结构尺寸对多孔Ti6Al4V力学性能的影响

采用激光选区熔化技术制造了不同单元结构尺寸(1～6 mm)、孔隙率(40%～80%)的拓扑优化多孔阵列结构,研究了单元结构尺寸对其压缩形变规律和弹性性能的影响。结果表明,多孔阵列结构的抗压强度、弹性模量均与单元结构尺寸成反比,抗压强度在126～199 MPa,弹性模量在3.5～55.47 GPa;压缩应力-应变曲线与单元结构尺寸有关,分别遵循弹性、弹脆性和脆性多孔材料3种应力应变规律;通过数值模拟多孔阵列结构的压缩形变过程,解释了2种45°断裂带的成因,力学性能与实验结果基本吻合;利用Gibson-Ashby模型评价多孔结构的稳定性,稳定性参数C与单元结构尺寸成反比;给出Gibson-Ashby拟合方程,特征参数n随单元结构尺寸增加而增大;建立了单元结构尺寸、相对密度和相对弹性模量的三维曲面数学模型,提出骨植入体的设计区域。     

中孔隙率通孔多孔铝合金的压缩性能研究

在采用复模铸造工艺制备孔径3.5~4.0 mm、孔隙率65.8%~87.3%的通孔多孔铝合金基础上,通过单轴压缩试验,研究通孔多孔铝合金的压缩性能和吸能能力。通孔多孔铝合金单轴压缩应力应变曲线,呈现线弹性变形、塑性平台段和压缩紧实阶段3个阶段。通孔泡沫铝合金的压缩屈服强度、吸能能力随孔隙率增大而减小,通孔多孔铝合金的压缩屈服强度与Gibson-Ashby的模型拟合结果吻合。     

通孔多孔铝的压缩性能研究

在采用复模铸造工艺制备孔径d=2.5~3.50 mm,孔隙率P=56.8%~86.1%通孔多孔铝的基础上,通过单轴压缩试验,研究了通孔多孔铝的压缩性能和吸能能力。通孔多孔铝单轴压缩应力-应变曲线,呈现线弹性变形、平缓塑性变形和压缩紧实3个阶段。通孔泡沫铝的压缩屈服强度、吸能能力随孔隙率增大而减小,采用Gibson-Ashby的模型拟合通孔多孔铝的压缩屈服强度。     

塑性中孔隙率通孔多孔铝的压缩性能研究

在采用熔模铸造工艺制备孔径d=2.5~3.5mm和d=3.8~4.3mm,孔隙率P=56.8%~86.6%的通孔多孔铝基础上,通过单轴压缩试验,研究通孔多孔铝的压缩性能和吸能能力。通孔多孔铝单轴压缩应力应变曲线,呈现线弹性变形、塑性平台段、压缩紧实阶段3个阶段;通孔泡沫铝的压缩屈服强度、吸能能力随着孔隙率增大而减小,采用Gibson-Ashby的模型拟合通孔多孔铝的压缩屈服强度。     

FeAl金属间化合物多孔材料压缩力学性能

针对本课题组采用元素混合粉偏扩散-反应合成-粉末烧结方法制备的Fe-40at%Al金属间化合物多孔材料,采用单轴压缩实验研究其压缩应力-应变曲线特征以及孔隙率对其力学性能的影响规律,并通过扫描电镜实验揭示其微观断裂机理。结果表明:FeAl多孔材料的压缩应力-应变曲线可分为弹性、屈服、强化和破坏4个阶段,其中较大孔隙率的FeAl多孔材料表现出明显的非线性弹性特征;随着孔隙率的增大,其压缩屈服极限变化不大,而弹性模量和抗压强度显著降低;其断口特征宏观上表现为脆性断裂,微观上为微观沿晶断裂。比较FeAl多孔材料的理论值E*和实测值E可知,非均匀Plateau多孔结构细观力学模型不适合高密度多孔材料,但可以较好地预测中密度多孔材料的弹性模量。     

