【doc】 球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金的超声衰减性能

【doc】 球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金的超声衰减性能 球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金的超声衰减 性能 第19卷第4期 2005年8月 材料研究 CHINESEJOURNALOFMATERIALSRESEARCH v01.19NO.4 August2005 球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金的 超声衰减性能 汤小东何德坪 (东南大学) 摘要研究了球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金在1MHz~10MHz的超声衰减性能.结果表明:泡沫铝 合金的超声衰减性能决定于其孔结构;通孔泡沫铝合金的超声衰减系数随着孔径d的减小,孔隙率尸s 减小和比表面积Tv的增加而增大;闭孔泡沫铝合金的超声衰减系数随孔径d的减小,孔隙率尸s的增 加和比表面积Tv的增加而增大;当孔径d,孔隙率只相近时,闭孔泡沫铝合金的超声衰减性能优于通孔 泡沫铝合金;在1MHz10MHz二者是具有良好阻尼性能的轻质材料. 其衰减机制为在弹性范围内超声 应力波在具有大量孔隙界面的泡沫铝合金中的衰减. 关键词金属材料,通孔泡沫铝合金,闭孔泡沫铝合金,超声衰减系数, 孔径,孔隙率,比表面积 分类号TG146文章编号1005—3093(2005)04-0407—06 Ultrasonicattenuationpropertiesofporousandcellular A1alloyfoamwithsphericalpore TANGXiaodongHEDeping (DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096) SupportedbyNationalKeyBasicResearchandDevelopmentProgram No.2006CB601200.andNationalNatureScienceFoundationofChinaNo.50231010, No.50471031,No.90205005andNO.50081002.ManuscriptreceivedJanuary17,2005;in revisedformMarch28,2005. Ibwhomc0rresp0ndenceshouldbeaddressed,Te1:(025)83794119, E—mail:dphe◎seu.edu.ca ABSTRACTUItrasonicattenuationpropertiesoftwokindsofAIalloyfoamwerestudiedintherange from1MHzto10MHz.TheresultsshowthattheUItrasonicattenuationproper tiesaredetermined bytheporestructuresofAIaIIovfoam.UItrasonicattenuationcoefficientofporousAIaIIovincreases withdecreasingporediameter.withdecreasingporosityandwithincreasingspecificSUrface.UItrasonic attenuationcoefficient(9/ofcellularAIaIIovincreaseswithdecreasingporediameter.withincreasing porosityandwithincreasingspecificSUtraceUItrasonicattenuationpropertyofcelIUIarAIalloyiSbetter thanthatofporousAIalIoywhentheyhavetheSimiIarporediameterandporosity.Theyareboth IightmateriaISwithgooddampingpropertiesbetween1MHzand10MHz.AndthemechanismiSthat ultrasonicwaveiSattenuatedintheAIaIIovfoamwithaIotofinterfaceintheelasticstage. 