泡沫金属材料是一种功能与结构一体化的新型工程材料，不仅轻质、高强、防火和防震，还具有比实体金属更低的电导性、更高的隔热性能、隔音性能、阻尼以及吸能减震性能^[1~4]。泡沫金属材料独特的结构特性、物理和力学性能，使其在消声、减震、过滤分离、催化载体、吸能缓冲、生物医疗等高技术领域受到极大的关注^[5~9]。除了上述特性，泡沫钢还具有比泡沫铝高得多的强韧性、抗冲击吸能性和耐高温性。泡沫钢还能与钢结构共容，作为减震吸能结构件在汽车制造、交通运输、船舶制造、航空航天、高层建筑等领域有广阔的应用前景^[10~14]。

但是，目前泡沫钢有制备工艺复杂、成本高、重复率低等不足，使其在轻型吸能构件方面的应用受到限制。目前制备泡沫钢的主要方法，有渗流铸造法和粉末冶金烧结法。粉末冶金烧结法是最常用的方法，用渗流铸造法对预制件的要求高且渗流后难以去除预制体^[15]。已经制备的泡沫钢有：用浸浆烧结工艺制备的多孔316不锈钢^[16]；用聚合物泡沫浸渍法制备的304不锈钢泡沫^[17]；用松装粉末冶金工艺制备的316不锈钢开孔泡沫^[18]；用3D打印制备的316不锈钢多孔材料^[19]；用碳酸氢铵和碳酰胺为造孔剂，通过粉末压坯、水洗去除造孔剂、烧结工艺制备的泡沫 316不锈钢^[20~23]；用氯化钙为造孔剂，用粉末烧结+水解工艺制造高孔隙率制备的的泡沫316不锈钢^[24]。粉末冶金烧结-溶解法是一种成本较低、工艺简单且重复性较好的方法。粉末冶金烧结-溶解法通过调节造孔剂的含量和尺寸可控制孔隙率和孔径，通过控制造孔剂的分布和形状可控制孔的分布和孔形貌。用粉末冶金烧结-溶解法制备的泡沫钢孔结构均匀、孔隙率高、材料利用率高。

目前奥氏体不锈钢多孔材料常作为冶金、石油化工业中使用的一种过滤材料，研究的热点是300(Fe-Cr-Ni)系奥氏体不锈钢的耐高温性能和在强酸碱环境中的耐腐蚀性。300系奥氏体不锈钢的Ni含量高，不适合用于制造用量大的构件。而400系铁素体不锈钢的价格较低、热膨胀系数小、耐氯化物应力腐蚀性优于300系列不锈钢，在大气环境、淡水及硝酸的氧化性介质中其耐腐蚀性能与300系不锈钢相当，因此在大气和海洋环境下其性价比比较高，在制造轻型吸能构件方面有潜在的应用价值。但是，目前对400系铁素体不锈钢多孔材料的研究报道较少。文献[25]只研究了430L泡沫钢的制备及吸能性能，对400系铁素体不锈钢多孔材料的组织性能及工艺-组织-性能关系缺少系统的理论研究。本文采用粉末冶金烧结溶解法制备不同孔隙率的410L和430L泡沫钢，分析比较其组织和性能。

泡沫钢的原材料是用雾化法生产的410L和430L不锈钢粉，粒径为38 μm，松装密度为2.5~3.0 g/cm³，其成分列于表1。造孔剂是无水CaCl₂，粘结剂是纯度为99.9%的无水乙醇，保护气氛是纯度为99.99%的氩气。

按配料比计算所需不锈钢粉和造孔剂的质量，称量后将其放入混料机充分混合并在混料过程中添加约占总量1%~3%的无水乙醇。将混合均匀的粉料置于压坯模具(内径为35 mm)中，使用单向加载液压机(JYE-2008)压坯，根据不同的配料比保压适当的时间。

将压坯、脱模后的坯料置于150℃的恒温干燥箱干燥120 min以去除坯体中的无水乙醇。将干燥后的坯体置于KSXQ-8-14型箱式气氛烧结炉中烧结，烧结温度为1100~1300℃，保温时间为2~3 h，通入纯度为99.99%的氩气保护。将烧结完成后随炉冷却的试样放入水中去除残留的造孔剂，然后放入干燥箱干燥，即得到多孔泡沫钢样品。在实验中，控制造孔剂的体积分数即可制备出所需孔隙率的泡沫钢试样。