FeAl金属间化合物多孔材料压缩力学性能研究

针对本课题组采用元素混合粉偏扩散-反应合成-粉末烧结方法制备的Fe-40at%Al金属间化合物多孔材料,采用单轴压缩实验研究其压缩应力-应变曲线特征以及孔隙率对其力学性能的影响规律,并通过扫描电镜实验揭示其微观断裂机理。结果表明：FeA1多孔材料的压缩应力-应变曲线可分为弹性、屈服、强化和破坏四个阶段,其中较大孔隙率的FeAl多孔材料表现出明显的非线性弹性特征;随着孔隙率的增大,其压缩屈服极限变化不大,而弹性模量和抗压强度显著降低;其断口特征宏观上表现为脆性断裂,微观上为微观沿晶断裂。比较FeAl多孔材料的理论值E_*和实测值E可知,非均匀Plateau多孔结构细观力学模型不适合高密度多孔材料,但可以较好地预测中密度多孔材料的弹性模量。     

激光增材制造Ti6Al4V点阵结构的抗压吸能特性

人体骨骼受到碰撞后的断裂过程伴随着能量吸收,多孔骨植入体的设计需考虑结构的抗压吸能特性。在空间尺寸(20 mm×20 mm×30 mm)内,通过拓扑优化设计和激光增材制造技术制备不同胞元尺寸和相对密度的Ti6Al4V点阵结构,采用熔池监控、单向压缩实验和有限元仿真方法,探究了点阵结构的表面质量、断裂形变规律和吸能特性。结果表明,点阵结构的结构参数受熔池温度场和粉末支持力的影响;点阵结构的抗压行为遵循弹脆性变化规律,断裂带与制造方向呈45度;点阵结构的断裂机制为韧性断裂,裂纹沿内部微孔洞分布方向扩展;能量吸收能力与相对密度成正比关系,与胞元尺寸成反比;能量吸收效率与相对密度成反比,与胞元尺寸均成正比关系。     

闭孔泡沫Zn-22Al在单轴准静态加载下的压缩行为(英文)

通过使用氢化物发泡剂,采用熔体发泡法制备闭孔泡沫Zn-Al合金,在准静态条件下研究其压缩性能。在压缩试样过程中,分析发泡材料的结构,并研究其形态和压缩性能之间的关系。结果表明,应力-应变行为具有典型的闭孔泡沫金属和脆性泡沫金属的特征;在平稳阶段的控制变形机制是脆性破碎;泡沫Zn-22Al合金的抗压强度得到了显著提高,其压缩性能符合Gibson-Ashby模型     

立方孔拓扑结构对多孔钛力学性能的影响

采用钛网层叠烧结的方法制备出规则排列与错孔排列具备不同空间拓扑结构的多孔钛。采用扫描电镜观察多孔钛的微观结构,利用具有双差动位移传感器采集变形的Instron力学试验机测试样品压缩应力-应变曲线。通过压缩应力-应变曲线上弹性阶段中的曲线斜率求得其杨氏模量,以规定非比例压缩强度σ0.2为多孔材料的强度指标。经对比研究发现:2种不同的排列方式形成不同的空间拓扑结构。当方形孔错排时,弹性模量和屈服强度均呈现不同程度的下降,且弹性模量下降的幅度远远大于屈服强度下降的幅度。通过力学解析模型分析可知,挠度屈服和应力集中是力学性能下降的主要因素。     

高比强多孔铝合金中空层合圆管的压缩性能

研制了高比强多孔铝合金中空层合圆管,测试了层合圆管的压缩应力-应变曲线,并研究了其性能.结果表明:层合圆管的压缩形变过程经历3个阶段,即线弹性阶段、屈服平台阶段和紧实阶段;紧实应变可用多孔铝合金的紧实应变表示;由应力-应变曲线计算出层合圆管的能量吸收性能,发现其吸收能量超过铝合金空管和中空多孔铝合金吸收能量之和;同时其吸能效率高于60%.     

