閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管的低速沖擊性能

張靨，王斯冉，馮曉琳，鄒田春，楊旭東

閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管的低速沖擊性能

張靨a，王斯冉a，馮曉琳a，鄒田春b*，楊旭東a

（中國民航大學 a.中歐航空工程師學院 b.安全科學與工程學院，天津 300300）

研究閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管在低速沖擊載荷下的力學及吸能性能，探究泡沫Al-Cu與鋁合金薄壁管之間的交互作用。采用粉末冶金發泡法制備閉孔泡沫Al-Cu，并將其直接填充到鋁合金薄壁管中，獲得閉孔泡沫Al-Cu填充薄壁管（簡稱“填充管”）。采用萬能電子試驗機和沖擊試驗機對試樣進行力學及吸能性能測試，采用VIC-3D系統和高速攝像機觀察試樣的宏觀變形行為，采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析試樣的微觀斷口形貌。在不同沖擊能量下，泡沫Al-Cu具有較穩定的吸能特性。在相同位移下，較大沖擊能量下的填充管能夠吸收更多能量。與薄壁管相比，受沖擊后填充管的形變較小且其沖擊曲線更加平穩，表明泡沫Al-Cu芯材的填入能夠增強變形穩定性及整體吸能能力。與泡沫Al-Cu相比，填充管受應變率影響較小，可在較寬應變率范圍內穩定吸能，較高應變率下的沖擊會導致泡孔發生脆性斷裂。填充泡沫Al-Cu芯材能夠提高薄壁管受沖擊載荷時的變形穩定性，兩者之間的相互作用使填充管結構具有更好的吸能性能。

泡沫鋁填充管；閉孔泡沫Al-Cu；落錘沖擊；吸能特性；交互作用

近年來，隨著航空航天、交通運輸等領域的快速發展，對材料力學性能及其經濟性提出了更高的要求。泡沫鋁是內部呈多孔結構的金屬鋁材料，由鋁基骨架和孔洞復合形成，這種特殊的結構導致其比強度、比剛度較高，具有吸能阻尼、隔熱阻燃、電磁屏蔽等性能，可被廣泛應用于交通運輸業等行業[1-5]。但泡沫鋁本身的彈性模量和強度較低，特別是當孔隙率較高時，它在壓縮初期和平臺階段的抗壓能力不足，結構的吸能能力較差，不適合單獨使用[6-7]。薄壁金屬管作為一種質輕、屈服強度高的有效傳統吸能材料，被廣泛用于碰撞動能耗散系統中。然而，在受軸向載荷時，其壓縮行為不穩定；在受徑向載荷時，易發生局部壓入變形，承載能力較弱。這降低了薄壁管作為吸能結構的可靠性[8-9]。

泡沫鋁填充薄壁管受到了研究者的極大關注，可以在結構質量增大量較小的情況下，大幅提高該結構的抗壓抗變形能力和吸能能力，彌補了泡沫鋁承載能力較低和薄壁管變形模式不穩定的缺點。作為填充芯材，泡沫鋁除了能夠起到承載作用外，還可以減少填充管的局部屈曲，使其盡可能對稱的倒塌變形。此外，泡沫鋁還可以通過自身的斷裂和其他破壞形式消耗能量，以提升整個復合結構的吸能能力[10-13]。目前國內外學者對泡沫鋁填充管進行了一定的研究。Asavavisithchai等[14]研究表明，泡沫鋁的填充改變了薄壁管的變形模式并提高了吸能能力。Duarte等[15-17]研究表明，在泡沫鋁外增加徑向約束明顯增強了材料的塑性應變硬化，減小了密實化應變，提高了材料的吸能能力。Huo等[18]通過創建全尺寸有限元模型模擬了泡沫芯夾芯板的低速沖擊響應以及沖擊過程，并推導出基于能量的初始峰值負荷分析模型，從而預測了多層配置夾芯板的沖擊性能。Fang等[19]利用非線性有限元分析代碼LS-DYNA建立了數值模型，研究了功能梯度泡沫（FGF）填充受側向沖擊載荷時的薄壁結構，實現了UF（均勻泡沫）和FGF填充梁的耐撞性優化設計。Djamaluddin等[20]采用ABAQUS研究了雙空管、泡沫填充空管和泡沫填充雙管3種不同的管，優化了雙圓管在純軸向和傾斜沖擊載荷下的碰撞行為，結果表明，在軸向作用下，泡沫填充雙管的耐撞性優于其他泡沫填充管的，而泡沫填充空管是斜載荷下結構的最佳選擇。

