力链分布演化对致密化粉末压制过程力学机制的影响

Mechanics theory of powder compacting is the foundation for dertermining the suitable compacting technology for improving the quality of the product made by powder metallurgy. Aimed at powder compact process and from the view point of multi-physical levels of microscopic ,mesoscopic and macroscopic, the mechanics mechanism and theory of powder compaction is developed in this research. Based on contact model between particles, by employing the discrete element method to obtain the force chain, and the evolution of force chain is characterized by network and topological analysis, the influence of interface friction, combined effect of surface topography and particle dimension, external load on the formation and evolution of the force chain is revealed, the mesoscopic mechanism during powder compacting are studied, and finally, relationship between constitutive relation and evolution of force chain and some other parameters is established, and a new theory on mechanics of powder compaction is proposed. Taking the compacting process of a typical machine part , the result of improving the density and uniformity with the proposed theory is testified. The achievement of this research project will promote the development of mechanics of powder pressing forming, and has great significance in the development of powder metallurgy and manufacture industry.

粉末压制力学理论是确定合理的压制工艺从而改进粉末冶金零件质量的基础；本项目将针对粉末压制过程，从微观、细观和宏观多个物理层次的特性及其关联机制入手, 研究粉末压制过程的力学机制及其相应的描述的方法；以粉末颗粒间的接触和相互作用模型为基础，并结合离散元模拟获得力链，引入网络及拓扑分析方法研究粉末压制过程中细观力链分布的演化及其表征，探索界面摩擦、表面形貌和颗粒尺寸的耦合效应、外部条件等对力链演化过程的影响机理，揭示粉末压制过程细观力学机制，建立颗粒系统细观力链结构的变化等特性与本构关系的联系及定量描述方法，形成综合考虑颗粒系统宏观、细观及微观特性的粉末压制理论与方法；并选择一个零件压制过程为实施对象，验证理论成果的应用效果。研究成果将发展和完善粉末压制力学理论，对提高粉末冶金零件的质量和促进制造业的发展具有重要的意义。

本项目将粉末压制与颗粒物质力学相结合，从颗粒物质微观、细观和宏观多个层次的特性及其关联机制入手展开了系统的研究工作。. 首先研究了宏观尺度应力传播分布和细观尺度力链量化特性，探究力链长度变化规律及其与其它力链量化特性间关联性，以及压制中应力大小与方向性分布变化规律。力链长度与力链强度、方向系数具有正相关关系，但力链长度与力链准直系数间无明显关联。在此基础上，研究了力链结构演化与应力分布变化的关联性。应力与力链均存在上下往复变化现象，而力链长度受应力影响逐渐变短；力链强度较大位置与应力集中区域位置对应；应力演化与力链准直系数变化保持一致；应力集中区域具有较小力链方向系数，体系中力链及应力均经历由各向同性向各向异性转变过程。. 表征了力链分布承载特性在不同粉末压制阶段的演变规律，分析了力链分布承载特性随压制速度和颗粒物性参数的变化规律。强力链在整个力链体系中所占的比例较小，但承载体系中大部分的载荷，粉末最终致密化程度主要与力链承载强度呈现负相关规律。.研究了粉末压制过程中的阻塞现象，分析了颗粒间偶关联函数随体积分数的变化，给出了临近阻塞状态下颗粒间无量纲接触力和颗粒运动方向的概率分布规律。在临近阻塞状态下，配位数出现明显的转折点，偶关联函数第一个峰值随着体积分数迅速增大后趋于稳定。颗粒的运动状况决定了系统的阻塞状态及其接触力分布，进而影响系统致密化过程和分布状态。. 开展了重锤式高速粉末压制成型实验和模拟工作，分析了工艺参数对压坯密度大小和均匀性的影响规律，单位质量能量是影响密度大小的主要因素，边壁摩擦系数、高径比和单位质量能量对密度均匀性影响较大。. 综合力链量化表征、分布演化和致密化规律的理论和实验工作，建立了粉末压制过程力链变化特征的定量描述方法，揭示了颗粒系统力链分布演化对粉末压制致密化的影响规律和作用机理，形成了综合考虑颗粒系统微观、细观和宏观特性的粉末压制理论与方法。