国家重点基础研究发展计划2006CB601200和90205005国家自然科 学基金重点及面上50231010,50471031 和50081002资助项目.2005年1月17日收到初稿;2005年3月28 日收到修改稿. 本文联系人:何德坪,教授,南京市210096,东南大学材料科学与工程 系 4c)材料研究l9卷 KEYWORDSmetallicmaterials.porousAIalloyfoam.cellularAIalloyfoa m.ultrasonicattenuation coefficient.porediameter.porosity.specificsurface 以孔隙为特征的超轻型金属结构材料(如纯Al,A1合金或不锈钢).已成为研究热点之 一 【一-.这类材料的孔结构可分为无序通孔,『坷L和有序格子以孔结构为特征的这类轻质材 料,由f空气相与基体骨架两相极不均匀.而产生高阻尼性能文献【1n研究了这类材料不 同频率f0l,loH_l【】4,Hz,f],1000Hz)下的阻尼行为.但是在超声频率范围内的研究结果 不多…”f以往的研究是值孔及闭孔泡沫铝台金进入塑性变形阶段的能鲼吸收性能113,141.本 文研究其塑性变形前在高频趣声频率(1MHz~10MHz1下孔型结构参数吁L径d,孔隙率, 比表面积)对超声衰减性能的影?向 1实验方法 采用熔体渗流法制备高比强球形孔通孔泡涞铝台金,采用熔体发泡法控制球形孔获得高 比强球形孔闭孔泡沫铝合金I.测试试样的直 径和厚度为2nn1{图l1 为获得二种泡沫铝合金的超声衰减系数c 与材料结构参数l孔径d,孔晾率,比表面积 1的关系,制备了不同孔径d和不同孔隙章只 的试样通孔泡沫铝合盒删试试样:孔径d的数 值有】o4Jill[I,2[1”llllll和3(}2rilln三种.每种 孔径试洋分别有G0『{%一7一{.范围内5种不同 的孔隙率;闭孔泡沫铝台金测试试样:孔径d 的数值有50IHIn,.07IllllI卡口3【J1]7111-[1三种, 每种孔径的试样分别有舢,了4.5%范围内5 种不同的孔隙率 用型号为MATEC66(】()的超声衰减测试仪 删量超声衰减系数n删造时把一经脉冲调制 囝1泡沫铝合金(a1闭孔.cl,】通孔 Fig.1A1~dloyFoamfcellularAIalloynla cb.p()AI1[O~Lnl 的高频应力波输入两端梢瓦下行的多孔金属中.这个j}f(冲经多次反射得到一系列振幅呈指数衰 减的脉冲回波列在示波器上出现一系列振幅随时问呈指数减小的渡使其与一定标的指数衰减 曲线拟合,得到衰减值.从而得到单位时间内的衰减dB/t 2结果与讨论 图2表明,在L隙率相同的情况下.随着孔径d的增大,通孔铝合金的超声衰减系数n 减小.通孔泡沫铝合金相近(565%,57.4研1.将通孔泡沫铝合金两个孔洞连接处的马鞍形简 化成直线,则其比表面积为.-{6/d)?105N(1,)ci?一1’2其中为填料颗粒堆 积引起的L隙率d,颗粒直径.即孔径?为与任一个颗粒相邻并接触的颗粒数目.,为通L度 其值为()3—1j4.因此当孔径d增大时.比表面积减小 由图3可见.当孔隙率』一定时,随着孔径d的增大.闭孔泡沫铝合金的超宙衰减系数减 小.孔隙率一定时,均孔径的增大表明单位体积内孔的数目减少,比表面积减小 4期汤小东等:球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金的超声衰减性能409 ? ? D , O 广 X b 图2孔径d对通孔泡沫铝合金Q的影响 Fig.2EffectofporediameterdonQofporous A1alloyfoam ? D , O r X b 图3孔径d对闭孔泡沫铝合金Q的影响 Fig.3EffectofporediameterdonQofcellu— larA1alloyfoam 两类铝合金在孔隙率一定时比表面积Sv都随孔径d的增大而减小,使得超声应力波通 过通孔或闭孔泡沫铝合金时能损失减少,从而使超声衰减系数Q减小. 