金属粉末高速压制过程粉末体变形与摩擦行为研究

本项目通过自行设计的模具及应力测试装置，利用冲击锤法研究不同冲击工艺（冲击锤重量与速度、润滑状况、粉末类型等）下粉末体弹塑性变形行为,获得制品应力与密度变化关系；借助光学显微镜、扫描电镜、维氏硬度计等手段，分析制品不同切面（不同径向和轴向位置）密度分布状况，研究粉末高速压制密度分布均匀化程度；编写应力数据采集程序，利用计算机动态连续地获得粉末体应力数据，根据力平衡方程计算获得基于密度的摩擦模型；建立离散单元有限元数值模拟模型，研究粉末颗粒大小与形状、模具粗糙度与不同表面形貌、压制力、压制速度等对粉末颗粒的弹塑性变形的影响，模拟粉末压制过程摩擦行为，分析摩擦影响粉末致密化；将基于密度的摩擦和材料模型应用于连续体有限元数值模拟模型，分析不同冲击工艺下粉末体弹塑性变形特征，获得应力与密度变化和分布。通过试验和有限元数值模拟，获得粉末高速压制致密化机理，为研究和应用提供参考依据。

粉末高速压制是一种能够以较低的成本生产高密度、高性能的粉末冶金制品的重要工艺，有着非常广泛的应用前景。而目前对粉末冶金高速压制成形技术理论致密化机理的研究还没有统一的认识。本项目通过自行设计高速压制装置及模具和应力测试装置，利用冲击锤法研究不同冲击工艺下粉末体弹塑性变形行为; 借助光学显微镜、扫描电镜、维氏硬度计等手段，分析制品不同切面密度分布状况，研究粉末高速压制密度分布均匀化程度；利用计算机动态连续地获得粉末体应力数据，根据力平衡方程计算获得基于密度的摩擦模型;建立离散单元有限元数值模拟模型，研究粉末颗粒大小与形状、模具粗糙度与不同表面形貌、压制力、压制速度等对粉末颗粒的弹塑性变形的影响，模拟粉末压制过程摩擦行为，分析摩擦影响粉末致密化；将基于密度的摩擦和材料模型应用于连续体有限元数值模拟模型，分析不同冲击工艺下粉末体弹塑性变形特征，获得应力与密度变化和分布。通过试验和有限元数值模拟，获得粉末高速压制致密化规律，为研究和应用提供参考依据。.研究结果表明：粉末高速压制成形不同于常规的粉末静态压制过程。在高速压制过程中，冲击锤与上模冲之间的接触速度比常规的要2-3个数量等级，冲锤在2～30m/s 的速度快速打击上模冲，在20ms 内就可以完成一次压制，该速度是常规粉末冶金零件压制速度的500～1000倍。在本文的研究中，冲击锤可以在最短约6ms的时间内完成一次冲击，这种材料变形速度属于动态材料变形范围。这种变形速度显著影响粉末颗粒间的摩擦状况、加工硬化、空气从粉末颗粒间隙溢出的情况以及粉末由于剧烈变形引起的温度升高。.由于冲击锤高速冲击粉末，冲击能量除了在摩擦上消耗一些外，全部传递给粉末，在短时间内粉末发生剧烈变形而产生大量变形热量，而这些热量无法在短时间内散失，从而造成粉末温度升高，降低了粉末屈服强度，有利于颗粒的塑性变形，从而提高致密化。且短时间内加工硬化影响小，对提高制品密度有利。同时，粉末在剧烈变形过程发生破碎，释放一定气体，破碎的小颗粒填充孔隙，进一步提高制品密度。此外，粉末高速压制成形由静态转变为动态，粉末体不仅受静压力的作用，同时受到动量冲击的影响，速度越大动量越大，粉末受到的变形能量越大。在高速压制下，压制设备将能量在很短的时间内通过模具传递给粉末，并使之致密化。压坯的密度取决于重锤提供给他的能量。但是冲击能量的增加并不能无限制地将压坯密度提高。