现宏观裂缝前的横向位移场

图6 开孔泡沫铝夹心板的三点弯曲时压力-位移曲线

2.3 结果分析与讨论

图7 开孔泡沫铝夹心板试样表面横向位移场

图8 开孔泡沫铝夹心板出现宏观裂缝前的横向位移场

对于闭孔结构泡沫铝板，不论是纯泡沫铝板还是夹心结构板，由图1和图3可以看出在静态弯曲荷载作用下闭孔结构泡沫铝(除夹心结构的试样3外)具有较宽的塑性弯曲变形平台;同等厚度的板梁，夹心结构承受的最大弯曲载荷的平均值是非夹心的5倍多.图1和图3的弯曲压力-位移曲线表明，闭孔结构泡沫铝弯曲时即使在出现局部宏观的断裂破坏，这种结构仍能维持较宽的塑性弯曲变形平台，而且由图2和图4可以看出断裂裂缝出现初期结构弯曲的中性层位置仍基本位于夹心板几何中间层处，除了压头处偏向于上边界一侧外.

由于实验中夹心梁截面高度(即板的厚度)远小于跨度，因此，横力弯曲时剪应力的影响可以忽略不计［14］，将梁的弯曲理论应用于上下表面面板厚度相同的夹心梁结构可得其弯曲刚度为［15］

式中，Ef和Ec分别为面板和板芯材料的弹性模量;b为夹心梁的宽度;f为面板厚度;d为上下面板中心距离;c为夹心的厚度.式(1)右端的第1，2项分别对应于上、下面板的弯曲刚度，第3项对应于夹心部分.实验中，闭孔泡沫铝夹心梁试样3的整体梁厚比另外2个梁的厚度多出0.5 mm，多出的部分为试样下边界处泡沫铝芯和实心铝面板间的焊接层(见图9(a))，这样名义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项比另外2个试样的值多出0.5倍，致使整个夹心板的弯曲刚度高于2个同类试样.同时弯曲中性层的位置更靠近下界面(见图4(c)).由于闭孔泡沫铝的抗压比抗拉强度高些，因此随着焊接层宏观断裂裂纹发生，在比同等试样更高的弯曲压力作用下，裂纹扩展的速度和承载力下降速度(见图3)都比较快，最后大部分夹心和下表面面板断裂(见图9(b)).

图9 闭孔泡沫铝夹芯板试样3的图像

对比图3和图6可以发现:与夹心为闭孔泡沫铝试样不同，开孔泡沫铝为夹心的试样出现宏观断裂裂缝之后，试样的承载力很快变小.由于开孔泡沫铝芯材的孔隙率小，密度较大，再加上整个开孔结构的芯材厚度较闭孔结构的厚，根据式(1)容易理解其承受的最大弯曲压力比闭孔的夹心板高出15% ～25%.另外，由图3和图6看出闭孔结构芯材与开孔结构芯材的夹心板出现裂缝时机也不一样，这是因为闭孔芯材孔壁为薄板结构，拉伸时延展性很小，易于断裂;而开孔芯材孔壁可以看成是细杆结构，拉伸时仍具有一定的延展性.根据图9和图10所示的夹心板的失效图像，以及对加载过程中记录的数字图像分析可知，对于因焊接导致的面板较厚的夹心板，特别是下表面面板厚时，由于整体的弯曲刚度增大，承受的最大弯曲压力也必然增大，这样夹心板的下表面承受的横向拉应力也相应增大.泡沫铝的“孔洞缺陷”及焊接层毕竟不像冶金锻压金属材料那样密实，在高的拉应力作用下，靠近夹心板下表面区域容易出现拉伸断裂.所以随着焊接层宏观断裂裂纹的发生焊接层失去承载作用，更多的拉力转移到了下表面的面板上，这样使得面板也容易折断.

图10 闭孔及开孔泡沫铝夹心试样的失效形式

图10(a)为闭孔泡沫铝夹心板试样2断裂破坏图像，由于试样焊接层比较薄，结构整体的弯曲刚度小，弯曲时承受的最大压力也比焊接层厚的试样要小30%(与同类试样3相比)，这样下表面的拉应力也必然要小些，达不到面板断裂需要的应力水平.因此，该试样在弯曲时，即使出现左侧大范围的脱焊现象，在弯曲挠度不断增加的过程中，仍保持较恒定的弯曲压力，直到夹心层一半被撕裂后整个试样才失效.

3 结论

1)闭孔泡沫铝芯夹心板因夹心断裂而破坏失效，开孔泡沫铝芯夹心板则因夹心和面板同时断裂而破坏失效;开孔夹心件的面板断裂缺口较闭孔夹心面板端口齐直.

2)使用相同面板的情况下，闭孔泡沫铝芯的孔隙率比开孔芯材的大，相对密度小，虽然开孔泡沫铝夹心板较闭孔泡沫铝芯能承受更大的弯曲压力，但闭孔夹心板三点弯曲过程中却比开孔泡沫铝芯具有更高的能量吸收能力.这一点对于夹心结构的设计及应用来说很有意义.

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