分享：開孔泡沫銅的壓-壓疲勞行為
楊 洋,陳 薦,李 聰,姜雪傲
(長沙理工大學能源與動力工程學院,長沙 410114)
摘 要:對具有相同孔徑的開孔泡沫銅進行單軸準靜態壓縮和壓-壓疲勞試驗,分析開孔泡沫銅的壓縮特性和疲勞行為,并討論了疲勞失效方式及破壞機理。結果表明:開孔泡沫銅的壓縮應力應變曲線由彈性變形階段、平臺應力階段、密實階段3個階段組成;在壓-壓疲勞過程中開孔泡沫銅主要經歷了疲勞損傷積累區、應變激增區和持續破壞區3個階段,應力水平越低開孔泡沫銅的壽命越長;在剪切力作用下,開孔泡沫銅中間部位形成一條與水平方向存在一定角度的擠壓帶,隨著累積應變的增加,擠壓帶中孔洞結構持續破壞而形成一條幾乎水平的壓潰帶;開孔泡沫銅的疲勞失效機理為孔棱表皮脫落、頸縮、斷裂以及棱柱結的開裂。
關鍵詞:開孔泡沫銅;壓-壓疲勞行為;孔棱;棱柱結中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2021)07-0017-05
0 引 言
開孔泡沫銅作為一種新型的功能材料,具備銅的導電性好、廉價、散熱快等優良特性,同時還具有比表面積大、密度小、吸能性強等特點[1-2],廣泛應用在航空、交通、儲能、電子器件等領域[3-8]。在應用過程中開孔泡沫銅往往會受到循環力的作用,例如:作為熱處理交換器時,在金屬熱脹冷縮的作用下,開孔泡沫銅長期承受低應力循環作用;作為電池集流體時,在電池充放電過程中,電極材料體積的變化給開孔泡沫銅帶來交互力的作用;作為緩震、緩沖材料時,開孔泡沫銅也受到沖擊循環載荷的作用?？梢?/span>,研究開孔泡沫銅的疲勞性能是非常必要的。目前,關于泡沫金屬疲勞性能的研究主要集中在鋁、鈦、鎳 及 其 合 金 類 泡 沫 金 屬 等 材 料 上[9-14]。PINTO 等[15]對開孔泡沫鋁的拉-壓疲勞行為進行17楊 洋,等:開孔泡沫銅的壓-壓疲勞行為了研究,發現在高循環次數、低應力幅下開孔泡沫鋁的疲 勞 損 傷 累 積 可 用 剛 度 比 的 變 化 進 行 表 征。ZHOU 等[16]對開孔泡沫鋁的壓-壓疲勞行為進行了研究,發現在循環應力作用下,裂紋在開孔泡沫鋁表面萌生,隨后擴展至相鄰的孔棱中,最終導致整體破壞。但是,有關開孔泡沫銅的力學行為研究很少,而有關其疲勞行為的研究更少。作者所在課題組已通過壓縮及壓-壓疲勞試驗得出孔徑和環境對開孔泡沫銅疲勞行為的影響規律[17-18]。在此基礎上,作者對同種孔徑開孔泡沫銅進行單軸準靜態壓縮和壓壓疲勞試驗,通過定義試樣破壞時的壽命得到歸一應力處理后的疲勞應力-壽命(S-N)曲線,通過觀察疲勞過程中試樣的宏觀形貌分析疲勞失效方式,通過觀察疲勞斷口微觀形貌討論開孔泡沫銅的疲勞破壞機理,以期為開孔泡沫銅的設計和應用提供參考和借鑒。
1 試樣制備與試驗方法
選用聚氨酯泡沫為基體,采用電化學沉積工藝制備開孔泡沫銅。由于聚氨酯泡沫為絕緣體,因此不能直接在基體上進行電鍍,而必須在電鍍前對聚氨酯泡沫進行粗化、敏化、活化、解膠的預處理,使其表面覆蓋一層具有催化作用的金屬層。預處理完成后,在具有催化活性的聚氨酯泡沫表面涂覆一層導電膠,使其具有導電性,然后利用電化學沉積法進行金屬銅的電鍍工作。電鍍后,采用焚燒的方法將泡沫銅中存在的聚氨酯基體分解,并通過退火將焚燒過程中產生的氧化銅進行還原處理,即可獲得開孔泡沫銅。試驗材料為采用上述方法制備得到孔徑為0.21mm 的開孔泡沫銅。采用線切割方法加工出尺寸為?24mm×30mm 的試樣進行壓縮和疲勞試驗。試樣的宏觀形貌與孔洞形貌如圖1所示,可以看出:試樣主要由孔棱及棱柱結組成,表面光滑,孔棱連接良好且無明顯破壞痕跡;孔洞互通性良好,分布均勻,且孔徑大小基本一致。計算得到開孔泡沫銅試樣的孔隙率為95.63%。