热暴露缠结金属丝材料的低速冲击响应、损伤演化与寿命外推

《Engineering Failure Analysis》：Low-velocity impact response, damage evolution and life extrapolation of thermally exposed entangled metallic wire material

　　

# 摘要（要点）

- 研究了热暴露后高密度EMWM的冲击退化行为。
- 热暴露改变了冲击载荷下的刚度演化与能量耗散行为。
- 重复冲击导致EMWM发生渐进式结构压实与性能退化。
- 表面化学演变、丝间磨损及局部塑性变形共同导致了损伤累积。
- 建立了基于Weibull分布的方法，用于在研究条件下进行基于模型的冲击寿命外推。

## 引言

随着航空航天、交通运输、海洋工程及重型设备领域对轻量化、高可靠性防护系统需求的不断增长，能够有效耗散瞬态冲击能量的抗冲击材料引起了广泛关注[1,2]。多孔金属材料（包括金属泡沫、蜂窝结构及其他细胞类金属）因其低密度、高比强度及优异的能量吸收能力，已被广泛研究作为能量吸收材料[3,4]。

在众多多孔金属材料中，**纠缠金属丝材料（EMWM）**因其独特的随机纠缠丝网结构及优异的环境适应性而日益受到关注[5,6]。与孔隙结构相对规整的传统细胞金属不同，EMWM表现出高度非线性的力学响应，这是丝变形、丝间接触、摩擦滑动及结构重排共同作用的结果[7]。这些特性使EMWM兼具承载能力与能量耗散能力，适用于振动隔离、冲击缓冲及过载保护部件等应用[8]。近期研究进一步将EMWM研究拓展至特殊材料体系及更严苛的载荷条件。例如，Liu等人[9]表明在100 °C以上形状记忆合金EMWM（SMA-EMWM）具有高可恢复应变与良好的透气性；而Feng等人[10]则在50–450 s?1应变率范围内表征了常规EMWM的变形与力学响应。这些研究展现了纠缠丝网结构对不同材料体系及载荷环境的适应性，同时也突显了其在构件性能与载荷条件下的强依赖性。

先前研究表明，纯EMWM在低应变率冲击载荷下表现出显著的非线性响应及相当的能量耗散能力[11]。其冲击响应强烈依赖于结构参数与载荷条件；特别是，相对密度的增加通常会提高承载能力与冲击峰值力，同时降低最大变形量。相关的能量耗散主要归因于纠缠丝网网络内部的摩擦滑动、反复接触交互及不可逆变形[12,13]。近期，Zheng等人[14]将该概念拓展至EMWM-硅橡胶复合材料，并证明基体密度与冲击速度显著影响抗冲击性与能量吸收。这些发现确立了纠缠丝网结构在低应变率冲击防护中的潜力；然而，多数研究聚焦于单一环境条件下的初始冲击响应，对环境诱导的后续重复冲击退化行为关注有限。

除冲击性能外，EMWM在不同加载模式下的非线性力学与阻尼特性也得到了广泛研究。Cai等人[15]系统表征了其在压缩、拉伸与剪切下的阻尼行为；近期研究[16]证明，构成丝的力学性能（包括强度、硬度与延伸率）显著影响金属橡胶的压缩与疲劳行为。这些研究一致表明，EMWM的宏观力学与阻尼响应与构成丝的性质以及丝间复杂接触、摩擦与滑动过程的演化密切相关[17]。因此，其长期性能退化问题日益受到关注。Ma等人[18]观察到循环压缩过程中存在尺寸收缩、刚度演化及能量耗散能力的渐进式退化，并建立了参数退化型寿命模型。然而，循环压缩在加载速率、接触演化与损伤累积方面与重复冲击存在本质差异，此类退化特性对冲击载荷下EMWM的适用性仍有待建立。

热暴露或热处理可显著改变多孔金属材料的微观结构及其后续力学响应。Shajari等人[19]研究了410 °C热处理后的开孔镍泡沫，发现所得微观结构变化提高了屈服强度并显著增强了能量吸收密度，证明热处理可改变多孔金属的承载与能量耗散能力。相反，Yu等人[20]报告指出，增材制造多孔Ti-6Al-4 V的后热处理促进了初始α′马氏体结构向α+β微观结构的转变。随处理温度升高，压缩强度与屈服强度降低，而延展性与能量吸收效率有所改善。近期，Kunac等人[21]研究了热处理EN AW 7075铝合金泡沫与块体材料，证明热处理参数显著影响多孔结构及其构成材料的微观结构与显微硬度。这些研究共同表明，热处理可通过改变金属构成材料的固有性能与微观结构来改变多孔金属材料的力学行为，但强度与能量吸收所得的变化强烈依赖于材料体系与热处理条件。然而，与传统细胞金属不同，EMWM的宏观响应不仅取决于构成金属的性质，还取决于众多丝间接触面的演化。因此，热暴露可能同时改变丝级力学性能与纠缠结构后续由接触介导的响应。