选区激光熔化制备多孔结构的成形偏差及力学性能与压缩失效分析

因多孔结构轻质高强度、力学性能可调节的特点，被广泛用于骨骼医疗、航空航天等领域. 为了探索多孔结构选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形误差与压缩失效性能，以钻石型晶格和六孔开口球形两种多孔结构为例，采用理论预测与试验测试研究SLM制造多孔结构的压缩力学行为，使用ANSYS软件对所研究的多孔结构进行准静态压缩模拟，并对SLM成形的多孔结构进行单轴压缩试验，最后结合仿真和试验，观测和分析它们的变形过程和失效机制. 对比后发现数值设计的多孔结构尺寸与最终制造的结构存在偏差，导致力学性能理论值与试验值存在一定差异，但应力应变场变化规律一致. 试验结果表明，在孔隙率50% ~ 80%时，钻石型晶格结构屈服强度为31.85 ~ 182.13 MPa，弹性模量为1.45 ~ 2.30 GPa；六孔开口球形结构屈服强度为35.19 ~ 130.64 MPa，弹性模量为1.59 ~ 2.90 GPa，不同多孔结构随孔隙率的增大，力学性能变化趋势不一致.     

不同孔径分布多孔钛的力学性能

从生物学角度出发设计并制备2种不同孔径分布的多孔钛,并研究其力学性能。采用造孔剂烧结方法制备孔隙率为36%~63%的多孔钛,通过室温压缩测试其力学性能。多孔钛的弹性模量和抗压强度分别在2.662~18 GPa和94.05~468.57 MPa范围内,且都随着孔隙率的增加而降低。抗压强度和孔隙率的关系曲线呈现完全的线性特征,表明抗压强度主要受孔隙率的影响,几乎不受孔径的影响。Gibson-Ashby力学关系分析结果显示：常数项C值的差异说明孔径分布对多孔钛的屈服强度有一定的影响;密度指数n值均大于临界值3,表明这2种不同孔径的多孔钛的变形方式相同,为孔壁的屈曲作用。     

纳米级铱单晶不同温度拉伸的分子动力学解析

针对面心立方金属铱单晶独特的韧脆变形特征,采用分子动力学方法研究了纳观尺度下的铱单晶在不同温度下的拉伸变形行为。通过分析不同温度拉伸过程中的应力应变关系,势能变化和原子构型图,认为随着温度的上升,纳米级铱单晶沿[100]晶向的弹性模量逐渐下降,抗拉强度也逐渐降低。温度为300 K时拉伸变形过程中在晶体内仅有少量空位和位错产生,600和800 K拉伸变形过程中在晶体内有滑移,位错和空位产生。     

钛合金变形Gyroid单元多孔结构设计与分析

三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces,TPMS)多孔结构研究广泛,但变形TPMS多孔结构研究较少,而变形TPMS多孔结构在一定方向上的力学性能存在潜在优势。研究Gyroid单元多孔结构的参数化设计方法,采用选择性激光熔融成型技术(Selective Laser Melting,SLM)制备出孔隙率为60%和75%的常规和变形Gyroid单元多孔钛合金样件。通过Micro-CT观察样件的形貌特征,内部连通性良好,未发现有明显的结构断裂和孔隙堵塞。采用Instron电子万能材料试验机进行力学压缩试验,结果表明：孔隙率为60%的变形Gyroid单元多孔结构的抗压强度相比常规Gyroid单元多孔结构增加49.3%,弹性模量增加63.5%;孔隙率为75%时抗压强度增加40.5%,弹性模量增加70.5%。研究结果表明,在相同孔隙率的情况下,长轴在压缩方向上的变形Gyroid单元结构具有更优的力学性能。     

A Comparative Study on the Mechanical Behavior of Porous Titanium and NiTi Produced by a Space Holder Technique

NiTi and Ti porous specimens with appropriate pore characteristics for biomedical applications are produced by space holder method. Porosities of the specimens linearly increase from 14 to 65 and 42 to 70% for the Ti and NiTi specimens, respectively, with the urea space holder. Mechanical properties such as stiffness, fracture strain, and strength of the porous NiTi and Ti are adjustable with pore characteristics. The apparent elasticity modulus of NiTi specimens decrease from 3.5 to 0.73 GPa as porosity increases. Since the initial linear part of the stress-strain curve consists of elastic behavior, formation of stress-induced martensite, deformation and/or detwinning of martensite variants, and plastic deformation, the unloading slope of stress-strain curves is a better approximation for the elasticity modulus of the NiTi porous specimens as it is proved by an isotropic cubic cell model. The unloading slope of the NiTi specimen with 61% porosity is 3.1 GPa, while the apparent elasticity or loading slope is 0.85 GPa. In comparison to Ti, the high, recoverable strain of NiTi improves capability of it as a good candidate for bone replacement. Moreover, in contrast to Ti specimens, hysteresis loops are clearly observed in the stress-strain curves of NiTi specimens.     