目前關于泡沫鋁填充管的大部分研究集中在準靜態壓縮和有限元模擬方面，而對其沖擊響應的實驗研究較少。但在實際工況中，填充管往往經受沖擊載荷而非靜態載荷[21-23]，因此，對其在動態載荷下的沖擊力學響應以及應變率效應開展研究尤為必要。本文通過粉末冶金發泡法制備閉孔泡沫Al-2%（質量分數）Cu合金（簡稱為泡沫Al-Cu），進而將其直接填充入鋁合金薄壁管中，獲得閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管結構（簡稱為填充管），采用萬能試驗機和落錘沖擊試驗機研究其準靜態壓縮響應和低速沖擊響應，探究沖擊能量對其吸能性能的影響，并分析其應變率效應。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

試驗所用原材料的Al粉粒徑為200目，密度為2.70 g/cm3，Cu粉粒徑為400目，Mg粉粒徑為200目，使用氫化鈦（TiH2）作為發泡劑，粒徑為25目。基于課題組的前期工作[24]，采用粉末冶金發泡法制備泡沫Al-Cu，并將其切割成直徑為23 mm、高度為25 mm的圓柱體，進而采用物理直接填充的方式將其填入熱處理狀態為T6態的6061鋁合金薄壁管中，制備得到填充管。鋁合金管購買自深圳市中恒鋼鐵有限公司，內徑為24 mm，高度為25 mm，壁厚為1 mm。

1.2 結構表征及力學性能測試

采用Istron-5982型萬能電子試驗機對試樣進行準靜態壓縮測試，設備最大載荷為100 kN，通過軟件Bluehill控制測試過程，壓縮速率為1.2 mm/min。采用VIC-3D系統對試樣的準靜態壓縮過程進行拍攝，記錄其變形行為，設置拍攝速度為2 s/張。采用Instron CEAST-9350沖擊試驗機進行落錘沖擊試驗，采用Visual IMPACT軟件設置測試方法。在沖擊過程中采用高速攝像機拍攝沖擊過程，拍攝頻率為60 MHz。采用S4800型掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 試樣的準靜態壓縮性能

泡沫Al-Cu在室溫下準靜態壓縮時的應力-應變曲線和壓縮變形過程如圖1所示。其壓縮過程包括3個階段：線彈性階段（I）、平臺階段（Ⅱ）和密實化階段（Ⅲ）。在應變達到3%前，泡沫Al-Cu所受應力隨應變的增大而呈線性上升，定義曲線第一應力峰值為屈服強度，在該階段，泡孔主要發生彈性變形，孔壁無斷裂現象。隨后泡沫Al-Cu進入平臺階段，應力提升速率減緩，部分泡孔發生坍塌，當應變達到7%時已形成變形帶。隨著應變的進一步增大，應力緩慢增大，維持在一定水平，此時泡沫Al-Cu仍處于平臺階段，在此階段泡沫Al-Cu通過泡孔的逐漸坍塌而吸能。當應變達到45.12%時，泡沫材料進入密實化階段，隨著應變的增大，孔壁相互接觸，泡沫結構逐漸被壓實，應力迅速上升。

填充管準靜態壓縮的應力-應變曲線和壓縮變形過程如圖2所示。在變形過程中填充管形成了2個褶皺，分別對應應力-應變曲線中的2個明顯波動。其壓縮曲線可以分為5個階段：初始線彈性階段（A），應力隨著應變的增大而線性增大，薄壁管和泡沫芯材均為彈性變形；應力非線性增大直至達到屈服（B），可以看到，此時在填充管上開始形成第一個褶皺；最大應力降階段（C），達到屈服應力后，應力迅速下降，此時在填充管上正式形成第一個褶皺；應力波動階段（D），試樣繼續被壓縮，褶皺的上下管壁相互接觸，當應力達到第二個峰值時在填充管上開始出現第二個褶皺；密實化階段（E），應力隨應變的增大而迅速增大，泡沫芯材逐漸被壓實，薄壁管形成2個完整的褶皺。

填充管在室溫壓縮下的交互作用如圖3所示。由應力-應變曲線可以看出，用泡沫Al-Cu對薄壁管進行填充可以減小薄壁管在壓縮過程中曲線的波動，提高變形穩定性。泡沫Al-Cu的屈服應力與泡沫Al-Cu和薄壁管曲線之和的屈服應力基本相同，平臺應力略低，但到達密實化應變時的吸能量比“泡沫Al-Cu+管” 的高18.37%，這是因為泡沫芯材外的薄壁管提高了復合結構的密實化應變，從而出現更長的吸能區間，具有更好的吸能能力。

圖1 泡沫Al-Cu的準靜態壓縮應力-應變曲線（a）和變形過程（b）

圖2 填充管在準靜態壓縮下的應力-應變曲線（a）和變形過程（b）

圖3 泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管在準靜態壓縮下的應力-應變曲線（a）和吸能曲線（b）

