金屬材料的分類和應用影響

戰佳升++孫志輝

摘要：材料品種繁多，數以十萬計。為了便于認識和應用，本文從不同角度對其進行分類。按化學成分、生產過程、結構及性能特點可分為三大類，即金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料，三大材料相互交叉、相互融合，由三大材料中任意兩種或兩種以上復合而成的材料稱為復合材料，如果把復合材料作為一類便可稱為四大類材料。在以上一級分類的同時，每個一級分類里還有很多二級、三級分類，每種材料都有不同的特性和功能，在應用上也不盡相同，所以如何在如此繁多的材料分類中快速定位，找到所需要的材料，人工操作相當繁瑣，浪費了大量的人力和物力，如果借助于計算機來進行管理，效率將會快速提高，而且會大大的提高其安全性。

關鍵詞：材料；新能源材料；系統開發；優化檢索

泡沫金屬等多胞材料，其細觀結構（特別是幾何形狀）常常是不規則的，目前的大部分研究對此僅簡單采用某種隨機性或者平均效果進行描述，如平均孔徑等。顯然這樣的描述是不足以刻畫材料的性質，特別是材料的屈服極限和破壞強度（應變）等。為了能更好地從細觀角度描述這類材料的性質，本文首先對泡沫金屬細觀結構引入多邊形（二維）和多面體（三維）假設，并且提出了細觀結構的尺寸不規則度和形狀不規則度的定義，發展了相應的建模技術和開展了材料性能研究。具體研究內容包括：①在保持初始相對密度（O.3）、胞體數目（100）相同的基礎上，建立起幾種典型的胞體形狀規則的二維泡沫鋁模型，如胞體形狀為正四邊形、正六邊形（蜂窩）及圓孔，并進行準靜態壓縮模擬。通過分析它們的壓縮特性，確定了正六邊形（蜂窩）的胞體作為規則參考單元，即將正六邊形胞體組成的泡沫金屬性能作為不規則度為零的泡沫金屬的性能，用于和其他有不規則度分布的泡沫金屬進行性能對比。②對于二維隨機Voronoi泡沫金屬模型，同樣在初始相對密度、胞體數目相同的基礎上，研究了不同不規則度分布，對泡沫金屬的壓縮性能影響。為了驗證模型是否具有尺寸效應，本文在初始相對密度和形狀不規則度分布相同的情況下，建立了胞體數目為200的二維Voronoi模型，并對其進行準靜態壓縮模擬。③利用三維Voronoi建模方法，建立了三維泡沫金屬模型，定義了三維下的形狀不規則度。

多孔金屬材料具有輕質、高強韌、吸能性能優異、高效散熱、隔熱等特性，是一種兼具功能和結構雙重作用的新型工程材料，已經廣一泛應用于航空航天、汽車、海洋采油等領域。多孔金屬材料的力學性能與其細觀結構密切相關，研究多孔金屬材料細觀結構與其宏觀力學性能之間的關系，深入分析材料變形的細觀力學機制并在此基礎上進行材料細觀結構的優化設計，對促進多孔金屬材料的設計開發和工程應用具有重大意義，也是本文工作的主要目的。本文研究了含有細觀結構缺陷的二維蜂窩結構動態力學行為，對滲流法制備的開孔泡沫金屬進行了細觀結構優化設計，并進一步探討了多孔金屬材料多目標優化設計的方法。

本文首先對胞壁隨機移除的二維蜂窩結構動態力學行為進行有限元模擬，研究了不同胞壁移除比的蜂窩結構在動態沖擊下的變形模式，發現蜂窩結構變形模式是由兩種機制，即慣性效應引起的變形局部化和缺陷引起的多個變形帶隨機分布（變形分散化），共同作用所決定的。本文還研究了隨機移除胞壁對蜂窩結構模式轉換臨界速度的影響，給出了臨界速度的近似公式。對蜂窩結構平臺應力速度效應的研究發現，當變形模式為過渡模式和動態模式時，平臺應力與沖擊速度的平方成正比。相同密度下，低缺陷蜂窩結構的平臺應力在由過渡模式向動態模式轉變的臨界速度附近高于規則蜂窩結構，較高的隨機缺陷則使蜂窩結構的平臺應力在由準靜態模式向過渡模式轉變的臨界速度附近顯著下降。本文還研究了含隨機固體填充孔蜂窩結構的動態力學行為。通過對不同孔洞填充比的蜂窩結構動態變形過程進行有限元模擬，發現含固體填充孔蜂窩結構與相同密度的規則蜂窩結構具有相同的變形模式和臨界速度。準靜態模式下，隨孔洞填充比的增加，蜂窩結構壓縮應力顯著下降。蜂窩結構變形為過渡模式或動態模式時，固體填充孔將導致蜂窩結構沖擊面應力出現尖峰，在應力尖峰以外的區域，蜂窩結構壓縮應力可通過具有相同壁厚的規則蜂窩結構平臺應力估算。

蜂窩結構的平臺應力表現出明顯的速度效應，與沖擊速度的平方成線性關系。低速沖擊下，含固體填充孔的蜂窩結構平臺應力隨孔洞填充比的增大而顯著降低，隨著沖擊速度的提高，一方面固體填充孔導致蜂窩結構應力應變曲線中出現應力尖峰，提高了蜂窩結構的吸能能力，另一方面含固體填充孔蜂窩結構中的崩塌變形耗散能高于規則蜂窩結構中的逐層剪切變形耗散能，含固體填充孔蜂窩結構平臺應力在較高的沖擊速度下可以比規則蜂窩結構平臺應力提高10%以上。對滲流法制備開孔泡沫金屬時鹽粒的幾何堆積方式進行了討論，提出了引入二級孔洞，通過細觀結構的設計來優化泡沫金屬宏觀力學性能的設想，并設計了優化的三維開孔泡沫金屬絀觀幾何構型。

對泡沫金屬壓縮變形機理的分析表明，單一孔徑泡沫金屬變形主要為斜桿的彎曲變形，引入二級孔洞后，更多的實體材料參與變形，泡沫金屬中同時存在胞桿的軸向壓縮與彎曲變形，提高了泡沫金屬的強度，并使材料表現出與單一孔徑泡沫金屬不同的塑性流動特性。對雙重孔徑泡沫金屬的實驗研究驗證了細觀結構設計對材料性能的優化作用，材料彈性模量和屈服強度分別比單一孔徑泡沫金屬提高48%及19%，最優的孔徑比和孔洞體積比分別為0.4和0.07-0.1。本文對單一孔徑和雙重孔徑泡沫金屬的穩態熱傳導過程進行了有限元模擬，得到不同相對密度和孔徑比的開孔泡沫金屬等效熱傳導系數。通過最小二乘法獲得了雙重孔徑泡沫金屬的屈服應力和隔熱參數的擬合函數式，建立了包含強度、隔熱和輕質三個目標函數的多目標優化設計數學模型，在構件質量一定的情況下，采用約束法將多目標優化問題轉化為單目標優化問題進行求解，得到滿足強度要求，同時使隔熱性能最優的泡沫金屬細觀參數。最后，求得了相同質量的泡沫金屬板構件隔熱參數一屈服應力關系圖，對單一孔徑泡沫金屬板和雙重孔徑泡沫金屬板性能進行了比較，發現雙重孔徑泡沫金屬板綜合性能要顯著優于單一孔徑泡沫金屬板。