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本文对高能率粉末压制成形过程中的瞬态热产生及影响因素进行了分析研究,综合讨论了材料的摩擦系数、本构参数以及颗粒间孔隙气体在不同的压制速度下对瞬态热的影响,同时还对粉末颗粒间碰撞焊接发生的条件、区域以及影响进行了分析。最后,对高能率粉末压制的有限元仿真模型进行了优化。 (1)基于Johnson-cook本构,通过MSC.MARC对金属粉末建立离散密排球堆积简化模型,来描述粉末的微观变形及瞬态热的产生,对金属粉末温升机理进行研究。通过对比不同摩擦系数下压制速度对温升的影响,发现提高压制速度引起的温升主要由摩擦力变大导致,而与塑性变形功转化而来的热量关系不大。对不同参数Johnson-cook模型模拟发现,材料的屈服应力和应变硬化模量对高能率压制过程的温升有较大的影响,其中屈服应力影响最大。对大部分金属粉末而言,在一定的压制速度和摩擦系数下,粉末压制和烧结的同步进行是可实现的,以铝粉为例,在摩擦系数0.3,压制速度80m/s时,局部表面最高温度为678℃,达到熔点以上。 (2)通过ABAQUS对铝粉建立离散密排球堆积简化模型,对压制过程中孔隙气体的作用进行了研究。研究表明,在目前常见的高能率压制中(V≤100m/s),粉末中孔隙气体对压制起阻碍作用,这主要是因为部分气体滞留在压坯内,形成孔洞,降低了压坯的强度和密度。当压制速度进一步增加(V≥100m/s)时,孔隙气体的温升随着压制速度的增加而急剧上升,该温度甚至能远高于材料的熔点,如铝粉在200m/s的速度下进行压制,孔隙气体温度能达到2033K,远高于其熔点877K。这时,这些高温高压的气体通过粉末表面,使相邻粉末颗粒局部表面软化甚至熔化粘结,从而使粉末体固结并提高致密度。 (3)通过MSC.MARC对铝粉建立离散密排球堆积简化模型,分析碰撞焊接可能发生的区域,以及其发生的条件。研究表明,在粉末高能率压制中,当压制速度达到碰撞焊接下限时,颗粒间就会发生碰撞焊接。同时还发现,发生碰撞焊接的区域主要集中在两颗上排颗粒和一颗下排颗粒围成的孔隙处,且只有同排颗粒的横向碰撞才会发生碰撞焊接。 (4)基于SHPB实验,通过ABAQUS对铝粉建立密排球堆积简化模型,有序增加模型横向与纵向颗粒数,研究仿真模型中冲模的质量与实际压制中冲模质量的相对关系,进而构建模型中颗粒数与模型中冲模相对质量之间关系。对比实验,建立了模型纵向和横向颗粒排数与冲模相对质量的关系;确立了粉末微观模拟压制中最常用的密排9堆积模型的冲模相对质量:0.0814;通过与铜粉冲击压实实验结果对比,发现所建立的模型颗粒数与冲模相对质量关系式也适用于铜粉,由此推断,该公式有可能适用于其他金属材料。