system: [SYSTEM]

user: 3. 实验结果及分析 3.1. 正四面体点阵夹芯准静态压缩应力–应变分析 将准静态压缩的数据进行处理转化为应力应变，得到不同热处理状态下的应力–应变压缩曲线图。图2为不同热处理状态下的应力–应变压缩曲线图，由图2可知，四面体点阵夹芯准静态压缩表现为3个明显的变形阶段，即线弹性阶段、较长的屈服阶段、致密化阶段。 正四面体点阵夹芯在压缩的初始阶段首先呈现出一段变形范围非常小的线弹性变形区，T6及T7的弹性变形发生在应变小于0.05，而退火态的弹性变形区域行对较大，其应变范围为0到0.10，这是由于T6及T7的强度大于退火态。在弹性变形区间内，应力应变基本呈现线性关系，此阶段的变形机理为正四面体夹芯的3条芯体杆单元发生弹性变形。 线弹性阶段结束后，芯体开始发生塑性屈服，应力出现一个压缩峰值，在整体压缩变形过程中呈现出一个较长的屈服阶段，应变从0.1开始直至0.4。由图2发现，不同热处理的正四面体点阵夹芯试样的对应的峰值压缩强度不同，峰值时效(T6)最高约为6.5 Mpa，而过时效(T7)次之约为4.6 Mpa，退火态(Annealed)最小约为3.9 Mpa，峰值压缩强度的大小与材料的热处理状态所对应的强度大小关系保持一致。而夹芯的压缩屈服应变点，退火态在0.1左右，而T7跟T6在0.08左右。由于正四面体芯体杆元由之前的弹性弯曲转为塑性屈服，所以出现应力突然下降的坍塌屈服阶段，图中应力直线下滑处，但此时夹芯体内部仍存在大量孔洞，在随后的压缩过程中，金属骨架杆单元不会立即接触，这为压缩过程提供了可以继续压缩的空间，继续压缩将导致正四面体点阵夹芯体发生“软化”现象，应变逐渐增大而应力却不断减小，一直持续到应变量为0.4左右，即致密化应变点。 当压缩应变大于0.4后，夹芯体发生材料致密化，随着应变的增加，点阵夹芯体的压缩强度显著升高。这是因为此时点阵夹芯结构已经几乎被压实，杆元弯曲且与面板相互接触，继而压缩过程变形为基体材料所承受，于是夹芯体出现压缩应力随应变的增大而急剧升高的致密化变形阶段。不同热处理的致密化应变都约为0.4左右，这是由于夹芯内部的孔隙空间相同即拥有相同的相对密度，此时压缩变形中点阵夹芯结构所起的作用基本消失，更多的是基体材料在发挥作用。为了直观的观察整个压缩过程中夹芯杆单元的应变情况，压缩过程进行了拍照记录，图3为其中几个典型的压缩阶段。图4为压缩后的样品，对其进行检查，并未发现钎焊接触点脱落及芯体杆单元断裂的现象，金属骨架杆单元发生很大的塑形变形，杆单元与面板直接接触。 Table 1 Details of the sample 样品编号 长(mm) 宽(mm) 高(mm) 相对密度 Annealed 15.62 13.44 12.12 0.054 T6 15.46 13.62 12.26 0.053 T7 15.80 13.84 12.44 0.051 表1. 试样详细信息 图1. 正四面体点阵夹芯单体 图2. 三种不同热处理状态下正四面体点阵夹芯的应力–应变压缩曲线图 图3. 正四面体铝合金点阵夹芯5个压缩阶段照片：(a) 压力为0；(b) 弹性阶段；(c) 杆元弯曲；(d) 软化阶段；(e) 致密化 图4. 压缩完成后的正四面体点整夹芯单体图 3.2. 正四面体点阵夹芯准静态压缩吸能性能分析 金属多孔材料其能量吸收远远大于致密材料，而铝合金正四面体点阵夹芯材料有较长而平缓的变形阶段，说明其具有较好的能量吸收特性。本文从两个方面表征正四面体点阵夹芯材料能量吸收特性，分别为能量吸收量 [ 10 ] - [ 15 ] ，设为C；以及能量吸收效率，设为E。图5为吸能能力与吸能效率示意图，公式(1)跟(2)为其具体表达式。 吸能能力C为应力–应变曲线图所围成的面积，通过积分可得到其计算公式(1)，其积分面积的物理意义为单位体积的能量吸收量。 (1) 式中， 为应变， 为相对应的压缩应力， 为当前选定的应变点且小于 。 