当孔径d相同时,随着孔隙率的增加,通孔泡沫铝合金的超声衰减系数Q~-NN:d,(图 4);因为当孔径d一定时随着孔隙率的增大,试样的通孔度变大,比表面积Sv变减小,这 使得通孔铝合金对超声应力波的衰减能力减弱,Q随着的增加而减 小. ? ? D , O b 图4孔隙率对通孔泡沫铝合金Q的影响 Fig.4EffectofporosityonnofporousA1 alloyfoam ? ? D , 0 r X b 图5孔隙率对闭孔泡沫铝合金Q的影响 Fig.5EffectofporosityonQofcellularA1 alloyfoam 孔径d相同时.随着孔隙率的增加,闭孔泡沫铝合金的超声衰减系数Q增加(图5). 因为 当孔径d一定时.孔隙率的增大表示单位体积内孔的数目增多,比表面积Sv增大,超声衰减 能力提高,从而使闭孔泡沫铝合金的Q增大. 410材料研究19卷 当孔径d一定时,通孔泡沫铝合金的Pr为56.5%~57.4%,而通孔度川遗着孔隙率Ps的增加 而变大,因此通孔泡沫铝合金的比表面积Sv是减小的,超声应力波在传播时消耗的能量就减少, 则通孔泡沫铝合金超声衰减系数Q减小(图6a).闭孔泡沫铝合金的比表面积为Sv=6P~/d,其中 ‘,I ? D , O r X 石 ‘,I ? D , O r × 石 鼍4 P/ol. E U 们 ,./o 图6不同孔径时比表面积S对通孔泡沫铝合 金Q的影响 Fig.6EffectofspecificsurfaceSvonQof porousA1alloyfoamatdifferentpore diameters ? , O r X 石 击 0 石 /% 冀| PsIo|o E U , ‘ 们 E U 们 E U , 们 图7不同孔径时比表面积对闭孔泡沫泡沫 铝合金Q的影响 Fig.7EffectofspecificsurfaceSvonQofcel- lularA1alloyfoamatdifferentporedi- ameters 4期汤小东等:球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金的超声衰减性能411 为闭孔泡沫铝合金试样的实际孔隙率,d为闭孔泡沫铝合金试样平均孔径.因此,在孔径d一 定时,比表面积s随着孔隙率的增加而增大,这表明闭孔泡沫铝合金对超声应力波的衰减能 力提高,因而闭孔泡沫铝合金的超声衰减系数是增大的(图7a). 在孔径d相近,孔隙率相同的条件下,闭孔泡沫铝合金的超声衰减系数大于通孔泡沫 铝合金的超声衰减系数(图6b,C和图7b,C).通孔铝合金的比表面积S=,(尸r,R,N,I), 尸r,R,?,由工艺参数和物性参数决定.当孔径d,孔隙率都相同时,闭孔泡沫Al合金的比 表面积s比通孔泡沫铝合金的比表面积s大,因而闭孔泡沫铝合金对超声波的衰减能力高于 通孔铝合金的衰减能力.实验数据表明,当孔径d相近,孔隙率相近时,闭孔铝合金的超声衰 减系数高于通孔铝合金的超声衰减系数. 当孔径d相同时,随着孔隙率的增加,通孔泡沫铝合金的通孔度随着孔隙率的增加 而增大,比表面积s减小,因而其超声衰减系数减小;在孔径d相同的情况下,闭孔泡沫铝合 金的比表面积随着孔隙率的增加而增大,因而其超声衰减系数变大. 通孔和闭孔泡沫铝合金对超声应力波衰减的本质是超声应力波在具有大量孔隙界面的多孔 介质中的衰减,包括:1)界面对超声应力波的衰减;2)铝合金骨架对超声应力波的衰减.同时,不 同形态的孔洞(通孔,闭孔)对超声应力波的衰减行为不同. 在通孔和闭孔泡沫铝合金中有大量的孔隙界面,使得超声应力波在其传播时发生反射和折 射,大量地消耗能量.比表面积越大,能量的消耗越大.铝合金骨架也对超声应力波有衰减作 用.通孔和闭孔泡沫铝合金由二维网络状铝合金骨架和孔隙中的气体所组成,二相极不均匀.当超 声应力波作用于这一极不均匀的结构时,由于金属骨架与第二相的动力模量的差别很大,在它们 之间产生一定的应变相位差,在两相的界面处产生内摩擦使机械能转化为热能,大量地消耗能量; 在超声应力波作用下,通孔和闭孔泡沫铝合金内部的宏观缺陷也引起应力与应变的不均匀,孔洞 发生膨胀和畸变产生膨胀能和畸变能,引起能量的损耗;同时,较高的表面能使位错振动或运动 受到阻碍,也消耗大量的能量. 