闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管的低速冲击性能

张靥，王斯冉，冯晓琳，邹田春，杨旭东

闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管的低速冲击性能

张靥a，王斯冉a，冯晓琳a，邹田春b*，杨旭东a

（中国民航大学 a.中欧航空工程师学院 b.安全科学与工程学院，天津 300300）

研究闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管在低速冲击载荷下的力学及吸能性能，探究泡沫Al-Cu与铝合金薄壁管之间的交互作用。采用粉末冶金发泡法制备闭孔泡沫Al-Cu，并将其直接填充到铝合金薄壁管中，获得闭孔泡沫Al-Cu填充薄壁管（简称“填充管”）。采用万能电子试验机和冲击试验机对试样进行力学及吸能性能测试，采用VIC-3D系统和高速摄像机观察试样的宏观变形行为，采用扫描电子显微镜（SEM）分析试样的微观断口形貌。在不同冲击能量下，泡沫Al-Cu具有较稳定的吸能特性。在相同位移下，较大冲击能量下的填充管能够吸收更多能量。与薄壁管相比，受冲击后填充管的形变较小且其冲击曲线更加平稳，表明泡沫Al-Cu芯材的填入能够增强变形稳定性及整体吸能能力。与泡沫Al-Cu相比，填充管受应变率影响较小，可在较宽应变率范围内稳定吸能，较高应变率下的冲击会导致泡孔发生脆性断裂。填充泡沫Al-Cu芯材能够提高薄壁管受冲击载荷时的变形稳定性，两者之间的相互作用使填充管结构具有更好的吸能性能。

泡沫铝填充管；闭孔泡沫Al-Cu；落锤冲击；吸能特性；交互作用

近年来，随着航空航天、交通运输等领域的快速发展，对材料力学性能及其经济性提出了更高的要求。泡沫铝是内部呈多孔结构的金属铝材料，由铝基骨架和孔洞复合形成，这种特殊的结构导致其比强度、比刚度较高，具有吸能阻尼、隔热阻燃、电磁屏蔽等性能，可被广泛应用于交通运输业等行业[1-5]。但泡沫铝本身的弹性模量和强度较低，特别是当孔隙率较高时，它在压缩初期和平台阶段的抗压能力不足，结构的吸能能力较差，不适合单独使用[6-7]。薄壁金属管作为一种质轻、屈服强度高的有效传统吸能材料，被广泛用于碰撞动能耗散系统中。然而，在受轴向载荷时，其压缩行为不稳定；在受径向载荷时，易发生局部压入变形，承载能力较弱。这降低了薄壁管作为吸能结构的可靠性[8-9]。

泡沫铝填充薄壁管受到了研究者的极大关注，可以在结构质量增大量较小的情况下，大幅提高该结构的抗压抗变形能力和吸能能力，弥补了泡沫铝承载能力较低和薄壁管变形模式不稳定的缺点。作为填充芯材，泡沫铝除了能够起到承载作用外，还可以减少填充管的局部屈曲，使其尽可能对称的倒塌变形。此外，泡沫铝还可以通过自身的断裂和其他破坏形式消耗能量，以提升整个复合结构的吸能能力[10-13]。目前国内外学者对泡沫铝填充管进行了一定的研究。Asavavisithchai等[14]研究表明，泡沫铝的填充改变了薄壁管的变形模式并提高了吸能能力。Duarte等[15-17]研究表明，在泡沫铝外增加径向约束明显增强了材料的塑性应变硬化，减小了密实化应变，提高了材料的吸能能力。Huo等[18]通过创建全尺寸有限元模型模拟了泡沫芯夹芯板的低速冲击响应以及冲击过程，并推导出基于能量的初始峰值负荷分析模型，从而预测了多层配置夹芯板的冲击性能。Fang等[19]利用非线性有限元分析代码LS-DYNA建立了数值模型，研究了功能梯度泡沫（FGF）填充受侧向冲击载荷时的薄壁结构，实现了UF（均匀泡沫）和FGF填充梁的耐撞性优化设计。Djamaluddin等[20]采用ABAQUS研究了双空管、泡沫填充空管和泡沫填充双管3种不同的管，优化了双圆管在纯轴向和倾斜冲击载荷下的碰撞行为，结果表明，在轴向作用下，泡沫填充双管的耐撞性优于其他泡沫填充管的，而泡沫填充空管是斜载荷下结构的最佳选择。