能量吸收效率等于真实材料与理想材料压缩到相同应变时两者吸能能力的比值，即图5中阴影面积与矩形面积之比，图中所示的为致密化应变的吸能效率。吸能效率越大，材料越接近于理想的吸能材料，其计算方法为公式(2)。 (2) 式中， 为致密化应变， 为最大压缩应力， 为当前选定的应变点且小于 。 3.2.1. 正四面体点阵夹芯能量吸收能力 利用图形处理软件对应力–应变积分并绘图，得到不同热处理状态下正四面体点阵夹芯准静态压缩的能量吸收情况。图6所示的是不同热处理状态下的正四面体点阵夹芯应力应变曲线与能量吸收曲线，本文研究的是夹芯芯体结构的能量吸收情况，致密化后基本是基体材料的吸能特性，故只考虑致密化应变前的能量吸收情况，即应变小于0.4。随着应变的增加，能量的吸收整体呈现出线性增长。线弹性阶段单位体积能量吸收量峰值，退火态(Annealed)约为2.9 × 10 5 J/m 3 ；峰值时效(T6)约为1.6 × 10 5 J/m 3 ；过时效(T7)约为1.9 × 10 5 J/m 3 。较长的屈服阶段单位体积能量吸收量峰值，退火态(Annealed)约为1.1 × 10 6 J/m 3 ；峰值时效(T6)约为1.6 × 10 6 J/m 3 ；过时效(T7)约为2.1 × 10 6 J/m 3 。由此可知，在线弹性阶段夹芯材料单位体积能量吸收量小，而且应变范围也比较小，故其整体的能量吸收式比较少的；在较长的屈服阶段，首先夹芯材料单位体积能量吸收量大，其次屈服阶段的应变量约为线弹性阶段的3倍，因此屈服阶段是四面体点阵夹芯能量吸收的主要阶段。这是因为屈服阶段金属骨架的杆单元发生剧烈的塑形变形，而剧烈的塑形变形需要外界大量的能量，故在整体的能量吸收过程中，较长的屈服阶段能量吸收量远远大于线弹性阶段。 图7为不同热处理状态下四面体点阵夹芯的能量吸收对比图，随着应变的增加，能量吸收都是大致呈线性增长，其增长速率基本一致。整个过程的能量吸收情况，T6基本上都是最大的，除了在很小的一 图5. 吸能能力与吸能效率示意图 图6. 不同热处理状态下的正四面体点阵夹芯应力应变曲线与能量吸收曲线 段范围内比T7小；而退火态的能量吸收量总是最小的；T7的能量吸收量则处于前两者之间。由此可知，在一定的强度范围内，基体材料的强度的大小与四面体点阵夹芯芯体的吸能量的大小是一致的。 3.2.2. 正四面体点阵夹芯能量吸收效率 图8是不同热处理状态下的正四面体点阵夹芯应力应变曲线与能量吸收效率曲线，图8表明，不同 图7. 不同热处理状态下的正四面体点阵夹芯能量吸收曲线 图8. 不同热处理状态下的正四面体点阵夹芯应力应变曲线与能量吸收效率曲线 热处理状态下的吸能效率整体都呈现出前期的迅速增长，而后出现缓慢的下降过程。线弹性阶段，吸能效率增长十分迅速，当到达屈服点时，吸能效率还是继续在增加，并没有达到最高值。T6跟T7的峰值吸能效率所对应的应变都在0.15左右，而退火态所对应的应变则为0.25，这表明基体材料的塑性可以改 图9. 不同热处理状态下的正四面体点阵夹芯能量吸收效率曲线 变吸能效率其峰值所对应的应变点，塑性越好其峰值应变点后移。而且T7的峰值吸能效率约为0.8，T6跟退火态则大致为0.7，在后续的较长的屈服阶段，T7的吸能效率维持在0.7以上，T6则维持在0.6以上，退火态基本呈现出一条直线即0.7左右，这说明点阵夹芯芯体在主要的吸能阶段即较长的屈服阶段其吸能效率变化非常小，并且数值也比较大，这对正四面体点阵夹芯材料的吸能特性是非常有利的。致密化阶段，杆单元与面板碰撞，夹芯吸能效率与基体材料的吸能效率基本一致，能量吸收迅速效率下降。 由图9可知，不同热处理状态下四面体点阵夹芯芯体的吸能效率T7最大，T6开始大于退火态，而后又小于退火态。T7基体材料的强度处于三者中间，塑性也处于三者中间，但其吸能效率是最高的，这表明夹芯芯体的能量吸收效率由基体材料的强度与塑性共同决定。由吸能量及吸能效率可知，强韧性好的材料其吸能特性比较好，这为正四面体夹芯结构材料基体材料及热处理制度的选择提供了依据。