《金属材料延性试验泡沫金属压缩试验方法》《金属材料延性试验泡沫金属压缩试验方法》国家标准编制说明工作简况1、任务来源根据国家标准化管理委员会《国标委综合 201356号文件》“关于2013年第一批国家标准制修《金属材料延性试验泡沫金属压缩试验方法》标订项目计划的通知”所下达的国家标准修订计划，准列入国家标准制修订计划中，计划编号为20130737-T-605。本标准由中华人民共和国湖北出入境检验检疫局、武汉钢铁(集团)公司、东南大学、江汉大学、武汉船舶职业技术学院等单位共同负责起草。2、起草过程本标准自2013年07月18日正式立项，2013年08月湖北出入境检验检疫局、武汉钢铁(集团)公司、东南大学三家实验室开始进行本项目的比对试验及研究讨论，最终由湖北出入境检验检疫局牵头起草，于2013年10月完成标准草案初稿，并在各起草单位内部进行征求意见后再修改草案。2013年10月底中华人民共和国湖北出入境检验检疫局、武汉钢铁(集团)公司、东南大学、江汉大学、武汉船舶职业技术学院等单位在聚会武汉对标准草案逐字逐句讨论修改。于2013年11月修改后的最终稿作为最后标准征求意见稿上报钢标委力学与工艺性能分技术委员会秘书处。3、制定本标准的原则泡沫金属材料是由多面体胞体组成的三维多胞材料，可以分为闭孔型和开孔型两种。闭孔结构是其内部胞孔相互独立，由母体金属分离，每个胞孔都是封闭的。开孔结构指内部胞孔相互连接在一起，每个胞孔不是封闭的。泡沫金属的力学性能是结构材料研究和使用的基本参数，具有较高的比强度和比模量，是较为理想的轻质结构材料。随着泡沫材料的广泛应用和迅速发展，使得力学行为成为泡沫材料研究的重要内容之一。泡沫金属细观结构主要参数有相对密度，孔径，孔径分布，孔隙率，体积分数等。泡沫金属材料被静态压缩时，应力应变曲线分为三个阶段:弹性段，屈服平台段及平台应力结束段。在准静态载荷作用下，对于弹性塑性泡沫材料，胞壁(闭孔型)或棱边(开孔型)的延展
和压缩是弹性段变形的主要因素。当加载的力矩超过塑性变形的力矩，材料发生屈服，并在胞孔中形成塑性铰。胞壁或棱边的屈服随应变的增加，沿加载方向向前传播，形成屈服段。经过对多种泡沫金属材料进行准静态压缩试验研究，发现泡沫金属的孔径大小对泡沫金属的弹性变形及弹性模量没有影响，但对泡沫金属的屈服强度及塑性硬化模量因不同情况有所影响，另外泡沫金属材料孔径大小对力学性能的影响主要取决于基体材料、泡沫金属材料的相对密度等因素。第 1 页共 7 页随着工业和科技的发展以及社会的进步，泡沫金属广泛应用在具有吸收冲击特性的领域，如汽车的防冲撞装置、机械设备及电子设备的减震垫、宇宙飞船起落架减震元件等。此外，已成功地用于升降机的减震垫、传送器的安全垫、高速磨床防护罩吸能内衬等;利用其优异热物理性能的领域，如通孔泡沫金属可以制作热交换器和散热器;利用流通特性的领域，如过滤器，泡沫金属用于液体(石油、汽油、制冷剂、聚合物熔体及水悬浮液)、空气或其它气流中滤掉固体颗粒或某些活性物质;利用吸声性能及电磁吸收特性领域，如采用合适的声结构，可以使其产生好的声吸收效果等;在其它领域的应用如具有耐火与灭火相协调的可渗透性，可以用在灭火器上，以阻止火焰沿管道蔓延;在化学工业上，可利用其巨大的表面特性作高效催化剂载体及反应塔的填料等。由于泡沫金属应用范围极为广泛，泡沫金属开始涉足民用领域。鉴于其优良的综合性能，泡沫金属在我国民用领域的使用范围不断扩大，具有很好的应用前景，因此适合于我国基本国情的泡沫金属试验方法和试验依据的标准化、规范化研究势在必行。本试验方法是在环境温度下对泡沫金属进行准静态压缩试验，对力学性能
进行了量化分析，对这方面的研究进行规范化，这个试验方法填补了我国在泡沫金属领域力学性能测试的空白。本标准适用于具有 50或更高孔隙度的泡沫金属利用压缩试验方法测定压缩应力第一峰值、平台应力、平台结束应力、单位体积吸收能量、单位体积吸收能量效率、准弹性梯度、弹性梯度、规定压缩应力及规定