Cell-structure and mechanical properties of closed-cell aluminum foam

1　INTRODUCTIONMetalfoamsexhibitunusualmechanical,ther mal,acoustic ,damping ,electricalandchemicalprop ertiesthatcannotbefoundinsolidmaterials .Thosespecialpropertiesmayleadtoavarietyofapplicationsinstructuralandfunctionalproducts.Closed cellalu minumfoamisalight massstructuralmaterialofgreatpromise .Itsdensityisonlyafractionofthatofthecorrespondingbulkmetal,butitsstrengthissuf ficientlyhightobeusedintheautomobileindustry ,buildingindustryandtransportation .Examplesoftheirapplicationsinc…     

晶向对单晶钨纳米线拉伸力学性能的影响

采用金属催化的气相合成法制备高纯度单晶钨纳米线材料,采用分子动力学方法进行拉伸模拟计算,分析〈100〉、〈110〉、〈111〉3种典型晶向下单晶钨纳米线的拉伸应力-应变曲线及其微观变形结构,揭示晶向对单晶钨纳米线拉伸破坏机理的影响。结果表明：3种晶向均具有弹性、损伤、屈服、破坏等4个阶段,其中〈100〉晶向还具有独特的屈服后强化阶段和两次应力突降阶段。晶向对单晶钨纳米线弹性模量的影响较小,对抗拉强度、屈服强度和延展性的影响较大,主要取决于不同的原子表面能和主滑移面。计算得到的单晶钨纳米线的弹性模量值与实测结果吻合较好。     

Dislocation dynamics in Al0.1CoCrFeNi high-entropy alloy under tensile loading

The deformation mechanisms in a single phase face-entered cubic high-entropy alloy, Al_0.1CoCrFeNi, under tensile loading are investigated using classical molecular simulations. Our atomistic model employed for quasi-statically straining the alloy is validated against the predictions of lattice structure, pair-correlations and material density. The Young's modulus determined from the linear stress-strain profile in the elastic regime concurs with previous experimental reports. During plastic deformation, we find that dislocation nucleation and mobility plays a pivotal role in initially triggering twin boundaries followed by the generation of intrinsic and extrinsic stacking faults in the alloy. At room temperature, we find dislocation annihilation contributes to the shear resistance of the alloy effecting a serration laden plastic flow of stress as uniaxial strain is increased.     

金属纳米杆弹性模量的直接原子计算

用直接原子计算（分子动力学）的方法来模拟金属纳米杆的拉伸实验，得到纳米杆单向拉伸屈服前的真应力－－应变曲线，金属单晶纳米杆屈服前的最大弹性应变约为0．11，应力应变关系表现为非线性弹性，拉伸模量随应变增大而提高，表现为明显的“应变刚化”行为。分析了产生这一现象的原因，主要是尺寸微小，内部无缺陷，弹性变形机理为晶格常数变化，而原子间相互作用势函数导数为增函数。小尺寸和表面效应也是导致纳米杆应变刚化的原因。     

Preparation and properties of open-cell zinc foams as human bone substitute material

Foamed zinc was prepared by infiltration casting process. The mechanical properties and corrosion resistance of the samples were studied, and the feasibility of the foamed zinc as a bone implant material was discussed. All the compression stress-strain curves of open-cell zinc foams with various cell size(1-4 mm) and porosity(55%-67%) show three stages: elastic stage, plastic stage, and densification stage. The compression strength increases with decreasing density. The smooth stress-strain response indicates a progressively deformation of open-cell zinc foam. In addition, the cell wall or edge bending and fracture are the dominated mechanisms for failure of open cell zinc foam. The immersion test for determining the corrosion rate of open cell zinc foam was conducted in simulated body fluid. It was found that zinc foam with a small cell size and high porosity showed a higher corrosion rate. In addition, open-cell zinc foams can effectively induce Ca-P deposition in immersion tests, showing good bioactivity. Therefore, the open cell zinc foam prepared in this experiment has a good potential application as a human bone substitute material.