目前关于泡沫铝填充管的大部分研究集中在准静态压缩和有限元模拟方面，而对其冲击响应的实验研究较少。但在实际工况中，填充管往往经受冲击载荷而非静态载荷[21-23]，因此，对其在动态载荷下的冲击力学响应以及应变率效应开展研究尤为必要。本文通过粉末冶金发泡法制备闭孔泡沫Al-2%（质量分数）Cu合金（简称为泡沫Al-Cu），进而将其直接填充入铝合金薄壁管中，获得闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管结构（简称为填充管），采用万能试验机和落锤冲击试验机研究其准静态压缩响应和低速冲击响应，探究冲击能量对其吸能性能的影响，并分析其应变率效应。

1 材料与方法

1.1 试样制备

试验所用原材料的Al粉粒径为200目，密度为2.70 g/cm³，Cu粉粒径为400目，Mg粉粒径为200目，使用氢化钛（TiH2）作为发泡剂，粒径为25目。基于课题组的前期工作[24]，采用粉末冶金发泡法制备泡沫Al-Cu，并将其切割成直径为23 mm、高度为25 mm的圆柱体，进而采用物理直接填充的方式将其填入热处理状态为T6态的6061铝合金薄壁管中，制备得到填充管。铝合金管购买自深圳市中恒钢铁有限公司，内径为24 mm，高度为25 mm，壁厚为1 mm。

1.2 结构表征及力学性能测试

采用Istron-5982型万能电子试验机对试样进行准静态压缩测试，设备最大载荷为100 kN，通过软件Bluehill控制测试过程，压缩速率为1.2 mm/min。采用VIC-3D系统对试样的准静态压缩过程进行拍摄，记录其变形行为，设置拍摄速度为2 s/张。采用Instron CEAST-9350冲击试验机进行落锤冲击试验，采用Visual IMPACT软件设置测试方法。在冲击过程中采用高速摄像机拍摄冲击过程，拍摄频率为60 MHz。采用S4800型扫描电子显微镜观察试样的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 试样的准静态压缩性能

泡沫Al-Cu在室温下准静态压缩时的应力-应变曲线和压缩变形过程如图1所示。其压缩过程包括3个阶段：线弹性阶段（I）、平台阶段（Ⅱ）和密实化阶段（Ⅲ）。在应变达到3%前，泡沫Al-Cu所受应力随应变的增大而呈线性上升，定义曲线第一应力峰值为屈服强度，在该阶段，泡孔主要发生弹性变形，孔壁无断裂现象。随后泡沫Al-Cu进入平台阶段，应力提升速率减缓，部分泡孔发生坍塌，当应变达到7%时已形成变形带。随着应变的进一步增大，应力缓慢增大，维持在一定水平，此时泡沫Al-Cu仍处于平台阶段，在此阶段泡沫Al-Cu通过泡孔的逐渐坍塌而吸能。当应变达到45.12%时，泡沫材料进入密实化阶段，随着应变的增大，孔壁相互接触，泡沫结构逐渐被压实，应力迅速上升。

填充管准静态压缩的应力-应变曲线和压缩变形过程如图2所示。在变形过程中填充管形成了2个褶皱，分别对应应力-应变曲线中的2个明显波动。其压缩曲线可以分为5个阶段：初始线弹性阶段（A），应力随着应变的增大而线性增大，薄壁管和泡沫芯材均为弹性变形；应力非线性增大直至达到屈服（B），可以看到，此时在填充管上开始形成第一个褶皱；最大应力降阶段（C），达到屈服应力后，应力迅速下降，此时在填充管上正式形成第一个褶皱；应力波动阶段（D），试样继续被压缩，褶皱的上下管壁相互接触，当应力达到第二个峰值时在填充管上开始出现第二个褶皱；密实化阶段（E），应力随应变的增大而迅速增大，泡沫芯材逐渐被压实，薄壁管形成2个完整的褶皱。