用X射线衍射仪(XL30ESEM-TMP)和扫描电子显微镜(QUANTA200)观察分析样品的微观组织结构，使用万能试验机进行泡沫钢试样的准静态压缩测试(AG-IC100KN，日本)，试样的直径(d)为25 mm，高度(h)为25 mm，压头的移动速率为1 mm/min。用阿基米德法测量泡沫钢样品的体积和质量，并计算实际孔隙率。

图1给出了410L和430L金属基体经浓盐酸腐蚀后的表面金相组织。可以看出，在相同的腐蚀条件下，410L不锈钢发生了严重的腐蚀，试样出现了大量的腐蚀坑，看不到晶界；而430L不锈钢的组织均匀性好，腐蚀沿着晶界进行，只发生了轻微的晶间腐蚀，表明其抗腐蚀性较强。

由表1可知，410L和430L不锈钢主要含Fe、C、Cr元素。410L不锈钢的Cr含量为11%~13%，430L不锈钢的Cr含量为16%~18%，由Fe-C-Cr三元相图不同Cr含量的垂直截面分析可知^[26]，其室温下平衡组织均为α-Fe铁素体组织，因含碳量极低不能生成碳化物。

图2给出了410L和430L不锈钢试样的SEM照片。可以看出，在相同的腐蚀条件下，410L不锈钢试样腐蚀后表面粗糙形成凹凸不平的形貌特征，430L不锈钢试样表面较为平整，腐蚀特征不明显。430L不锈钢中Cr含量比410L不锈钢高，高Cr含量使其耐腐蚀性提高。

图3给出了410L和 430L不锈钢基体组织的XRD 谱。可以看出，在2θ角为44.6°、64.9°、82.2°处有3个明显的衍射峰，分别对应α-Fe体心立方的(110)、(200)、(211)晶面，由此可确定其基体组织为α铁素体。

图4和图5给出了 410L和 430L泡沫钢样品经烧结清洗去除造孔剂后孔表面的SEM照片和EDS分析图。由图4a可见，金属颗粒烧结后结合形成基体，晶粒间有烧结收缩形成的微孔和小颗粒；由图4b可见，410L泡沫钢孔表面生成了大量呈鱼骨状形态的氧化物。图4c的EDS分析结果表明，1点区域主要元素为Fe和Cr，对应基体组织；图4d的EDS分析结果表明，2点区域几何状小颗粒含有较多的Ca和O，推测这种小颗粒是以Ca为主要成分的氧化物，Ca源于少量残留在基体中造孔剂的分解。图4e的EDS分析结果表明，3点区域的主要元素是Fe、Cr、C、Si及O。氧含量较高，说明基体表面有由基体元素Fe和Cr氧化生成的FeCr混合氧化物。这种呈鱼骨状形态分布的氧化物，与基体的结合强度不高。

由图5a可见，金属颗粒烧结结合形成连续基体组织，由图5b可见430L泡沫钢孔表面形成大量网状组织。图5c中的EDS分析结果表明，1点区域的主要元素为Fe和Cr，对应基体组织；图5d中的EDS分析结果表明，基体表面分布的网状细线为基体FeCr氧化形成的混合氧化物，与基体的结合紧密。图5e中的EDS分析结果表明，少量的几何状颗粒含有较多的Cl和Ca元素，推测是造孔剂残留物。对比分析图4和图5，410L泡沫钢在烧结过程中的氧化程度明显高于430L泡沫钢，导致金属颗粒烧结结合强度低于430L泡沫钢。

将孔隙率为76%的410L和孔隙率为77%的430L泡沫钢样品用万能试验机进行准静态轴向压缩测试，压头的移动速度为1 mm/min。图6给出了泡沫钢试样在准静态轴向压缩下的变形示意图，其中图6a为410L泡沫钢的初始状态和应变量至35%的变形过程图，图6b为430L泡沫钢的初始状态和应变量至35%的变形过程图。可以看出，应变量为15%时，410L泡沫钢的孔壁发生局部脆性坍塌，导致与受力方向垂直的层断裂(图6a中标注的区域1处)。而对于430L泡沫钢，应变量超过15%时只出现局部孔变形，未出现层断裂；当应变量超过25%时开始形成与受力方向成一定角度的变形带(图6b中标注的区域2处)。对比410L和430L泡沫钢的变形过程图可以看出，410L泡沫钢表现出脆性坍塌特征，而430L泡沫钢表现出较高的强韧性变形特征。

