纏繞金屬絲材料的制備、性能及對鋁基體的強(qiáng)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(fù)雜、成本高及樣品韌性差的不足，限制了其應(yīng)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(jié)構(gòu)、準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為、能量吸收行為以及負(fù)泊松比現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；同時(shí)，基于EMWMs

2、完全貫通的三維空間孔隙結(jié)構(gòu)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(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)樣品，對其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及纏繞結(jié)構(gòu)對鋁基體的強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了初步的探索。
　　結(jié)構(gòu)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(gòu)成的三維貫通孔網(wǎng)絡(luò)體，孔隙形狀和尺寸分布復(fù)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(jié)點(diǎn)；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(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)表明，EAWMs表現(xiàn)出典型的三階段應(yīng)力-應(yīng)變行為，即起始非線性彈性變形階段、應(yīng)變硬化偽平臺階段和密實(shí)化階段。非線性和應(yīng)變硬化行為取決于纏繞結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)彈性變形和結(jié)構(gòu)塑性變形機(jī)制；在起始非線性彈性變形階段，EAWMs表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變遲滯效應(yīng)，歸于金屬絲在空間不可逆

4、的重排。壓縮屈服強(qiáng)度和彈性模量均隨 EAWMs孔隙率的增大而降低；且強(qiáng)度和孔隙率之間符合Gibson-Ashby（G-A）冪率關(guān)系，最佳擬合指數(shù)為2.1。壓縮曲線積分結(jié)果表明，在相同應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)表明，ESWM

5、s呈現(xiàn)出特殊的三階段應(yīng)力-應(yīng)變行為，即非線性彈性階段，準(zhǔn)平臺穩(wěn)態(tài)伸展階段和持續(xù)松散階段。僅考慮前兩個(gè)變形階段，所有樣品均表現(xiàn)出超大拉伸應(yīng)變量，孔隙率為45%的樣品拉伸應(yīng)變量達(dá)到260%，是螺旋卷結(jié)構(gòu)和非永久交聯(lián)結(jié)點(diǎn)共同作用的結(jié)果；進(jìn)入第三階段，隨應(yīng)變增加應(yīng)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?dú)w因于螺旋卷結(jié)構(gòu)的拉直。拉伸屈服強(qiáng)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(guān)系，但其值均明顯低于G

6、-A方程預(yù)測值。
　　在拉伸載荷作用下，ESWMs表現(xiàn)出明顯的負(fù)泊松比現(xiàn)象，孔隙率為60%和45%的樣品在5%拉伸應(yīng)變時(shí)分別獲得面外泊松比值為-1.3和-1.5。在對纏繞結(jié)構(gòu)和拉伸過程觀察的基礎(chǔ)上提出包含“絲線展開”、“孔隙尺寸增大”和“結(jié)點(diǎn)數(shù)目減少”三個(gè)亞機(jī)制的“網(wǎng)格展開”拉脹機(jī)制。半定量計(jì)算的結(jié)果表明，ESWMs的初始纏繞結(jié)構(gòu)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(jié)

7、合界面，無明顯反應(yīng)產(chǎn)物的跡象；密度測量結(jié)果表明，A356鋁合金相完全占滿ESWMs的孔隙，整個(gè)樣品內(nèi)部無鑄造缺陷。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試的結(jié)果表明，體積分?jǐn)?shù)為35.4 vol.%的ESWMs增強(qiáng)鋁合金的屈服強(qiáng)度被提高到318MPa，約為基體合金屈服強(qiáng)度的兩倍（約164 MPa）。并且, ESWMs增強(qiáng)鋁合金的屈服強(qiáng)度對纏繞結(jié)構(gòu)十分敏感：當(dāng)纏繞結(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)低于26.5 vol.%時(shí)，ESWMs增強(qiáng)鋁合金的屈服強(qiáng)度合理的低于Voigt上限；當(dāng)纏繞結(jié)