מחקר על דחיסה מכניקה פלסטיק של חומרי מתכת קצף

עם התפתחות הכלכלה והתקדמות החברה, הטכנולוגיה התעשייתית התפתחה במהירות. פיתוח חומרים מרוכבים וחקר חומרים חדשים הם נושאים חשובים בתחום התעשייתי של ימינו. כסוג חדש של חומר, בהשוואה לחומרי מתכת מסורתיים וחומרים פולימריים נקבוביים, קצף מתכת לא רק יש את המאפיינים של חומרים פונקציונליים, אלא גם לוקח בחשבון את המאפיינים של חומרים מבניים. יש לו יתרונות ברורים וסיכויי פיתוח רחבים. כיום, חומרי מתכת מוקצפים יושמו בתחומים רבים כגון תעשיית הרכב, ענף הבנייה ותחום התעופה, והפכו לאחד מנושאי המחקר המרכזיים בתחום החומרים החדשים.

1. מאפיינים של קצף מתכת

חומר קצף יש שלד מתכת ונקבוביות. בהשוואה לחומרי מתכת מסורתיים, יש לו תכונות בסיסיות כגון ריתוך מתכת מסורתי ויש לו גם מספר רב של נקבוביות פנימיות. דווקא בגלל קיומם של נקבוביות פנימיות אלה כי מתכת קצף יש יתרונות משלה.

1.1 חדיר

כי קצף המתכת יש מספר רב של נקבוביות, אבל מספר התאים הסגורים גם תופס חלק גדול, כי רק את המבנה דרך נקבוביות יש חדירות, ולכן הנקבוביות הסגורות יש השפעה רבה על חדירות. יחד עם זאת, החדירות קשורה גם לגודל גודל הנקבוביות ואת המאפיינים של חלחול.

1.2 הפחתת רעשים וספיגת זעזועים

מבנה חור המעבר הקיים בקצף המתכת יכול להמיר גלי קול נכנסים ותנודות לאנרגיית חום ולפיג אותו. הביצועים של הפחתת רעש וספיגת זעזועים קשורים ישירות לגובה נקבוביות שלה ואת גודל הקוטר שלה. יחד עם זאת, מתכת קצף הוא עמיד יותר מאשר אזבסט וחומרים אחרים, ויש לו כוח גבוה יותר ופיגור בעירה טוב יותר.

1.3 מוליכות תרמית

המוליכות התרמית של קצף מתכת טובה יותר מזו של חומרי מתכת ונמוכה מזו של חומרי בידוד תרמיים, והמוליכות התרמית שלה קשורה ישירות לנקבוביות שלה. למבנה התא הסגור יש ביצועי בידוד תרמיים טובים יותר מאשר מבנה חור המעבר. בתנאים קונבקטיביים, הגדלת הנקבוביות והרחבת גודל הנקבוביות יכולים לשפר את יכולת העברת החום הקונבקטיבית.

1.4 נכסים חשמליים

בגלל מבנה הנקבוביות, השיכוך טוב מאוד. אם הפולימר המולקולרי הגבוה מלא בנקבוביות, ניתן לשפר ביעילות את מאפייני השיכוך. עבור קצף מתכת, תכונות שיכוך קשורים ישירות לגודל של שטח הפנים.

2. צורה מבנית של חומרי קצף מתכת

כאשר אנשים לומדים ומשתמשים בחומרים מבניים, עליהם לשקול תחילה את התכונות המכניות של חומרים. לכן, תכונות מכניות הן פרמטר חשוב להערכת ביצועי חומרים. על מנת לערוך מחקר מעמיק על התכונות המכניות של החומר עצמו, על בני האדם להבין תחילה את המבנה והמורפולוגיה של החומר.

הגוף העיקרי של חומר קצף המתכת הוא שלד המתכת והנקבוביות, והנקבוביות כוללות שני סוגים של חורי דרך ותאים סגורים. מבנה חור המעבר נקרא גם תא פתוח, כלומר, חור אוויר יחיד בתוך מתכת הקצף פתוח, ואת חורי האוויר מחוברים זה לזה. הנקבוביות של מבנה התא הסגור סגורות ובלתי תלויות זו בזו, ומופרדות ממתכת האב. יש לציין כי תאים סגורים ותאים פתוחים מתקיימים יחד ברוב מבני התוכן קצף מתכת.