泡沫钢试样的应力-应变曲线，如图7所示。从图7可见，曲线都有明显的三个变形阶段：弹性变形阶段，塑性平台阶段和致密化阶段。在弹性变形阶段，应力随着应变呈线性变化；在塑性平台阶段，载荷超过屈服应力后泡沫金属的孔开始坍塌，应变增大而应力变化不大，泡沫金属进入塑性变形屈服阶段出现一个较长的应力屈服平台；在致密化阶段，应变增大到一定值时泡沫金属的孔洞大部分坍塌，孔趋于闭合，泡沫金属逐渐变成致密体，应力随着应变的增大而较快地增大。410L泡沫钢与430L泡沫钢的应力-应变曲线有明显的不同。当应力超过屈服极限应力时410L泡沫钢试样发生局部脆性坍塌变形，应力极快地降低导致塑性变形阶段的平台应力较低。孔隙率为73%的泡沫钢试样屈服点较高，承受的初始应力大，导致孔壁局部断裂严重，应力平台大幅降低；而430L泡沫钢能保持稳定的平台应力，且应力随着应变缓慢增大，表现出良好的强韧性。

孔隙率为73%、76%、79%、83%的410L泡沫钢其屈服应力分别为22.06、13.35、11.52、5.45 MPa。孔隙率为72%、77%、80%、83%的430L泡沫钢，其屈服应力分别为56.77、44.83、18.84、10.44 MPa。这表明，430L泡沫钢的抗压强度约为410L泡沫钢的2~3倍。

用循环加载法测试410L和430L泡沫钢样品的弹性模量，即使用在初始阶段加载-卸载-加载得到的应力-应变曲线斜率计算弹性模量。表2和表3分别列出了410L和430L泡沫钢的弹性模量参数。由表2和表3中的数据对比分析可见，在孔隙率相近的条件下，430L泡沫钢的弹性模量值也明显高于410L泡沫钢，表明430L泡沫钢的刚度高于410L泡沫钢。在烧结过程中410L泡沫钢孔壁基体比430L泡沫钢氧化严重，导致410L泡沫钢基体孔壁金属颗粒结合强度不足，压缩过程中表现出局部脆性破坏，从而使其杨氏模量降低，使其与430L泡沫钢的杨氏模量有较大的差异。

泡沫钢在压缩变形过程中的一个重要性质，是其具有良好的能量吸收特性。能量吸收能力，表征单位体积的泡沫试样压缩到一定应变量时所吸收的能量。泡沫金属在压缩过程中能量吸收值取决于应力-应变曲线下所围区域的面积^[27]，可表示为

式中W为单位体积能量吸收值，ε为任意应变，σ为应力，是应变ε的函数。

图8给出了不同孔隙率的410L和430L泡沫钢样品的吸能值与应变曲线。由图8可见：在应变量为50%的条件下，孔隙率为73%、76%、79%、83%的410L泡沫钢，其单位体积的能量吸收值分别为3.63、6.12、5.14、2.90 MJ/m³；在应变量为50%的条件下，孔隙率为72%、77%、80%、83%的430L泡沫钢，其单位体积的能量吸收值分别为40.35、26.48、13.52、8.25 MJ/m³。这表明，在孔隙率相近的条件下，430L泡沫钢的能量吸收值远高于410L泡沫钢，约为410L泡沫钢的3~5倍。

430L泡沫钢样品的力学性能和吸能性能均远远高于410L泡沫钢，其主要原因是430L不锈钢的Cr含量较高。在高温烧结过程中， Cr含量较高的430L不锈钢氧化程度比410L钢低，孔壁基体金属颗粒烧结结合强度较高，410L金属颗粒表面生成的氧化层阻碍金属颗粒烧结结合的致密化，导致其力学性能和吸能性能下降。

(1) 用粉末冶金烧结溶解法可制备孔隙率为70%~85%的410L和430L泡沫不锈钢，其基体组织均为α-Fe(Cr)。430L泡沫钢的高铬含量是其性能优于410L泡沫钢的主要原因。

(2) 孔隙率为73%~83%的410L泡沫钢屈服应力值为22.06~5.45 MPa；孔隙率相同的430L泡沫钢屈服应力为56.77~10.44 MPa，430L泡沫钢的抗压强度是410L泡沫钢的2~3倍。

(3) 在压缩变形过程中，孔隙率为73%~83%的410L泡沫钢压缩变形量为50%时的单位体积能量吸收值为6.12~2.90 MJ/m³；孔隙率为72%~83%的430L泡沫钢压缩变形量为50%时单位体积的能量吸收值为40.35~8.25 MJ/m³。430L泡沫钢的单位体积能量吸收值约为410L泡沫钢的3~5倍。