填充管在室温压缩下的交互作用如图3所示。由应力-应变曲线可以看出，用泡沫Al-Cu对薄壁管进行填充可以减小薄壁管在压缩过程中曲线的波动，提高变形稳定性。泡沫Al-Cu的屈服应力与泡沫Al-Cu和薄壁管曲线之和的屈服应力基本相同，平台应力略低，但到达密实化应变时的吸能量比“泡沫Al-Cu+管” 的高18.37%，这是因为泡沫芯材外的薄壁管提高了复合结构的密实化应变，从而出现更长的吸能区间，具有更好的吸能能力。

图1 泡沫Al-Cu的准静态压缩应力-应变曲线（a）和变形过程（b）

图2 填充管在准静态压缩下的应力-应变曲线（a）和变形过程（b）

图3 泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管在准静态压缩下的应力-应变曲线（a）和吸能曲线（b）

2.2 试样的落锤冲击响应

2.2.1 泡沫Al-Cu

采用不同冲击能量对泡沫Al-Cu和填充管进行了落锤冲击测试。通过落锤冲击试验机内的传感器可以得到瞬时冲击载荷，其计算如式（1）所示。

式中：为落锤整体及外加质量块的质量之和；为重力加速度；()、()分别为时刻的瞬时冲击载荷和传感器记录的瞬时加速度。将式（1）积分可以得到式（2）和式（3），即得到瞬时速度()和位移()。

式中：(0)、(0)为冲击锤的初始速度及初始位移。冲击过程中的总冲击能的计算如式（4）所示。

由式（1）～（4）计算得到：当冲击能为50、100、150 J时，对应的速度分别为2.38、3.36、4.12 m/s。

泡沫Al-Cu在不同冲击能量下的载荷-位移曲线和吸能曲线如图4所示，冲击过程中的力学参数如表1所示。观察图4a可以看到，载荷-位移曲线主要分为2个阶段：1）线弹性阶段，此时与位移相比，载荷迅速增大，试样主要发生弹性变形，定义临界峰值载荷为冲击过程中初始阶段对应的第一峰值载荷；2）渐进压溃阶段，此时曲线波动较为剧烈，泡孔被迅速压溃进而发生塑性变形，该阶段是主要的吸能阶段。随着冲击能量的增大，试样的冲击临界峰值载荷和最大位移均增大，50、100和150 J能量冲击下的临界峰值载荷分别为7.278、9.765和10.931 kN。当冲击能量由100 J增大到150 J时，泡沫Al-Cu的临界峰值载荷增大幅度较小，这是因为当冲击能量为100 J时，临界峰值载荷已经达到材料的屈服强度。最大临界峰值载荷出现在冲击能量为150 J时，此时的冲后变形量为41.5%，这说明150 J的冲击能量能被泡沫Al-Cu完全吸收。虽然当冲击能量为150 J时载荷-位移曲线波动幅度较大，但载荷水平基本一致。为表征和比较试样的吸能能力，本文定义吸能曲线的斜率为试样的吸能速率。由图4b可知，随着冲击能量的增大，吸能曲线更长，吸能更多，但不同冲击能量下泡沫Al-Cu的吸能速率几乎相同，泡沫Al-Cu具有较为稳定的吸能能力。

图4 不同冲击能量下泡沫Al-Cu的载荷-位移曲线（a）和吸能曲线（b）

表1 不同冲击能量下泡沫Al-Cu的力学参数对比

2.2.2 薄壁管

薄壁管在不同冲击能量下的载荷-位移曲线和吸能曲线如图5所示，冲击力学参数如表2所示。可见，在3种冲击能量下，薄壁管的峰值载荷均高于泡沫Al-Cu的，说明它面对冲击载荷时可以在第一时间吸收更多的能量，但其曲线在渐进压溃阶段发生了明显的上下波动，载荷并不能维持在一定的水平，这明显区别于泡沫Al-Cu，说明虽然薄壁管是一种具有潜力的吸能结构，但其吸能过程较不稳定。