מבנה התמיכה של מתכת מדרון ניתן לחלק לקירות חור, צלעות ומפרקים. במבנה התא הפתוח, הנקבוביות מחוברות זו לזו, וקירות הנקבוביות המבודדים אינם שלמים, בעוד מבנה התא הסגור מבודד את הנקבוביות על ידי דופן הנקבוביות המלאה. כאשר קיר הנקבוביות דק בהרבה מזה של הצלע, ההשפעה של דופן הנקבוביות על התכונות המכניות הכוללות של חומר קצף המתכת חלשה מאוד, וניתן להתייחס אליה כאל מבנה תא פתוח מעין.

3. תכונות מכניות דחיסה של חומרי מתכת מוקצפים

3.1 אופן פעולה של דחיסה סטטית

עקומת מאמץ הלחץ של חומר קצף המתכת מחולקת לשלושה שלבים (ראו איור 1): השלב הראשון הוא שלב העיוות האלסטי, השלב השני הוא שלב רמת התשואה, והשלב השלישי הוא שלב דחיסת הקריסה. בהתחלה, המתח הוא קטן, ואת מרכוז מתח הלחץ הוא גמישות ליניארית; אז המתח ממשיך להגדיל, ואת הלחץ הוא בשלב הרמה, כמעט במצב של שינוי מתמיד או קטן, ולבסוף, עם שחול מתמשך של החורים הפנימיים של חומר מתכת קצף לחוץ יחד, החומר נמצא במצב דחוס עם עלייה מהירה בלחץ. תחת פעולה של כוח דחיסה, מנגנון העיוות של חומר מתכת קצף הוא בעיקר כיפוף של פריזמה וכיפוף ומתיחה של סרט קיר החור. עם זאת, כמה חורים בחומר חלשים בעצמם. כאשר המתח מרוכז במיקום מקומי, החורים החלשים במקור נמחצים תחילה תחת פעולת ההבלטה, ולאחר מכן החורים הסמוכים מונעים להמשיך להימחץ, ויוצרים שידור רציף. המצב הוביל בסופו של דבר ליצירת "אזור העיוות". עם התרחבות מתמשכת של "אזור העיוות", כאשר ההתרחבות וההעברה של מתח הכישלון משפיעים על החומר כולו, הוא בא לידי ביטוי כמו החומר כולו נמחץ. ניתן לראות כי עיוות פלסטיק דחיסה של חומר קצף מתכת נהרס ברציפות על ידי העברה שכבה אחר שכבה.

התוצאות הניסיוניות מראות כי כאשר חומר קצף המתכת נתון לכוח הדחיסה, שלב העיוות האלסטי קצר מאוד, וכאשר המתח מגיע ל -2%, הוא ייכנס לתקופת רמת התשואה, כלומר, עבור חומר קצף המתכת, מתח התשואה הדחוסה ומתח רמת התשואה שווים.

אופן פעולה של דחיסה דינאמית 3.2

תכונות סופגות זעזועים של קצף מתכת להפוך אותו חומר טוב סופג זעזועים ואגירה בשימוש במקרים רבים. חקר התכונות המכניות של קצף מתכת תחת עומס דחיסה דינמי הוא נושא חם בתחום של חומרים חדשים. בהשוואה למאפיינים המכניים תחת עומסי דחיסה סטטיים, המאפיינים המכניים של עומסי דחיסה דינמיים מורכבים יותר. דחיסה דינמית צריכה לשקול באופן מלא סדרה של אפקטים דינמיים, כולל אפקטים אינרציאליים ואפקטים של קצב המתח. על פי מנגנון העיוות הדחוס של חומר המתכת מוקצף, כוח התשואה של החומר משתפר כאשר קצב המתח גבוה יותר. תחת מצב של עומס דחיסה סטטי, חומר קצף המתכת עובר עיוות דחיסה שכבה אחר שכבה, ושכבה אחת של קירות נקבוביות עוברת עיוות כיפוף, כלומר, השלב הראשון של עיוות פלסטיק לקריסת השכבה השנייה של הנקבוביות. תחת הפעולה, הוא מכווץ שכבה אחר שכבה עד שכל הנקבוביות כפופות ונדחסות במידה צפופה. תהליך עיוות זה אינו אחיד ואינו יציב בחלק מסוים. ואז במצב של עומס דחיסה דינמי, הלחץ עולה ואת חיזוק החומר מושפע בעיקר על ידי שני גורמים. האחת היא שעם העלייה המתמשכת של מהירות הפגיעה, הנקבוביות על משטח הפגיעה נדחסות בצורה הדוקה יותר, כך שמתח התשואה עולה ברציפות. השני הוא שלדחיסה דינמית יש תכונת לוקליזציה בולטת, מה שהופך את קצב המתח של אזור עיוות הפלסטיק הדחיסה להגדיל, ואת ההשפעה של מיקרו-אינרציה גורמת לשיפור של מצבים סימטריים אסימטריים של עיוות.