通孔与闭孔泡沫铝合金对超声应力波的衰减行为不同,因为两类不同形态的孔洞对超声应 力波衰减的不同.闭孔泡沫铝合金中的孔为闭合状态,超声应力波作用在封闭孔洞的界面上,界 面对超声应力波产生几乎连续的反射,直至能量完全消耗;而通孔泡沫铝合金的孔是相互连通的, 界面不能对超声应力波产生连续的反射.即使两类泡沫铝合金的比表面积sv相同,闭孔泡沫铝 合金对超声应力波的衰减也比通孔泡沫铝合金大. 3结论 在1MHz~10MHz范围内球形孔通孔及闭孔泡沫铝合金超声衰减的本质为弹性范围内超声 应力波在具有大量孔隙界面的多孔介质中的衰减;通孔泡沫铝合金的超声衰减系数随着孔径 的减小,孔隙率的减小,比表面积的增加而增大;闭孔泡沫铝合金的超声衰减系数随着孔径的 减小,孔隙率的增加,比表面积的增加而增大;当孔径d,孔隙率近时,闭孔泡沫铝合金的超 声衰减性能优f通孔泡沫铝合金.其衰减机制为在弹性范围内超声应 力波在具有大量孔隙界面 的泡沫铝合金中的衰减. 参考文献 1M.F.Ashby,A.G.EvansMetalFoams:ADesignGuide,1stEdition(Boston,B—HPress,2000)p.23 412材料研究19卷 2 3 9 1O 11 12 13 14 L.JGibson,M.FAshby,CellularSolids,StructuresandProperities,Secondedition(London,Cambriadge UniversityPress,1999)P.175 J.Banhart,NormanA.Fleck,AndreasMortensen,CellularMetalsandMetalFoamingTechnology,1stEdi— tion,(Berlin,Germany,VerlagMetalInnovationTechnologieMIT,2003)P.23 M.F.Ashby.T.J.Lu,ScienceinChina(B),46(6),521(2003) YANGDonghui,HEDeping,ScienceinChina(B),44(4),411(2001) ZHENMirLgJon,HEDeping,DAIGe,ScienceinChina(B),45(18),598(2002) ZOUYi,HEDeping,JIANGJiaqiao,ScienceinChina(B),4v(5),407(2004) HEDeping,YUXingquan,ChineseJourn~ofMaterialsResearch,11(1),101(1997) (何德坪,余兴泉,材料研究,11(1),101(1997)) LIUChangsong,HANFusheng,ZHUZhengang,ActaPhysciaSinica,46(8),1585(1997) (刘长松,韩福生,朱震刚,物理,46(8),1585(1997)) J.Banhart,JBaumeister,M.Weber,MaterialsScienceandEngineering,A205,221(1996) RichardWeaver,Ultrasonics,36,435(1998) Q.Ji,L.H.Le,L.JFilipow,S.A.Jackson,Ultrasonics,36,759(1998) wUZhaojin,HEDeping,JournalofAppliedSciences,19(4),357(2001) (吴照金,何德坪,应用科学,19(4),357(2001)) ZHENGMingJun,HEDeping,ChineseJournalofMaterialResearch,16(5),474(2002) (郑明军,何德坪,材料研究,16(5),474(2002)) HEDeping,WANGYongjin,CHENCe,YANGDonghui,PreparationofPorousA1Alloy,CNl161486C 2004 (何德坪,王永进,陈策,杨东辉,多孔铝合金及其制备方法,CN1161486C,2004) CellA1AlloyFoam, HEDeping,ZHENGMingJon,PreparationofClosed— CNl161485C,2004 (何德坪,郑明军,闭孔泡沫铝合金的制备方法,CNl161485C,2004)