与材料退化的实验研究同步，基于损伤的疲劳寿命建模被日益用于量化循环载荷下的渐进性能劣化。近期非线性累积损伤模型引入了残余强度退化与载荷顺序效应，以改进超越传统线性损伤累积的寿命评估[22,23]。基于Weibull的公式化方法也被引入以考虑疲劳损伤与寿命的固有变异性，实现损伤演化与剩余寿命分布的概率化表征[24,25]。这些进展表明，可测量的性能退化可为构造损伤变量与评估疲劳寿命演化提供有效依据。然而，对承受重复冲击载荷的EMWM而言，损伤主要由渐进式结构压实、丝间接触演化及能量耗散退化主导，而非传统的裂纹主导型疲劳失效。因此，需要特定条件下的损伤演化框架来表征重复冲击退化并支持EMWM基于模型的寿命外推。

已有研究系统揭示了低密度、高孔隙率EMWM在静态、振动及低应变率冲击条件下的力学行为，其中能量耗散主要与丝间摩擦滑动相关，在高孔隙率构型中还涉及孔隙内空气阻尼[26]。然而，用于软停结构中的高密度、低孔隙率薄板EMWM含有更密集的接触网络与更受限制的变形空间，可能导致不同于传统低密度EMWM的冲击与能量耗散特性。先前的热暴露还可能进一步改变构成丝的力学性能与表面状态，从而影响后续冲击载荷下的丝间接触、载荷传递与不可逆变形[27,28]。然而，这些热诱导变化如何影响高密度薄板EMWM的重复冲击退化尚未得到充分阐明。

为弥补这些研究空白，本研究采用**热-冲击分离方法**，研究先前热暴露如何改变EMWM后续的冲击响应与退化行为。对未处理与热暴露试样进行了系统的单次及重复冲击试验。另进行丝级拉伸试验，以量化热暴露后构成金属丝的力学性能变化。结合SEM与EDS表征，将宏观冲击响应与丝性能及微观结构演化的热诱导变化相关联。此外，引入了基于Weibull的损伤演化方法，为重复冲击载荷下提供特定条件下的基于模型寿命外推方法。所研究的冲击条件代表了EMWM在软停振动隔离部件中的应用的简化服役场景，而所提出的寿命外推方法的适用性局限于类似的材料构型、热暴露历史与载荷条件。

## 章节片段

### EMWM试样制备

金属丝相互交织形成EMWM的三维互穿结构，制造过程可概括为五步流程。（i）直径为0.3 mm的金属丝（304）通过专用卷绕机（图1a（XK-8208：CHINA））扭曲成紧密螺旋线圈。（ii）通过数控毛纠缠设备以恒定螺距拉伸螺旋线圈。重要的是，螺距一般等于螺旋线圈的直径……

### 力-位移响应特性

在1.00、1.25、1.50、1.75及2.00 m/s五种冲击速度下，对同一试样依次进行冲击试验，以比较EMWM与HT-EMWM在不同冲击能量条件下的冲击响应特性。为确保重复冲击试验之间的一致比较，试样在相同的预定热暴露条件下测试。相应力-位移响应见图4。因此，冲击响应变化……

## 4. 结论

本研究系统研究了EMWM与HT-EMWM的低应变率冲击响应与损伤演化行为。主要结论如下：

（1）采用热-冲击分离方法研究了350 °C热暴露后EMWM的低应变率冲击行为。结果表明，热暴露后EMWM仍保留显著的非线性冲击响应，且力-位移曲线整体形状与观察到的……

## CRediT作者贡献声明

Zhiqiang Rao：论文原稿撰写、可视化、方法、调查、形式分析、数据整理、概念构思。
Qihang Dai：验证、调查。
Zuochao Yang：论文原稿撰写、数据整理。
Pengfei Lin：论文审阅与编辑、数据整理。
Yiwan Wu：论文审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

## 利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

## 致谢

作者感谢国家自然科学基金委-NSAF（批准号：U2330202）为本研究实验提供资金支持。

Zhiqiang Rao | Qihang Dai | Zuochao Yang | Pengfei Lin | Yiwan Wu