粉末热压成形中高温Drucker-Prager Cap本构模型的建立

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粉末成形作为粉末冶金工艺中制备高性能材料的一个重要工艺环节,它具有材料利用率高以及能够成形复杂形状零件等优点。在粉末的成形过程中,粉末压坯的致密度是影响最终零件产品性能的重要因素,因此需要对粉末在压制成形过程中的变形行为及致密化机理展开研究。在粉末压制成形的变形行为研究中,通常采用数值模拟手段进行分析,而在采用数值有限元分析粉末压制的变形行为以及致密化机理过程中,材料的本构模型是其中的基础与核心。由于粉末材料和岩土的相似性,基于土塑性力学建立的Drucker-Prager Cap本构模型在粉末压制过程中得到了广泛应用。而在通过传统的实验和半解析法确定Drucker-Prager Cap本构模型参数时,需要进行大量的粉末压制实验来进行确定,且由于需要通过应变片采集应变数据进一步导致其在粉末热压成形过程中的应用受到一定限制。因此简化确定模型参数所需要进行的实验流程,对Drucker-Prager Cap本构模型在更多粉末材料以及粉末热压过程中的应用具有积极意义。本文首先针对粉末压制过程中Drucker-Prager Cap本构模型,结合实验采用半解析法得到其参数,并验证分析了该模型的准确性。随之基于该模型建立了一套参数逆向识别流程,以此来简化确定模型参数所需要进行的实验操作,同时用模压实验验证了逆向识别流程的准确性并将其进一步应用到粉末热压成形过程中的Drucker-Prager Cap本构模型研究。具体内容和结果如下:针对Ti-6Al-4V合金粉末压制成形,进行单轴压缩、径向压缩以及模压实验,结合半解析法构建了密度相关型Drucker-Prager Cap本构模型。对粉末模压过程的模型参数灵敏度展开研究,分析了各模型参数的变化对最终位移载荷曲线的影响。同时结合模压实验,采用优化算法建立了一套模型参数的逆向识别流程,该流程仅需要采集粉末模压过程中的位移载荷数据即可通过反分析手段获取和确定模型参数,并结合模压实验中的压制力和相对密度的分布对该逆向识别流程予以了验证。针对B4C粉末热压成形,结合建立的参数逆向识别流程以及1500℃、1600℃、1700℃、1800℃和1900℃下的粉末高温成形实验,确定了它们在各温度下的高温Drucker-Prager Cap本构模型参数。分析了温度对该模型硬化屈服应力参数的影响,随着温度的提高,粉末材料硬化屈服应力减小,且在1600℃有明显降低,并对获取的高温参数结合数值模拟进行了分析。
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