2.2.3 填充管

不同冲击能量下填充管的载荷-位移曲线和吸能曲线如图6所示，冲击过程中的力学参数如表3所示。随着冲击能量的增大，填充管结构的临界峰值载荷呈上升趋势，在较高冲击能量下承受的冲击载荷较大，载荷-位移曲线呈现先下降后上升的趋势，曲线有明显的波动。此外，由吸能曲线可以看出，填充管结构会在更大的冲击能量下具有更高的吸能速率，即在相同位移下，较大冲击能量下的填充管能够吸收更多能量。

图5 不同冲击能量下薄壁管的载荷-位移曲线（a）和吸能曲线（b）

表2 不同冲击能量下薄壁管的力学参数对比

图6 不同冲击能量下填充管的载荷-位移曲线（a）和吸能曲线（b）

表3 不同冲击能量下填充管的力学参数对比

在150 J冲击能量下泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管的载荷-位移曲线和吸能曲线如图7所示。可以看到，与泡沫Al-Cu与薄壁管冲击曲线数值之和相比，填充管结构具有更小的临界峰值载荷，该值略高于薄壁管的临界峰值载荷，且最大载荷降幅小于薄壁管的（填充管最大载荷降幅为14.85 kN，薄壁管最大载荷降幅为20.11 kN），载荷-位移曲线相较于薄壁管的也更加平稳，最大位移更小，表明泡沫Al-Cu能在提高薄壁管吸能能力的同时使其承载过程更加稳定，有利于其作为缓冲结构吸收能量。这是因为在冲击载荷下，泡沫Al-Cu与薄壁管之间产生了相互作用[25]，泡沫芯材抑制了薄壁管向内折叠，薄壁管限制了泡沫Al-Cu向外膨胀，它们共同承担载荷，填充管结构中的泡沫芯材在冲击后受损较小（见图8），仅有上层泡孔坍塌。在薄壁管中填充泡沫Al-Cu可以使结构在不改变总质量的前提下，具有更大的吸能与缓冲能力。

泡沫Al-Cu、薄壁管及填充管在150 J冲击能量下的宏观变形过程如图9所示。可见，在载荷达到屈服强度后，泡沫Al-Cu出现了泡孔坍塌的现象，在应变为24%时，已经可以观察到明显的贯穿式变形带，之后随着冲击的进行，泡沫Al-Cu逐层坍塌；在应变为8%时，薄壁管在管壁上方有轻微鼓出，下端管壁向内、外折叠，开始形成褶皱，当冲击过程结束时，下端已经形成完整的较薄褶皱，并有继续形成第二个、第三个褶皱的趋势。在冲击载荷下，填充管具有与薄壁管相似的变形过程，但可以明显看到管壁几乎不向内折叠，冲击后具有形成第二个褶皱的趋势，且在同样的冲击能量下，填充管的轴向形变量明显小于薄壁管和泡沫Al-Cu的，未达到填充管的屈服极限，这说明在薄壁管内填充泡沫能够显著提升其抗冲击能力。填充管能够吸收更多能量，可以作为稳定、可靠的冲击吸能件使用。

2.3 试样的应变率效应

为了对比分析试样的应变率效应，使用式（4）和式（5）将载荷（）-位移（）曲线转换为应力（）-应变（）曲线[26]。

图7 泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管在150 J能量冲击下的载荷-位移曲线（a）和吸能曲线（b）

图8 150 J冲击能量下泡沫Al-Cu（a）、薄壁管（b）和填充管（c）的纵截面

图9 150 J冲击能量下泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管的变形过程

式中：为试样有效横截面积；0为试样初始高度。泡沫Al-Cu和填充管的准静态压缩曲线与冲击曲线如图10所示。可见，泡沫Al-Cu和填充管在准静态压缩与冲击压缩下的应力-应变曲线具有相似的变化趋势，但在冲击载荷下，2种试样都承载更高的载荷、具有更高的吸能速率。泡沫Al-Cu和填充管均体现出一定的应变率敏感性，填充管受应变率影响较小。

不同应变率下形成的断口微观形貌如图11所示。可以看出，经低应变率（1.3×10−3s−1）准静态压缩后，断口中大多为韧窝和滑移带，均为韧性断裂特征，而较高应变率（1.6×102s−1）的冲击载荷会促进试样发生脆性断裂，在其冲击断口中出现了明显的解理台阶，说明随着应变率的增大，试样的断裂方式由韧性向脆性转变。

