基于广义塑性力学模型的金属粉末成形裂纹损伤研究

摘要

粉末冶金工艺是有着历史悠久的材料制备工艺，也是先进的零件加工工艺，其作为近净成形的零件制造工艺，具有环保、节能等优点，这也正符合中国现阶段向高端制造的转变，因此，受到工业界的重视。在实际生产过程中，裂纹损伤缺陷是金属粉末压坯中最为常见的缺陷，其影响着金属粉末冶金零部件最终的质量和力学性能，而且也是一个长期没有解决的问题。由于粉末压坯在压制成形以及运送阶段的各个环节都有产生裂纹的可能，为避免零件压坯产生裂纹缺陷除了传统的试错法，还可以引入计算机数值模拟技术对压坯裂纹的产生进行预测，通过此方法可以为实际生产节省大量的成本。金属粉末压坯生产过程中，裂纹从萌生到扩展失稳产生的过程很难通过实验测定，但计算机数值模拟可以详细的看到在压制过程中金属粉末在模具内的变形过程及流动状态，能够很好的预测裂纹的产生及预测压坯裂纹产生的位置，进而可以制定更加合理的工艺方案及参数。 金属粉末压坯的致密化过程是一个极其复杂的过程，同时也是一个塑性大变形的过程，而且到目前为止还没有一个大家公认的数学模型对金属粉末压坯裂纹的产生进行定量的分析。因此，本文基于广义塑性力学模型研究金属粉末压制过程及压制终了时的压坯密度的分布情况，在此基础上提出了与硬化过程相反的软化过程，指定软化变量用于不同生产阶段的压坯裂纹损伤的预测分析，为优化粉末冶金零件的生产工艺参数提供可靠的依据。本文主要研究内容如下: 1、本文主要针对金属粉末压坯在成形过程中裂纹形成的基理进行分析，并依据裂纹从萌生到扩展的特点，本文提出材料的软化过程，其与硬化过程相反。以Distaloy AE铁粉为实验材料，结合巴西圆盘实验中断裂能量的确定方法，推导软化参数的求解公式，为以后压坯成形过程的裂纹损伤模拟奠定基础。 2、基于修正的Drucker-Prager Cap屈服模型，利用有限元软件ABAQUS的二次开发平台实现金属粉末在致密化过程的有限元模拟，输出压坯相对密度和软化参数两个场变量，即SDV1和SDV2。然后对相对密度SDV1分布情况以及损伤场SDV2进行分析，同时结合金属粉末压制实验，对比了压制力曲线和数值模拟结果，两者吻合良好进一步说明以上模型的正确性;对于损伤场SDV2的分布情况进行分析得出压坯最容易出现裂纹的位置，也验证了软化参数设定的正确性。 3、针对环形和阶梯形两种典型零件，运用上述提出的有限元模拟办法实现这两种典型零件压制过程和脱模过程的有限元模拟。对于环形零件压坯，为防止压坯在运送过程中由于加持力过大导致裂纹产生，讨论了在高径比、厚径比以及脱模角的影响下残余应力的变化情况，并提出相应的措施;对于阶梯型零件压坯，主要分析了金属粉末在致密化过程中相对密度的分布情况，以及由于摩擦力的影响压坯内部应力的变化情况。根据模拟结果预测阶梯形压坯最容易出现应力集中的位置，以及软化参数分布情况，分析压坯最容易出现裂纹的位置。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1引言

1．2金属粉末零件压坯裂纹形成机制

1．3金属粉末零件压坯成形过程的数值模拟

1．4金属粉末零件压坯裂纹损伤预测研究现状

1．4．1基于断裂力学理论的裂纹损伤预测分析

1．4．2基于损伤力学理论的裂纹损伤预测分析

1．4．3方法评价

1．5主要研究内容

2金属粉末压坯裂纹损伤基理研究

2．1．1金属粉末致密化过程

2．1．2裂纹产生现象分析及裂纹模型

2．2．1非线性问题的求解方法

2．2．2摩擦准则的确定

2．2．3弹塑性有限元法

2．3热力学一致性

2．4本章小结

3 基于DPC模型金属粉末压制成形过程裂纹损伤模型研究

3．1．1屈服面

3．1．2塑性势面

3．1．3本构模型参数的确定

3．1．4模型使用方法

3．2弹性响应

3．3塑性响应

3．3．1内部变量

3．3．2硬化规律

3．3．3软化规律

3．3．4软化参数的确定

3．4本章小结

4金属粉末压制与脱模过程裂纹损伤模拟预测

4．1金属粉末成形的有限元模拟

4．1．1有限元模型的建立

4．1．2金属粉末压制过程的验证

4．2金属粉末压坯裂纹预测分析

4．2．1数值模拟计算方法及条件

4．2．2金属粉末压制成形过程损伤位置分析

4．3本章小结

5典型零件的分析

5．1环形零件的损伤分析

5．1．1环形压坯的有限元模型

5．1．2环形零件的密度分布及裂纹损伤预测分析

5．2不同工艺条件对环形压坯裂纹损伤的影响

5．2．1数值模拟结果分析

5．2．2高径比对环形薄壁金属粉末压坯残余应力的影响

5．2．3厚径比对环形薄壁金属粉末压坯残余应力的影响

5．2．4润滑条件对环形薄壁金属粉末压坯残余应力的影响

5．2．5脱模角对环形薄壁金属粉末压坯残余应力的影响

5．5．6环形薄壁金属粉末压坯残余应力的多因素影响分析

5．3阶梯形零件的裂纹损伤预测分析

5．3．1阶梯形压坯数值模拟条件

5．3．2阶梯形零件的密度分布及裂纹损伤预测分析

5．4本章小结

6结论

6．1全文总结

6．2论文的创新点

6．3全文的不足之处

7展望

参考文献

9攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