鐵基材料粉末鍛造及致密化成形技術(shù)研究.pdf

1、粉末冶金技術(shù)具有低成本、近凈成形等顯著優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)件、通用機(jī)械零件和工具等。粉末冶金材料的密度及其分布是影響粉末冶金制品力學(xué)性能和尺寸精度的關(guān)鍵因素，開(kāi)發(fā)高密度高性能的粉末冶金制品已成為粉末冶金技術(shù)的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。粉末鍛造技術(shù)結(jié)合了粉末冶金和精密鍛造的優(yōu)勢(shì)，提高了傳統(tǒng)粉末冶金多孔零件的力學(xué)性能，簡(jiǎn)化了精密鍛造的制坯工藝，可實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜形狀零件的低成本、高效率生產(chǎn)。
　　本文開(kāi)展了粉末鍛造用Fe-0.5C-

2、2Cu燒結(jié)合金的制備及粉末鍛造和燒結(jié)Fe-0.5C-2Cu合金的高溫流變和致密化行為研究，建立了粉末鍛造和燒結(jié)合金的高溫流變本構(gòu)模型，并運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)研究了粉末燒結(jié)多孔材料的熱變形致密化過(guò)程，優(yōu)化了粉末鍛造工藝。同時(shí)對(duì)材料力學(xué)性能與密度的關(guān)系，熱處理工藝對(duì)粉末鍛造材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究:
　　(1)采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)研究了金屬粉末的模壓致密化成形機(jī)理，在此基礎(chǔ)上通過(guò)機(jī)械混合，雙向壓制和保護(hù)氣氛燒結(jié)工藝制備了密度為

3、6.43g/cm3的低成本粉末鍛造用Fe-0.5C-2Cu合金，評(píng)價(jià)了粉末燒結(jié)合金的力學(xué)性能，分析了粉末燒結(jié)合金的斷裂行為。
　　(2)粉末鍛造和燒結(jié)Fe-0.5C-2Cu合金的高溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)表明，高致密的粉末鍛造合金由于存在動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化，流變應(yīng)力曲線出現(xiàn)明顯的峰值應(yīng)力。而粉末燒結(jié)合金在熱變形過(guò)程中伴隨著材料硬化和幾何硬化兩種硬化方式，隨著變形量的增大，材料致密度提高，使得流變應(yīng)力持續(xù)增加。在這一過(guò)程中粉末燒結(jié)合金的致

4、密化效果同時(shí)受到變形速率、變形溫度、變形量、初始密度和摩擦的影響，其中變形速率的影響尤為突出。
　　(3)采用應(yīng)變量耦合的Arrhenius雙曲正弦模型和逐步回歸模型分別建立了粉末鍛造和燒結(jié)Fe-0.5C-2Cu合金的本構(gòu)方程，兩個(gè)模型對(duì)合金高溫流變應(yīng)力的預(yù)測(cè)平均絕對(duì)相對(duì)誤差分別為3.07％和3.88％，均具有良好的預(yù)測(cè)能力。
　　(4)分別將粉末鍛造和燒結(jié)Fe-0.5C-2Cu合金的高溫流變本構(gòu)模型嵌入有限元分析軟件模擬合

5、金的恒溫恒應(yīng)變速率壓縮過(guò)程，模擬結(jié)果與熱壓縮實(shí)測(cè)載荷一位移曲線吻合較好。粉末燒結(jié)合金熱壓縮致密化過(guò)程和密度分布的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致，平均密度最大絕對(duì)相對(duì)誤差為3.97％，且高應(yīng)變速率下的預(yù)測(cè)精度（誤差不大于0.53％）比低應(yīng)變速率下更高。
　　(5)通過(guò)粉末鍛造過(guò)程有限元模擬優(yōu)化粉末鍛造工藝，成功鍛造出密度為7.85g/cm3的粉末鍛造試樣，材料極限拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為932MPa和667MPa，硬度為HB294.4

6、，延伸率為9％，斷面收縮率為20％，沖擊韌性為22.7J/cm2。對(duì)比密度對(duì)材料力學(xué)性能的影響表明，隨著密度增加，材料極限拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度近似線性增大，延伸率、斷面收縮率成冪函數(shù)增大，而沖擊韌性則隨密度增加成指數(shù)增大。試樣斷裂表面隨著材料密度提高，撕裂區(qū)增大，并在高致密區(qū)向穿晶斷裂轉(zhuǎn)變，形成包含韌性和脆性的混合斷裂。當(dāng)材料密度接近全致密時(shí)，斷裂面全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚Т嘈詳嗔选?br>　　(6)粉末鍛造Fe-0.5C-2Cu合金不同熱處