纏繞金屬絲材料的制備、性能及對鋁基體的強化行為.pdf

1、金屬多孔材料集多孔化和金屬性于一體，在過濾與分離、熱交換、阻燃、催化劑載體、吸能減震及生物植入體等領域具有廣闊的應用前景。但現(xiàn)有金屬多孔材料的制備方法往往存在工藝復雜、成本高及樣品韌性差的不足，限制了其應用。為了克服上述瓶頸，本文以商用金屬絲為原料，通過“繞制螺旋卷-纏繞毛坯件-冷壓成型”三步法工藝成功制備了新型纏繞金屬絲材料（EMWMs），對其纏繞結構、準靜態(tài)力學行為、能量吸收行為以及負泊松比現(xiàn)象進行了系統(tǒng)的研究；同時，基于EMWMs

2、完全貫通的三維空間孔隙結構特征，采用擠壓鑄造法將液相A356鋁合金壓入EMWMs的孔隙，成功制備EMWMs增強鋁合金結構樣品，對其微觀結構、力學性能及纏繞結構對鋁基體的強化機制進行了初步的探索。
　　結構分析表明，EMWMs是一類通過金屬絲螺旋卷相互連接、纏繞和互鎖而構成的三維貫通孔網(wǎng)絡體，孔隙形狀和尺寸分布復雜。多孔體內(nèi)部通過金屬絲外表面的物理接觸形成具有非局部特性的結點；從三維空間的角度看，樣品呈現(xiàn)明顯的各向異性，但在單一截面

3、（平面）內(nèi)呈現(xiàn)“整體均勻，局部不均勻”的特征。
　　選用5052Al合金絲（φ0.28 mm）為原料制備了孔隙率為57~77％的纏繞鋁合金絲材料（EAWMs）。準靜態(tài)壓縮實驗表明，EAWMs表現(xiàn)出典型的三階段應力-應變行為，即起始非線性彈性變形階段、應變硬化偽平臺階段和密實化階段。非線性和應變硬化行為取決于纏繞結構的結構彈性變形和結構塑性變形機制；在起始非線性彈性變形階段，EAWMs表現(xiàn)出明顯的應變遲滯效應，歸于金屬絲在空間不可逆

4、的重排。壓縮屈服強度和彈性模量均隨 EAWMs孔隙率的增大而降低；且強度和孔隙率之間符合Gibson-Ashby（G-A）冪率關系，最佳擬合指數(shù)為2.1。壓縮曲線積分結果表明，在相同應變條件下，EAWMs的吸能能力隨孔隙率增大而降低；最大能量吸收效率為55~67%，出現(xiàn)在10~35%應變范圍內(nèi)。
　　選用304不銹鋼絲（φ0.10 mm）為原料制備了孔隙率為45~80%的纏繞不銹鋼絲材料（ESWMs）。準靜態(tài)拉伸實驗表明，ESWM

5、s呈現(xiàn)出特殊的三階段應力-應變行為，即非線性彈性階段，準平臺穩(wěn)態(tài)伸展階段和持續(xù)松散階段。僅考慮前兩個變形階段，所有樣品均表現(xiàn)出超大拉伸應變量，孔隙率為45%的樣品拉伸應變量達到260%，是螺旋卷結構和非永久交聯(lián)結點共同作用的結果；進入第三階段，隨應變增加應力繼續(xù)快速增加，與現(xiàn)有金屬多孔材料的突然斷裂行為明顯不同，主要歸因于螺旋卷結構的拉直。拉伸屈服強度和彈性模量均隨ESWMs孔隙率的增大而降低，二者之間也滿足冪率關系，但其值均明顯低于G

6、-A方程預測值。
　　在拉伸載荷作用下，ESWMs表現(xiàn)出明顯的負泊松比現(xiàn)象，孔隙率為60%和45%的樣品在5%拉伸應變時分別獲得面外泊松比值為-1.3和-1.5。在對纏繞結構和拉伸過程觀察的基礎上提出包含“絲線展開”、“孔隙尺寸增大”和“結點數(shù)目減少”三個亞機制的“網(wǎng)格展開”拉脹機制。半定量計算的結果表明，ESWMs的初始纏繞結構對泊松比值具有很大的影響。
　　微觀組織分析表明，304不銹鋼絲與A356鋁合金之間形成平整的結

7、合界面，無明顯反應產(chǎn)物的跡象；密度測量結果表明，A356鋁合金相完全占滿ESWMs的孔隙，整個樣品內(nèi)部無鑄造缺陷。準靜態(tài)壓縮測試的結果表明，體積分數(shù)為35.4 vol.%的ESWMs增強鋁合金的屈服強度被提高到318MPa，約為基體合金屈服強度的兩倍（約164 MPa）。并且, ESWMs增強鋁合金的屈服強度對纏繞結構十分敏感：當纏繞結構體積分數(shù)低于26.5 vol.%時，ESWMs增強鋁合金的屈服強度合理的低于Voigt上限；當纏繞結