铁基材料粉末锻造及致密化成形技术研究

摘要

粉末冶金技术具有低成本、近净成形等显著优点，已广泛用于生产发动机传动件、通用机械零件和工具等。粉末冶金材料的密度及其分布是影响粉末冶金制品力学性能和尺寸精度的关键因素，开发高密度高性能的粉末冶金制品已成为粉末冶金技术的发展方向和研究重点。粉末锻造技术结合了粉末冶金和精密锻造的优势，提高了传统粉末冶金多孔零件的力学性能，简化了精密锻造的制坯工艺，可实现高性能复杂形状零件的低成本、高效率生产。
　　本文开展了粉末锻造用Fe-0.5C-2Cu烧结合金的制备及粉末锻造和烧结Fe-0.5C-2Cu合金的高温流变和致密化行为研究，建立了粉末锻造和烧结合金的高温流变本构模型，并运用有限元数值模拟技术研究了粉末烧结多孔材料的热变形致密化过程，优化了粉末锻造工艺。同时对材料力学性能与密度的关系，热处理工艺对粉末锻造材料力学性能的影响进行了研究:
　　(1)采用有限元数值模拟技术研究了金属粉末的模压致密化成形机理，在此基础上通过机械混合，双向压制和保护气氛烧结工艺制备了密度为6.43g/cm3的低成本粉末锻造用Fe-0.5C-2Cu合金，评价了粉末烧结合金的力学性能，分析了粉末烧结合金的断裂行为。
　　(2)粉末锻造和烧结Fe-0.5C-2Cu合金的高温热压缩实验表明，高致密的粉末锻造合金由于存在动态回复和动态再结晶软化，流变应力曲线出现明显的峰值应力。而粉末烧结合金在热变形过程中伴随着材料硬化和几何硬化两种硬化方式，随着变形量的增大，材料致密度提高，使得流变应力持续增加。在这一过程中粉末烧结合金的致密化效果同时受到变形速率、变形温度、变形量、初始密度和摩擦的影响，其中变形速率的影响尤为突出。
　　(3)采用应变量耦合的Arrhenius双曲正弦模型和逐步回归模型分别建立了粉末锻造和烧结Fe-0.5C-2Cu合金的本构方程，两个模型对合金高温流变应力的预测平均绝对相对误差分别为3.07％和3.88％，均具有良好的预测能力。
　　(4)分别将粉末锻造和烧结Fe-0.5C-2Cu合金的高温流变本构模型嵌入有限元分析软件模拟合金的恒温恒应变速率压缩过程，模拟结果与热压缩实测载荷一位移曲线吻合较好。粉末烧结合金热压缩致密化过程和密度分布的数值模拟结果与实测值基本一致，平均密度最大绝对相对误差为3.97％，且高应变速率下的预测精度（误差不大于0.53％）比低应变速率下更高。
　　(5)通过粉末锻造过程有限元模拟优化粉末锻造工艺，成功锻造出密度为7.85g/cm3的粉末锻造试样，材料极限拉伸强度和屈服强度分别为932MPa和667MPa，硬度为HB294.4，延伸率为9％，断面收缩率为20％，冲击韧性为22.7J/cm2。对比密度对材料力学性能的影响表明，随着密度增加，材料极限拉伸强度、屈服强度和硬度近似线性增大，延伸率、断面收缩率成幂函数增大，而冲击韧性则随密度增加成指数增大。试样断裂表面随着材料密度提高，撕裂区增大，并在高致密区向穿晶断裂转变，形成包含韧性和脆性的混合断裂。当材料密度接近全致密时，断裂面全部转变为穿晶脆性断裂。
　　(6)粉末锻造Fe-0.5C-2Cu合金不同热处理工艺下的力学性能测试表明，油冷+回火试样的冲击韧性、拉伸强度和硬度均高于空冷+回火试样，但塑性比后者低。试样经油冷和空冷后均在450℃回火时表现出较好的力学性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 粉末冶金材料致密化理论及方法

1．2．1 质量不变条件

1．2．2 粉末冶金材料泊松比

1．2．3 粉末冶金材料弹性模量

1．2．4 粉末冶金材料密度

1．2．5 粉末冶金材料屈服函数

1．2．6 关联流动法则

1．2．7 有限元模拟

1．3 粉末锻造技术研究背景及现状

1．3．1 粉末锻造技术特点

1．3．2 粉末锻造技术应用

1．4 论文选题意义和研究内容

1．4．1 论文选题意义

1．4．2 论文研究内容

第2章 粉末锻造用铁基粉末冶金材料制备研究

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验条件及方法

2．2．3 检测方法

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 粉末压制成形有限元模拟和实验研究

2．3．2 粉末烧结材料性能评价

2．4 本章小结

第3章 铁基粉末冶金材料热压缩致密化行为研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验条件及方法

3．2．3 检测方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 Fe-0．5C-2Cu合金热压缩应力—应变曲线

3．3．2 Fe-0．5C-2Cu合金热压缩组织、密度演变

3．4 本章小结

第4章 铁基粉末冶金材料高温流变本构模型研究

4．1 引言

4．2 研究方法

4．3 Fe-0．5C-2Cu合金高温流变本构模型研究

4．3．1 粉末锻造Fe-0．5C-2Cu合金高温流变本构模型研究

4．3．2 粉末烧结Fe-0．5C-2Cu合金高温流变本构模型研究

4．4 高温流变本构模型有限元验证和模拟分析

4．4．1 几何模型建立

4．4．2 材料基本物性参数

4．4．3 模拟结果与分析

4．5 本章小结

第5章 粉末锻造过程有限元模拟与实验研究

5．1 引言

5．2 实验过程

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验条件及方法

5．2．3 检测方法

5．3 粉末锻造过程有限元模拟分析及工艺优化

5．3．1 有限元模型

5．3．2 材料模型和参数

5．3．3 边界条件和初始条件

5．3．4 模拟结果与分析

5．4 粉末锻造实验研究

5．4．1 粉末锻造工艺、模具和设备

5．4．2 粉末锻造材料性能评价

5．5 本章小结

第6章 铁基粉末锻造材料热处理研究

6．1 引言

6．2 实验过程

6．2．1 实验材料

6．2．2 实验条件及方法

6．2．3 检测方法

6．3 实验结果与讨论

6．3．1 力学性能评价

6．3．2 显微组织分析

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果