SiCp/6061Al复合材料致密化机理有限元模拟研究

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本文采用多粒子有限元方法模拟研究了SiCp/6061Al复合材料的压制成形过程,从宏观压制曲线和微观颗粒尺度两个层面揭示了复合粉末成形过程的致密化机理。首先通过离散元模拟建立Si C和Al粉末颗粒的随机堆积结构,提取相关参数耦合至有限元软件建立有限元模型进行冷压和热压成形模拟。其次对模拟结果进行后处理获得模压成形过程中压坯的相对密度和压制压力之间的变化曲线、压坯内部的应力以及应变等结果。最后,从理论和实验两方面对所建立的有限元模型的有效性和结果的可靠性进行验证。二维模拟主要研究了颗粒间的摩擦力、初始堆积结构以及SiCp体积分数等影响因素对复合粉末成形过程的影响。结果表明:冷压成形过程中颗粒间的摩擦力和初始堆积结构主要影响压制成形的前期阶段,减小或消除摩擦力有利于压制过程的进行以及压坯内部的应力均匀分布。随机堆积结构中孔隙较多,成形前期存在颗粒重排现象,SiCp的均匀分布有助于压坯致密度的提高,此外,压制结束时SiCp内部存在应力集中。随着SiCp体积分数的增大,复合粉末的压缩阻力增大,压坯的致密度降低且内部的应力增大。热压条件下6061Al粉末的可塑性增强,压制成形需要的压力明显降低,成形获得的压坯致密度进一步提高且内部的应力分布更为均匀。三维模拟主要研究了纯6061Al颗粒和不同粒径比复合粉末的热压成形过程。结果表明:三维初始堆积结构致密度较低且6061Al颗粒通过体积变形填充孔隙,因此压坯相对密度低于二维模拟的结果。不同粒径比6061Al和SiCp复合粉末的致密化曲线相近,大小颗粒相间分布的结构有利于致密化过程的进行,压制后期小尺寸颗粒的增多增大了复合粉末的压缩阻力。
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