2.2 試樣的落錘沖擊響應

2.2.1 泡沫Al-Cu

采用不同沖擊能量對泡沫Al-Cu和填充管進行了落錘沖擊測試。通過落錘沖擊試驗機內的傳感器可以得到瞬時沖擊載荷，其計算如式（1）所示。

式中：為落錘整體及外加質量塊的質量之和；為重力加速度；()、()分別為時刻的瞬時沖擊載荷和傳感器記錄的瞬時加速度。將式（1）積分可以得到式（2）和式（3），即得到瞬時速度()和位移()。

式中：(0)、(0)為沖擊錘的初始速度及初始位移。沖擊過程中的總沖擊能的計算如式（4）所示。

由式（1）～（4）計算得到：當沖擊能為50、100、150 J時，對應的速度分別為2.38、3.36、4.12 m/s。

泡沫Al-Cu在不同沖擊能量下的載荷-位移曲線和吸能曲線如圖4所示，沖擊過程中的力學參數如表1所示。觀察圖4a可以看到，載荷-位移曲線主要分為2個階段：1）線彈性階段，此時與位移相比，載荷迅速增大，試樣主要發生彈性變形，定義臨界峰值載荷為沖擊過程中初始階段對應的第一峰值載荷；2）漸進壓潰階段，此時曲線波動較為劇烈，泡孔被迅速壓潰進而發生塑性變形，該階段是主要的吸能階段。隨著沖擊能量的增大，試樣的沖擊臨界峰值載荷和最大位移均增大，50、100和150 J能量沖擊下的臨界峰值載荷分別為7.278、9.765和10.931 kN。當沖擊能量由100 J增大到150 J時，泡沫Al-Cu的臨界峰值載荷增大幅度較小，這是因為當沖擊能量為100 J時，臨界峰值載荷已經達到材料的屈服強度。最大臨界峰值載荷出現在沖擊能量為150 J時，此時的沖后變形量為41.5%，這說明150 J的沖擊能量能被泡沫Al-Cu完全吸收。雖然當沖擊能量為150 J時載荷-位移曲線波動幅度較大，但載荷水平基本一致。為表征和比較試樣的吸能能力，本文定義吸能曲線的斜率為試樣的吸能速率。由圖4b可知，隨著沖擊能量的增大，吸能曲線更長，吸能更多，但不同沖擊能量下泡沫Al-Cu的吸能速率幾乎相同，泡沫Al-Cu具有較為穩定的吸能能力。

圖4 不同沖擊能量下泡沫Al-Cu的載荷-位移曲線（a）和吸能曲線（b）

表1 不同沖擊能量下泡沫Al-Cu的力學參數對比

2.2.2 薄壁管

薄壁管在不同沖擊能量下的載荷-位移曲線和吸能曲線如圖5所示，沖擊力學參數如表2所示。可見，在3種沖擊能量下，薄壁管的峰值載荷均高于泡沫Al-Cu的，說明它面對沖擊載荷時可以在第一時間吸收更多的能量，但其曲線在漸進壓潰階段發生了明顯的上下波動，載荷并不能維持在一定的水平，這明顯區別于泡沫Al-Cu，說明雖然薄壁管是一種具有潛力的吸能結構，但其吸能過程較不穩定。

2.2.3 填充管

不同沖擊能量下填充管的載荷-位移曲線和吸能曲線如圖6所示，沖擊過程中的力學參數如表3所示。隨著沖擊能量的增大，填充管結構的臨界峰值載荷呈上升趨勢，在較高沖擊能量下承受的沖擊載荷較大，載荷-位移曲線呈現先下降后上升的趨勢，曲線有明顯的波動。此外，由吸能曲線可以看出，填充管結構會在更大的沖擊能量下具有更高的吸能速率，即在相同位移下，較大沖擊能量下的填充管能夠吸收更多能量。

圖5 不同沖擊能量下薄壁管的載荷-位移曲線（a）和吸能曲線（b）

表2 不同沖擊能量下薄壁管的力學參數對比

圖6 不同沖擊能量下填充管的載荷-位移曲線（a）和吸能曲線（b）

表3 不同沖擊能量下填充管的力學參數對比

在150 J沖擊能量下泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管的載荷-位移曲線和吸能曲線如圖7所示。可以看到，與泡沫Al-Cu與薄壁管沖擊曲線數值之和相比，填充管結構具有更小的臨界峰值載荷，該值略高于薄壁管的臨界峰值載荷，且最大載荷降幅小于薄壁管的（填充管最大載荷降幅為14.85 kN，薄壁管最大載荷降幅為20.11 kN），載荷-位移曲線相較于薄壁管的也更加平穩，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時使其承載過程更加穩定，有利于其作為緩沖結構吸收能量。這是因為在沖擊載荷下，泡沫Al-Cu與薄壁管之間產生了相互作用[25]，泡沫芯材抑制了薄壁管向內折疊，薄壁管限制了泡沫Al-Cu向外膨脹，它們共同承擔載荷，填充管結構中的泡沫芯材在沖擊后受損較小（見圖8），僅有上層泡孔坍塌。在薄壁管中填充泡沫Al-Cu可以使結構在不改變總質量的前提下，具有更大的吸能與緩沖能力。