图10 不同应变率下Al-Cu泡沫的应力-应变曲线（a）、Al-Cu泡沫的吸能曲线（b）、填充管的应力-应变曲线（c）和填充管的吸能曲线（d）

图11 不同应变率压缩测试后泡沫Al-Cu的断口微观形貌

3 结论

将采用粉末冶金发泡法制备的泡沫Al-Cu直接填充入铝合金薄壁管中得到填充管，探究了它在不同冲击能量下的落锤冲击响应，分析了它在冲击载荷下的交互作用，并结合准静态压缩试验研究其应变率效应，得到结论如下：

1）填充泡沫Al-Cu芯材能够提高薄壁管的变形稳定性，两者之间的相互作用使填充管结构具有更好的吸能性能和更稳定的变形过程。

2）不同冲击能量下泡沫Al-Cu的吸能速率几乎相同，都具有较稳定的吸能能力；而填充管结构在更大的冲击能量下具有更大的吸能速率，即在相同位移下，较大冲击能量下的填充管吸收的能量更多。

3）与泡沫Al-Cu+管相比，填充管具有更小的临界峰值载荷，与薄壁管相比，填充管具有更小的最大载荷降幅和更平稳的曲线，说明泡沫Al-Cu的填充能在提高薄壁管吸能能力的同时使其承载过程更加稳定。

4）泡沫Al-Cu比填充管具有更加明显的应变率敏感性，填充管受应变率影响较小，可在不同应变率下稳定吸能，但较高应变率的载荷会促使泡孔发生脆性断裂。

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Low-speed Impact Performance of Closed-cell Al-Cu Foams Filled Thin-walled Aluminum Alloy Tubes

ZHANG Yea, WANG Si-rana, FENG Xiao-lina, ZOU Tian-chunb*, YANG Xu-donga

(a. Sino-European Institute of Aviation Engineering, b. School of Safety Science and Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The work aims to study the mechanical and energy-absorbing properties of closed-cell Al-Cu foams filled thin-walled aluminum alloy tubes under low-speed impact load, and to investigate the interaction between Al-Cu foams and aluminum alloy thin-walled tubes. The closed-cell Al-Cu foams were prepared by powder metallurgical foaming method and filled directly into the thin-walled aluminum alloy tube to obtain the closed-cell Al-Cu foams filled thin-walled tube (referred to as “foam-filled tube”). Electronic universal testing machine and impact testing machine were used to test the mechanical and energy-absorbing properties of the specimens, and the macroscopic deformation behavior of the specimens were observed by VIC-3D system and high-speed camera, and the microscopic fracture morphology of the specimens were analyzed by scanning electron microscope (SEM). The Al-Cu foams had a more stable energy-absorbing properties under different impact energies, but the foam-filled tube absorbed more energy under the same displacement with larger impact energy. Compared with the thin-walled tube, the foam-filled tube had less deformation and had a smoother impact curve after impact, indicating that the filling of the Al-Cu foams increased the stability of deformation and the overall energy-absorbing properties. Compared with Al-Cu foams, the structure of foam-filled tube was less affected by strain rate and could absorb energy stably over a relatively wide range of strain rates and higher strain rate impact could lead to brittle rupture of the cells. The filling of the Al-Cu foams core improves the deformation stability of the thin-walled tube under impact load, and the interaction between the two makes the foam-filled tube structure have better energy-absorbing properties.

aluminum foam-filled tubes; closed-cell Al-Cu foams; drop weight impact; energy-absorbing properties; interaction

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.014

TG146.21

A

1674-6457(2023)11-0123-09

2023-07-04

2023-07-04

国家自然科学基金（51971242）

The National Natural Science Foundation of China (51971242)

张靥, 王斯冉, 冯晓琳, 等. 闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管的低速冲击性能[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 123-131.

ZHANG Ye, WANG Si-ran, FENG Xiao-lin, et al. Low-speed Impact Performance of Closed-cell Al-Cu Foams Filled Thin-walled Aluminum Alloy Tubes[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 123-131.

通信作者（Corresponding author）

责任编辑：蒋红晨