抗压强度等特征值。迄今为止，国内未见该类标准，经查，国外有该类型标准三项(如:JIS H7902-2008《多孔金、DIN 50134-2008《金属材料的测试金属多孔材料的压缩试验》属的压缩试验方法》、ISO 13314- )2011《金属的机械试验延展性试验多孔状和蜂窝状金属的压缩试验》。本项目承担小组通过分析研究和验证，试验数据和分析结论与国外标准吻合，最终通过讨论选择国际标准 ISO 13314-2011 为本项目参考标准。本标准通过验证试验后，作出了下列修改: ——增加了规范性引用文件GB/T 2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置和试样制备》， GB/T 8170 《数值修约规则与极限数值的表示和判定》; ——把标准中涉及到的国际标准换成相应的国家标准; ——增加了术语和定义中的“压缩应力”、“压缩应变”公式; ——增加了第 5 章“符号和说明”; ——对第 7 章的 7.1 节“试样形状与尺寸”和 7.3 节“试样制备”进行了扩充和修改; ; ——增加了第 7 章的 7.4 节“试样贮存” ——对第 8 章“试验条件和程序”进行了扩充和修改; ——增加了第 9 章“试验结果数值的修约”。本标准草案的标题形式、整体结构、层次划分、编写方法、术语与符号等技术内容按照国家推荐性标准的制定格式要求，完成征求意见稿。第 2 页共 7 页 4、关于验证试验的说明本试验方法是在环境温度下对泡沫金属进行准静态压缩试验，对力学性能进行了量化分析，试验验证工作主要由湖北出入境检验检疫局技术中心材料实验室承担。 5、实验材料与测量设备 5.1、实验材料泡沫金属的准静态压缩实验所用的材料由东南大学所提供，制备方法是采用熔体发泡法制备。在制样过程中为了尽量减少加工对局部胞壁的破坏，所有的试样采用电火花线切割加工。试样的尺寸为
40mm×40mm×40mm，平均孔隙率直径在1.8-2.4mm。 5.2、测量设备准静态压缩试验设备:精密电子万能材料试验机(AG-X)设备厂商:日本岛津公司。实验过程中采取位移加载、力卸载的控制方式，以恒定速率 5mm/min 加载(相当于 0.002/s 应变速率)。 6、试验结果与分析 (1)、测试参数: 试样形状:矩形试样试样尺
寸:404040mm 试样平均孔隙率直径:1.8-2.4mm 试验测试速速:5mm/min 试验数据处理结果样品编号试验 1 试验 2 试验 3 试验 4 试验 5第一峰最大压力(N) 8507.347 8219.365 7798.128 7981.483 8349.619 值压缩强度(Mpa) 5.317
5.137 4.874 4.988 5.219平台应平台应力(e20) 5.405 5.349 4.984
5.064 5.346 力平台应力(e30) 5.548 5.486 5.106 5.269 5.624(Mpa) pl (20-30) 5.477 5.418 5.045 5.167 5.485 20 pl 20
(0.9231.104)(0.6451.070)(0.8351.065)(0.8211.089)(0.9671.126)弹性梯 70 pl 70 (2.7603.863)(2.6983.784)(2.6433.731)(2.5193.732)(2.3003.719) 度弹性
梯度( 20-(Mpa) 1.502 1.452 1.379 1.418 1.483 70)准弹性 pl 第一点
(2.3393.451)(2.2943.437)(2.0393.347)(2.1993.389)(2.3093.422) 梯度 pl 第