泡沫Al-Cu、薄壁管及填充管在150 J沖擊能量下的宏觀變形過程如圖9所示。可見，在載荷達到屈服強度后，泡沫Al-Cu出現了泡孔坍塌的現象，在應變為24%時，已經可以觀察到明顯的貫穿式變形帶，之后隨著沖擊的進行，泡沫Al-Cu逐層坍塌；在應變為8%時，薄壁管在管壁上方有輕微鼓出，下端管壁向內、外折疊，開始形成褶皺，當沖擊過程結束時，下端已經形成完整的較薄褶皺，并有繼續形成第二個、第三個褶皺的趨勢。在沖擊載荷下，填充管具有與薄壁管相似的變形過程，但可以明顯看到管壁幾乎不向內折疊，沖擊后具有形成第二個褶皺的趨勢，且在同樣的沖擊能量下，填充管的軸向形變量明顯小于薄壁管和泡沫Al-Cu的，未達到填充管的屈服極限，這說明在薄壁管內填充泡沫能夠顯著提升其抗沖擊能力。填充管能夠吸收更多能量，可以作為穩定、可靠的沖擊吸能件使用。

2.3 試樣的應變率效應

為了對比分析試樣的應變率效應，使用式（4）和式（5）將載荷（）-位移（）曲線轉換為應力（）-應變（）曲線[26]。

圖7 泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管在150 J能量沖擊下的載荷-位移曲線（a）和吸能曲線（b）

圖8 150 J沖擊能量下泡沫Al-Cu（a）、薄壁管（b）和填充管（c）的縱截面

圖9 150 J沖擊能量下泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管的變形過程

式中：為試樣有效橫截面積；0為試樣初始高度。泡沫Al-Cu和填充管的準靜態壓縮曲線與沖擊曲線如圖10所示。可見，泡沫Al-Cu和填充管在準靜態壓縮與沖擊壓縮下的應力-應變曲線具有相似的變化趨勢，但在沖擊載荷下，2種試樣都承載更高的載荷、具有更高的吸能速率。泡沫Al-Cu和填充管均體現出一定的應變率敏感性，填充管受應變率影響較小。

不同應變率下形成的斷口微觀形貌如圖11所示。可以看出，經低應變率（1.3×10?3s?1）準靜態壓縮后，斷口中大多為韌窩和滑移帶，均為韌性斷裂特征，而較高應變率（1.6×102s?1）的沖擊載荷會促進試樣發生脆性斷裂，在其沖擊斷口中出現了明顯的解理臺階，說明隨著應變率的增大，試樣的斷裂方式由韌性向脆性轉變。

圖10 不同應變率下Al-Cu泡沫的應力-應變曲線（a）、Al-Cu泡沫的吸能曲線（b）、填充管的應力-應變曲線（c）和填充管的吸能曲線（d）

圖11 不同應變率壓縮測試后泡沫Al-Cu的斷口微觀形貌

3 結論

將采用粉末冶金發泡法制備的泡沫Al-Cu直接填充入鋁合金薄壁管中得到填充管，探究了它在不同沖擊能量下的落錘沖擊響應，分析了它在沖擊載荷下的交互作用，并結合準靜態壓縮試驗研究其應變率效應，得到結論如下：

1）填充泡沫Al-Cu芯材能夠提高薄壁管的變形穩定性，兩者之間的相互作用使填充管結構具有更好的吸能性能和更穩定的變形過程。

2）不同沖擊能量下泡沫Al-Cu的吸能速率幾乎相同，都具有較穩定的吸能能力；而填充管結構在更大的沖擊能量下具有更大的吸能速率，即在相同位移下，較大沖擊能量下的填充管吸收的能量更多。

3）與泡沫Al-Cu+管相比，填充管具有更小的臨界峰值載荷，與薄壁管相比，填充管具有更小的最大載荷降幅和更平穩的曲線，說明泡沫Al-Cu的填充能在提高薄壁管吸能能力的同時使其承載過程更加穩定。

4）泡沫Al-Cu比填充管具有更加明顯的應變率敏感性，填充管受應變率影響較小，可在不同應變率下穩定吸能，但較高應變率的載荷會促使泡孔發生脆性斷裂。

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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

國家自然科學基金（51971242）

The National Natural Science Foundation of China (51971242)

張靨, 王斯冉, 馮曉琳, 等. 閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管的低速沖擊性能[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）

責任編輯：蔣紅晨