冲击加载条件下金属粉末的动态力学性能分析

为研究金属粉末在冲击加载过程中,粉末预压力对压坯动态力学响应的影响,设计了基于分离式霍普金森压杆装置(split Hopkinson pressure bar,SHPB)的金属粉末高应变率冲击加载实验,并结合一维应力波理论对预压后粉末压坯的力学性能进行分析。结果表明:在冲击过程中,金属压坯会表现出较为明显的应变率效应;加载率越大,材料的应变能越大,预压力越大,应变硬化率越大;在相同的加载条件下,预压力越大,压坯临界位移越小。

基于Johnson-Cook模型对金属粉末高速压制温升影响因素的研究

高速压制中粉末颗粒在微秒级的时间内发生大变形和微摩擦而产生大量的热,导致颗粒表面接触处温度急剧上升。为了研究颗粒间温升的影响因素,通过MSC.MARC软件对铝粉建立了离散密排球堆积简化模型,对金属粉末温升机理进行了研究。通过对比不同摩擦系数下压制速度对温升的影响,发现提高压制速度能提高颗粒间温升,其原因是摩擦力变大。对不同参数Johnson-Cook模型模拟发现,材料的屈服应力和应变硬化模量对高速压制过程的温升有较大的影响,其中屈服应力影响最大。对大部分金属粉末而言,在一定的压制速度和摩擦系数下,粉末压制和烧结的同步进行是可实现的。以铝粉为例,在摩擦系数0.3,压制速度80 m/s时,局部区域最高温度为678℃,达到熔点以上。

基于DEM的金属颗粒间接触力的影响因素

在金属粉末高速冲击压制中,颗粒间的高速碰撞是一个重要因素,研究其相互间的碰撞接触力传递过程是个难点。研究采用基于离散单元法(DEM)的PFC2D颗粒流程序,从微观层面着手,建立三颗粒碰撞模型,探讨碰撞过程中摩擦因素、碰撞速度、剪切模量对接触力传递的影响规律。研究发现,颗粒在碰撞过程中会发生转动,在碰撞的起始及收尾阶段,颗粒处于滑动摩擦状态,而中间阶段则因处于静摩擦状态,颗粒发生了转动。数值模拟结果表明:模壁摩擦系数几乎不影响颗粒的接触力及碰撞时间,而颗粒间的摩擦系数会同时影响法向及切向接触力的大小;碰撞速度越大,颗粒间法向重叠量就越大,相应的接触力峰值也越大;剪切模量的不同也会影响到颗粒间接触力的传递情况。这些结果可对金属粉末高速压制致密化机理的微观研究提供一定的指导作用。