按照JBT9397-2013,在IBTC-2000 型 原 位面雙向疲勞機中進行單軸壓縮及壓-壓疲勞試驗,疲勞機上下 壓 頭 均 為 圓 柱 體 陶 瓷 壓 頭,用 計 算 機數據采集系統連續監測載荷和位移。單軸壓縮試驗采用位移控制,壓縮速度為0.08 mm·s-1,當試樣壓縮到 原 始 高 度 的 70% 時 停 止 試 驗。在 壓-壓疲勞試驗過程中以0.8Hz循環頻率施加正弦波循環載荷,如圖2所示,圖中σ 為載荷,應力比 R 為圖1 開孔泡沫銅的宏觀形貌與孔洞形貌Fig 1 Macromorphology a andholemorphology b ofopen-cellfoamcopper0.1,累計應變(Δε)達到試樣原始高度的30%時停止試驗。由 于 開 孔 泡 沫 銅 的 強 度 隨 其 密 度 而 變化,需要使用 歸 一 化 載 荷 參 數 來 反 映 開 孔 泡 沫 銅的抗疲勞性能。所施加的應力水平通過試樣的壓縮屈服強度σs 進 行 歸 一 化 處 理,即 σ max/σs。SN 曲線是在歸一化應力水平為0.50~1.00時進行測試獲得的。疲勞極限定義為循環106 周次所對應的歸一 化 應 力。在 疲 勞 試 驗 過 程 中,采 用 非 接觸視頻引伸 計 對 應 變 累 積 過 程 進 行 實 時 監 控,并在應變初始(Δε=2%)、應變突變前(Δε=6%)、應變突變后(Δε=15%)、應 變 終 了(Δε=30%)時 對試樣宏觀形貌進行拍攝。圖2 壓-壓疲勞試驗過程中施加載荷示意Fig.2 Diagramofloadingduringcompression-compressionfatiguetest用線 切 割 的 方 法 在 疲 勞 失 效 后 試 樣 (Δε=30%)中 間 部 分 的 主 要 變 形 帶 區 域 截 取 尺 寸 為15mm×15mm×10mm 的小試樣,采用200MAT型光學顯微鏡觀察孔棱及棱柱結的微觀形貌。
2 試驗結果與討論
2.1 單軸壓縮特性
由圖3可以看出,開孔泡沫銅的 壓 縮 應 力-應變曲線基本符合泡沫金屬的壓縮應力-應變曲線特征[19-21],均由 明 顯 的 彈 性 變 形 階 段、平 臺 應 力 階段、密實階段3個階段組成。彈性變形階段,應力與應變滿足胡克定律;平臺應力階段,在較低的應力變化范圍 內 試 樣 表 現 出 大 幅 度 的 應 變,反 映 出18楊 洋,等:開孔泡沫銅的壓-壓疲勞行為圖3 開孔泡沫銅的單軸壓縮應力-應變曲線Fig.3 Uniaxialcompressivestress-straincurveofopen-cellfoamcopper泡沫金屬具有較強的吸能性質;密實階段,泡沫金屬的孔結構大面積遭到破壞,應力-應變曲線陡峭上升。開孔泡沫銅屈服開始后并不是直接進入平臺應力階段,而是先到達 應 力 峰 值(0.67 MPa)隨后到達應力谷值(0.64 MPa),對 應 于 開 孔 泡 沫 銅的高應力屈 服 強 度 與 低 應 力 屈 服 強 度,開 孔 泡 沫鋁的壓縮應力-應變曲線也出現類似的情況[16,22]。作者定義開孔泡沫銅的屈服強度為低應力屈服強度,即σs 為0.64 MPa。
2.2 壓-壓疲勞行為
圖4 歸一化應力水平為0.8下開孔泡沫銅的疲勞累積應變與循環次數的關系曲線Fig.4 Curveoffatiguecumulativestrainvsnumberofcyclesofopen-cellfoamcopperatnormalizedstresslevelof0.8在疲勞試 驗 中,不 同 于 密 實 金 屬 存 在 明 顯 的破壞裂縫或 宏 觀 失 效,循 環 應 變 的 累 積 造 成 泡 沫金屬試樣在宏觀上逐漸縮短直至密實。由圖4可以看出,開孔泡沫銅的疲勞累積應變-循環次數曲線存在明顯的損傷積累區、應變激增區、持續破壞區3個區 域。