基于八面体模型理论的泡沫金属抗拉强度

Tensile strength of metallic foams based on octahedral model theory

摘要

基于八面体模型理论对多孔材料拉伸性能表征的初步工作，对泡沫金属抗拉强度的计算进行研究：一是将材料形式从网状孔隙结构拓展到胞状孔隙结构；二是将表征结果与最为认可的 Gibson-Ashby 模型理论进行比较分析。利用所得拉伸性能关系公式，探讨模型理论在泡沫金属抗拉强度计算中的实践应用。结果表明，八面体模型理论既适用于网状多孔材料，也适用于胞状多孔材料。八面体模型理论和 Gibson-Ashby 模型理论的性能关系表征都能较好地应用于计算泡沫金属抗拉强度，且八面体模型理论的计算效果更好。前者的理论计算偏差多小于 8%；后者的理论计算偏差多为 10% 左右。Gibson-Ashby 模型理论对网状多孔材料的计算偏差较大，接近 20%；对胞状多孔材料的计算偏差较小。

Abstract

Based on the preliminary work on tensile property characterization of porous materials from the octahedral model theory，the characterization of tensile strength for metallic foams is investigated. Firstly，the material form is extended from reticular pore structure to cellular pore structure. Secondly， the characterized results are compared and analyzed against the well-recognized Gibson-Ashby model theory. Using the derived tensile property characterization relationship，the practical application of the model theory in calculating the tensile strength of metallic foams is discussed. The results show that the octahedral model theory is applicable to both reticular porous materials and cellular porous materials. Both the octahedral model theory and the Gibson-Ashby model theory can be well applied to calculate the tensile strength of metallic foams，and the octahedral model theory achieves superior calculation performance. The theoretical calculation deviation for the former is mostly within 8%，while that for the latter is mostly around 10%. The Gibson-Ashby model theory yields a relatively large calculation deviation close to 20% for reticular porous material，whereas its deviation is smaller for cellular porous material.

关键词

多孔材料 / 泡沫金属 / 抗拉强度 / 理论计算

Key words

porous material / metallic foam / tensile strength / theoretical calculation

参考文献

[1] 刘培生. 多孔材料引论[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2] García—Moreno F. Commercial applications of metal foams：their properties and production[J].Materials，2016，9（2）：85.

[3] Cheng Y，Li Y X，Chen X，et al. Compressive properties and energy absorption of aluminum foams with a wide range of relative densities[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2018，27（8）：4016-4024.

[4] Atwater M A，Guevara L N，Darling K A，et al. Solid state porous metal production：a review of the capabilities，characteristics，and challenges[J].Advanced Engineering Materials，2018，20（7）：1700766.

[5] Wang L，Luo H J，Yang S J，et al. Compressive behavior and energy absorption analysis of casting skin—wrapped aluminum foams[J].Materials Today Communications，2023，36：106839.

[6] 薛新，葛绍祥，魏雨函，等. 基于分形理论的多孔材料设计及表征研究进展[J].材料工程，2026，54（5）：200-212.

[7] 戴志伟，吴亚东，朱伟健，等. 制备工艺对多孔 Ti6Al4V 微观结构和性能的影响[J].航空材料学报，2023，43（6）：36-43.

[8] 刘培生，梅乐夫，程伟. 多孔材料基础与应用[M].北京：化学工业出版社，2024.

[9] 苏淑兰，饶秋华，贺跃辉. 新型 Ti—Al 金属间化合物多孔材料的弹性模量表征[J].粉末冶金材料科学与工程，2012，17（6）：804-809.

[10] 桂满昌，吴洁君，袁广江，等. 泡沫 SiC 颗粒增强铝基复合材料的制备工艺和拉伸强度 [J].材料工程 ，2001（1）：26-27.

[11] 牛萍萍，刘瑛，曹萍. 粉末冶金制备建筑用多孔不锈钢组织和性能分析[J].粉末冶金工业，2020，30（3）：64-67.

[12] 刘培生，夏凤金，程伟. 多孔材料性能模型研究 2：实验验证[J].材料工程，2019，47（7）：35-49.

[13] 刘培生，程瑜扬，程伟，等. 泡沫镍/树脂多孔复合材料的压缩强度和比强度[J].材料工程，2025，53（3）：153-158.

[14] 刘培生，崔光，程伟. 多孔材料性能模型研究 1：数理关系[J].材料工程，2019，47（6）：42-62.

[15] 刘红，解茂昭，李科，等. 吹气发泡法制备闭孔泡沫铝发泡过程的三维数值模拟[J].过程工程学报，2007，7（5）：889-894.

[16] 刘培生. 关于多孔材料的新模型[J].材料研究学报，2006，20（1）：64-68.

[17] Yang Q C，Zhang M J，Liu P S. Macroscopic fracture behavior of nickel foam under tension[J].Multidiscipline Modeling in Materials and Structures，2016，12（1）：110-118.

[18] Liu P S. Tensile fracture behavior of foamed metallic materials[J].Materials Science and Engineering：A，2004，384（1/2）：352-354.

[19] Gibson L J，Ashby M F. Cellular Solids：structure and properties[M]. Cambridge：Cambridge University Press，1997.

[20] Ashby M F，Evans A，Fleck N A，et al. Metal foams：a design guide[M]. Oxford：Butterworth—Heinemann，2000.

[21] 刘培生，梁开明，顾守仁，等. 多孔金属抗拉强度公式中的指数项取值[J].力学学报，2001，33（6）：853-855.

[22] 刘培生，黄林国，梁开明，等. 关于三维网状高孔率材料抗拉强度公式中指数项的讨论[J].稀有金属，2002，26（3）：194-197.

[23] Madgule M，Sreenivasa C G，Borgaonkar A V，et al. Effect of influencing parameters on developing aluminum metal foam by using powder metallurgy technique with a foaming agent as a wax powder[J].Journal of Porous Materials，2023，30：1021-1036.

[24] 黄培云. 粉末冶金原理[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[25] Wang N Z，Chen X，Li A，et al. Three—point bending performance of a new aluminum foam composite structure[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2016，26（2）：359-368.

[26] Liu P S. Chapter 3 porous materials[M]//Materials Science Research Horizon. New York：Nova Science Publisher，2007.

基金资助

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