二点 (1.2541.891)(1.3631.782)(1.6791.681)(1.5191.805)(1.3181.906)(Mpa)
准弹性梯度 pl 1.487 1.427 1.367
1.397 1.469规定压缩应力(Mpa) 3.999 3.876 3.594 3.649 3.849 第 3 页
共 7 页规定抗压强度(Mpa) 4.816 4.485 4.341 4.651 4.792 表 1 准静态泡沫金属压缩试验结果第 4 页共 7 页第 5 页共 7 页上图(共10个图)为泡沫金属
的准静态压
缩实验结果。泡沫金属材料被静态压缩时应力-应变曲线都可以分为三个阶段: 弹性段塑性平台阶段及平台应力结束段。当应变很小时应力应变曲线呈线弹性;
然后出现一个平台这时随着应变增大而应力几乎恒定不变;最后随着胞壁被挤压在一起，材料被压实应力又迅速增大。泡沫金属在加工过程中和在作为功能材料时都经常会受到一定的载荷作用，而上述主要作为结构材料的场合，更会处处受到各种型式的载荷作用。所以力学性能的研究对其是非常重要和很有必要的。有关泡沫金属材料的研究表明，其压缩应力-应变曲线在低应力下表现为线弹性，接着是1
个长长的坍塌平台，被应力陡然升高的密实化区所截断。当压缩加载时，平台与孔
穴坍塌相关联，在会产生屈服的泡沫金属中是通过塑性铰接的形成。当孔穴已几乎完全坍塌，以致相对的壁面接触时，进一步的应变使固体本身压缩，得出最后的应力迅速增大区。本标准起草小组在对泡沫金属铝做验证试验时所得出的曲线与上述分析完全吻合。7、结论(1)泡沫金属在准静态压缩试验后，试验数据比对，试验结果重现性好。(2)泡沫金属的压缩应力-应变曲线由弹性阶段、平台阶段、平台应力结束阶段三部分组成。参考文献:1 郭瑞平，刘官厅(泡沫金属材料可压缩塑性力学研究进展J稀有金属材料与工程，2009.38(3):293-296.2 董海凤，刘永丰(泡沫金属材料孔结构力学行为研究进展J东南大学学报，2003.33(5):621-624. 第 6 页共 7 页3 王曦，虞吉林(泡沫铝的单向力学行为J实验力学，2001。164:438-4434 程和法(泡孔结构对开孔泡沫铝压缩力学性能的影响J热加工工艺2003 5:
1-2.5 GB/T 2975 钢及钢产品力学性能试验取样位置和试样制备6 GB/T 8170 数值修约规则与极限数值的表示和判定7 GB/T 12160 单轴试验用引伸计的标定GB/T 12160-2002，IS0 9513:2012，Metallic materials -Calibration of extensometers used in uniaxial testing
IDT8 GB/T 16825.1 静力单轴试验机的检验第1部分:拉力和(或)压力试验机测力系统的检验与校准 GB/T 16825.1-2008 IS0 7500-1: 2004 Metallic materials —
Verification of static uniaxial testing machines—Part l:
Tension/compression testing
machines—Verifcation and calibration of the force- measuring system IDT9 ISO
80000-1-2009 量和单位第 1 部分:总则Quantities and units—Part l: General10 ISO 13314-2011 金属的机械试验延展性试验多孔状和蜂窝状金属的
压缩试验11 JIS H7902-2008 多孔金属的压缩试验方法12 DIN 50134-2008 金属材料的测试金属多孔材料的压缩试验第 7 页共 7 页