在 損 傷 積 累 區,應 變 隨 著 循 環 次 數的增加而緩慢增大;在施加周期性載荷時,試樣會出現瞬時縮 短,不 過 縮 短 量 僅 在 試 樣 原 始 高 度 的2%以內,這可能是試驗機在初始調試期應力過大導致的;初始縮短后,應變以低速率緩慢增加至試樣原始高度的6%左右。在應變激增區,累積應變在數個周次循環內激增至15%左右。在持續破壞區,應變 累 積 速 率 降 低,試 樣 持 續 縮 短 至 試 驗 停止。開孔泡沫銅特殊的破壞方式導致試驗中無法明確其疲勞 壽 命,因 此 為 了 更 好 地 研 究 開 孔 泡 沫銅的疲勞行 為,定 義 試 樣 應 變 激 增 區 對 應 的 循 環次數為開孔泡沫銅的疲勞壽命(Nf)。由圖5可以看出:不同歸一化應力水平下,開孔泡沫銅的壽命明顯不同,應力水平越低試樣的壽命越長,其中歸一化應力水平為0.7時應力已達到疲勞極限。觀察發現歸一化應力水平為0.5~0.6時,開孔泡沫銅無明顯應變。在高應力水平(歸一化應力為1.0)下,累積應變-循環次數曲線中損傷累積區和應變激增區不明顯,說明在高應力水平下,開孔泡沫銅的抗疲勞性能較差。繪制得到開孔泡沫銅的S-N 曲線如圖6所示。圖5 不同歸一化應力水平下開孔泡沫銅的疲勞累積應變與循環次數的關系曲線Fig.5 Curveoffatiguecumulativestrainvsnumberofcycleofopen-cellfoamcopperatdifferentnormalizedstresslevels圖6 開孔泡沫銅的S-N 曲線Fig.6 S-N curveofopen-cellfoamcopper
2.3 疲勞破壞
機理由圖7可以發現:疲勞變形初期(Δε≤6%),試樣出現微變形,對應于疲勞累積應變-循環次數曲線中的損傷積累區;當 Δε=15%時,試樣經歷了應變激增區,試樣中間區域出現一條明顯的擠壓帶,且擠壓帶內孔洞結構遭到破壞,同時由于多數孔棱與試樣受力方向存在一定角度,因此擠壓帶與水平方向存在一定的角度,孔棱的破壞方式主要為剪切破壞;19楊 洋,等:開孔泡沫銅的壓-壓疲勞行為當 Δε=30%時,在試樣中間區域可觀察到一條幾乎水平的壓潰帶,壓潰帶內孔洞結構完全坍塌,而壓潰帶兩側的孔洞基本保持完好?？芍?/span>,在疲勞變形過程中,開孔泡沫銅的變形帶位于試樣中間部位,且應變從中間向兩邊積累。開孔泡沫銅在疲勞失效過程中主要發生孔洞結構的破壞,而孔棱和棱柱結作為孔洞的主要組成部分,其失效破壞是開孔泡沫銅宏觀失效的主要原因。由圖8可 以 看 出,開 孔 泡 沫 銅 在 疲 勞 失 效 后出現孔棱 表 皮 脫 落、頸 縮、斷 裂 現 象,棱 柱 結 的 破壞方式主要為開裂,即表現為以上幾種失效機理。開孔泡沫銅 的 孔 結 構 為 十 四 面 體,十 四 面 體 單 胞中各孔棱受 力 方 式 不 同 而 出 現 不 同 的 破 壞 形 式;同時當單個 胞 體 的 孔 洞 結 構 被 破 壞 時,相 鄰 胞 體上孔棱的受 力 也 會 改 變,從 而 使 得 不 同 胞 體 中 相同位置的孔棱產生不同的破壞形式。
3 結 論
(1)開孔泡沫銅的壓縮應力-應變曲線由彈性變形階段、平臺應力階段、密實階段3個階段組成,開孔泡沫銅的屈服強度為0.64 MPa;在壓-壓疲勞破壞過程中開孔泡沫銅主要經歷了疲勞損傷積累區、應變激增區和持續破壞區3個階段,應力水平越低開孔泡沫銅的壽命越長。(2)開孔泡沫銅的宏觀變形主要發生在應變激增區,在剪切力作用下,開孔泡沫銅中間部位形成一條與水平方向存在一定角度的擠壓帶,隨著累積應變的增加,擠壓帶中孔洞結構持續破壞而形成一條幾乎水平的壓潰帶;開孔泡沫銅的疲勞失效機理為孔棱表皮脫落、頸縮、斷裂以及棱柱結開裂。
來源：材料與測試網
