粉末冶金壓坯殘余應(yīng)力與裂紋損傷研究.pdf

1、粉末冶金作為一種近凈成形制造技術(shù),具有高效、省材、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),故備受工業(yè)界的重視。對(duì)于粉末冶金機(jī)械零件行業(yè)來說,生產(chǎn)過程中零件壓坯中產(chǎn)生裂紋是一個(gè)長期沒有解決的課題。實(shí)際上,粉末壓坯的裂紋可能出現(xiàn)在壓制成形和運(yùn)送階段的各個(gè)環(huán)節(jié)。為了避免和防止裂紋產(chǎn)生,除了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法,將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入粉末冶金模具和工藝設(shè)計(jì),對(duì)粉末冶金零件生產(chǎn)過程中的工藝過程與裂紋缺陷進(jìn)行分析預(yù)測(cè),進(jìn)而制定合理的工藝方案及參數(shù),是目前最為有效的科學(xué)手段。

2、
　　由于粉末成形機(jī)理與過程復(fù)雜,尚沒有一個(gè)公認(rèn)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)于粉末壓坯裂紋形成的定量分析則更少。為此,本文基于更具應(yīng)用前景的廣義塑性力學(xué)模型研究金屬粉末壓制致密化過程以及壓坯脫模后殘余應(yīng)力分布規(guī)律,并在此基礎(chǔ)之上對(duì)不同生產(chǎn)階段的壓坯裂紋損傷進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)分析,為優(yōu)化模具和工藝參數(shù),提高粉末冶金產(chǎn)品的質(zhì)量,提供科學(xué)有效的依據(jù)。論文主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1、建立了適用于本文所用金屬材料成形的密度相關(guān)的廣義塑性力學(xué)屈服模

3、型,即修正的Drucker-PragerCap屈服模型。結(jié)合粉末閉模壓制成形實(shí)驗(yàn)和壓坯強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)了模型待定參數(shù)的求解公式,以DistaloyAE擴(kuò)散預(yù)合金鐵粉為實(shí)驗(yàn)材料,確定了模型各參數(shù)與相對(duì)密度的函數(shù)關(guān)系。
　　2、基于所建立的金屬粉末廣義塑性力學(xué)模型,利用Abaqus二次開發(fā)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了金屬粉末成形過程的彈塑性有限元模擬;對(duì)比了壓制力曲線和相對(duì)密度分布的有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,二者吻合良好,驗(yàn)證了金屬粉末廣義塑性力學(xué)模型的正確

4、性。
　　3、采用X射線衍射技術(shù),對(duì)不同壓制壓力(450MPa和600MPa)以及潤滑條件下,ASC100.29和DistaloyAE兩種金屬粉末壓坯表層的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試,獲得了金屬粉末壓坯殘余應(yīng)力分布規(guī)律。
　　4、采用所建立的金屬粉末廣義塑性力學(xué)模型,對(duì)粉末壓坯脫模后殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬。討論了粉末壓制與脫模過程粉體單元的網(wǎng)格參數(shù)和陰模材料類型對(duì)壓坯殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型進(jìn)行了合

5、理的修正,保證了殘余應(yīng)力的分析精度,為粉末壓坯裂紋損傷研究奠定了基礎(chǔ)。
　　5、分析了金屬粉末壓制與脫模過程中的裂紋成形機(jī)理,結(jié)合該環(huán)節(jié)的裂紋損傷特點(diǎn),基于金屬粉末廣義塑性力學(xué)模型導(dǎo)出了粉末壓坯韌性損傷模型,并確定了裂紋損傷閾值。
　　6、基于上述韌性損傷模型,利用Abaqus二次開發(fā)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了粉末壓制以及壓坯脫模過程裂紋損傷的有限元模擬分析,討論了壓坯幾何形狀、模腔潤滑條件、以及陰模出口脫模角度三種因素對(duì)壓坯損傷的影響。

6、
　　7、采用圓弧型加載方式的巴西圓盤實(shí)驗(yàn)方法,結(jié)合理論分析、有限元數(shù)值模擬,獲得了ASC100.29和DistaloyAE兩種金屬粉末壓坯的力學(xué)性能和損傷斷裂參數(shù),包括壓坯抗拉強(qiáng)度ζt、彈性模量E、斷裂韌度KI和斷裂能量Gf與相對(duì)密度的函數(shù)關(guān)系,為壓坯損傷與斷裂模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)。
　　8、建立了適用于夾持損傷分析的基于斷裂能量的雙線性和指數(shù)型兩種金屬粉末壓坯內(nèi)聚力損傷模型,通過粉末壓坯巴西圓盤實(shí)驗(yàn)及其有限元數(shù)值模擬,對(duì)