基于Marc有限元模拟的金属粉末压坯裂纹损伤研究

摘要

粉末冶金是一种集材料制备与零件成形于一体的近净成形先进制造技术，具有节能、省材、高效、尺寸稳定精度高等优点，在材料与零件制造业具有重要的地位，获得了国内外学者的高度重视。但是金属粉末压坯中的裂纹缺陷的存在严重影响了制品性能。国内外学者对压坯产生裂纹的原因进行了研究并分类，但量化计算裂纹的研究还不多见。使用有限元技术，分析预测压坯的裂纹损伤情况，确定合理的成形参数，是解决压坯裂纹损伤的一个有效途径。
　　本文选取修正的粉末屈服准则，根据金属粉末烧结体塑性力学理论，推导出了金属粉末压坯的裂纹损伤模型，该模型表征压坯在应力、应变和相对密度累积作用下的损伤情况。采用铁、铝两种粉末压坯进行单向压缩实验对模型的正确性和材料适应性进行了验证。
　　采用以上的损伤模型，对不同润滑条件、高径比和脱模方式的工艺参数下的金属粉末压坯成形与脱模过程进行二维有限元模拟，以探究各参数对压坯裂纹损伤的影响。研究结果表明：压坯在脱模阶段的损伤要大于压制阶段，并在压坯脱出阴模口部时达到最大值；润滑条件的改善将有利于减轻压坯的裂纹损伤；较小的高径比利于压坯密度的均匀化，裂纹损伤倾向较小；脱模方式也会对压坯的损伤产生影响，顶出式脱模时的损伤值要小于压下式脱模。
　　分析了金属粉末压坯在运送过程中可能产生裂纹的几种情况。采用平台型巴西圆盘实验得到了铜、铁两种金属粉末压坯的力学性能参数，包括弹性模量、抗拉强度和断裂韧度。利用上述参数对圆环形金属粉末压坯的夹持工况进行了分析模拟，确定了最先产生裂纹的部位，获得了该零件的安全夹持力范围。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 粉末冶金零件压坯裂纹形成机制

1.3 金属粉末冶金成形过程的数值模拟

1.4金属粉末压坯裂纹损伤预测研究现状

1.5本课题研究意义及主要内容

第2章 金属粉末成形过程的裂纹预测模型

2.1 金属粉末材料的成形特征和金属粉末压坯损伤现象

2.2 金属粉末材料成形的数学模型

2.3 基于金属粉末塑性力学模型的损伤准则的建立

2.4 损伤准则损伤阀值的实验确定

2.5 本章小结

第3章 金属粉末压制与脱模过程裂纹损伤模拟预测

3.1 金属粉末成形的有限元模拟

3.2 不同工艺参数对金属粉末压坯裂纹损伤的影响

3.3 本章小结

第4章 金属粉末压坯运送过程裂纹损伤研究

4.1 金属粉末压坯运送过程中的裂纹损伤现象

4.2 金属粉末压坯力学性能实验

4.3 圆环形粉末冶金压坯夹持转运工况分析

4.4 本章小结

第5章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录(攻读硕士期间发表的学术论文)

附录(参与科研项目情况)