粉末冶金及数据处理工程综合训练报告 - 图文

材料科学与工程学院

工程综合训练报告

学 生 姓 名： 专

业

：

学 号：

材料科学与工程

训练题目： 指 导 教 师:

金属粉末压制、烧结过程的数值模拟研究

2014年10月30日

工程训练任务要求(教师填写) 课题的目的意义： 粉末冶金包括粉末制备和粉末经过压制、烧结得到冶金制品两部分，它既可制造出传统冶炼技术难以得到的金属材料，又可直接由粉末制成最终制品或接近最终形状的制品，而不需或只需少量机加工便可以达到制品的技术需求。与传统的金属加工方法相比，粉末冶金的材料利用率高、能耗低、经济效益好，是节能节材的先进工艺技术。因此，在工业生产中被大量用于金属零件的制备，特别是在汽车制造业领域有着广泛的应用。 粉末材料是由大量颗粒构成，内部含有一定的孔隙，是一个非连续体。这种非连续体的变形是一个非常复杂的过程，在压制成形过程中，需要以各个颗粒的变形以及各颗粒之间的协调关系来研究其整体变形。由于目前非连续介质力学的基础还不完善，对粉末材料塑性变形理论的研究还很欠缺，因此，加强对粉末材料塑性变形过程的研究和掌握粉末材料变形规律的研究对粉末塑性成形的工艺优化方法将是十分必要的。在烧结固化过程中，由于空隙的存在不仅影响粉末材料的导热、导电性能，而且空隙的数量、形状和分布差异也改变着温度场、位移场和力场。因此，研究粉末冶金材料的相对密度和及隙变化规律对优化烧结工艺起着至关重要的作用。 目前，大部分企业在粉末压制、烧结工艺设计和模具设计方面，一般都依赖于设计者的经验，采用反复试验即试错法来确定工艺步骤和模具形状、尺寸。这种方法不仅不能保证产品的质量，而且要消耗大量的人力、物力和时间，更重要的是对成形、烧结过程中许多复杂问题难以考虑，特别在开发新产品时存在很大的盲目性，设计效率低下。随着现代科学技术和计算机技术的快速发展，这种反复试验法已越来越不能适应现代化大规模生产的要求。因此，了解粉末压制成形及烧结过程中的影响因素，改进工艺优化设计方案，提高工艺设计效率及产品质量，成为粉末冶金工艺理论必须研究的重要问题。计算机技术的快速发展和相关科学理论的逐步完善，以数学、力学为基础，以计算机为工具的现代数值分析方法逐渐被人们所重视。因此，采用计算机有限元模拟对粉末材料压制、烧结过程进行模拟就成为一种有效的设计方法。通过有限元模拟，不仅可以得到粉末压制、 1

烧结过程中的所有的宏观力学参数、变形参数，而且还能直观地放映出粉末冶金制品中的应力应变分布、密度分布、温度场、速度场以及粉末颗粒流动规律。此外，还可以观察到实际生产过程中存在的问题，并提出有效的改进措施，从而做到早期评价，优化工艺参数，快速有效地确定模具的最终理想形状，提高生产效率，降低成本。对于认识了解粉末材料压制、烧结过程，有限元数值模拟分析是一种切实可行的有效途径。 指导教师签名：

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工 程 综 合 训 练 报 告

1．结合工程综合训练课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述： 粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。[1] 广义的粉末冶金制品业涵括了铁石刀具、硬质合金、磁性材料以及粉末冶金制品等。狭义的粉末冶金制品业仅指粉末冶金制品，包括粉末冶金零件(占绝大部分)、含油轴承和金属射出成型制品等。 粉末冶金相关企业主要是适用于汽车行业、装备制造业、金属行业、航空航天、军事工业、仪器仪表、五金工具、电子家电等领域的零配件生产和研究，相关原料、辅料生产，各类粉末制备设备、烧结设备制造。产品包括轴承、齿轮、硬质合金刀具、模具、摩擦制品等等。军工企业中，重型的武器装备如穿甲弹，鱼雷等，飞机坦克等刹车副均需采用粉末冶金技术生产。粉末冶金汽车零件近年来已成为为中国粉末冶金行业最大的市场，约50%的汽车零部件为粉末冶金零部件。[2] 粉末冶金产品的制备过程：首先生产粉末。粉末的生产过程步骤有粉末原材料的制取、粉料的混合等。一般选择加入机油、橡胶或石蜡等增塑剂来改善粉末的成型性和可塑性。之后是压制成型。将粉末在一定压力下，在模具中压制成所需形状。之后在保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结成型。类似于熟化现象，烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。烧结之后进行后处理。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。 粉末冶金作为一种冶金技术，不同于传统冶金工艺，其特点有： 粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。 （1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。 （2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。 （3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。 （4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。

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（5）可以实现近净形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。 （6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。[3] 由于粉末冶金的种种性质，因此应用面比较特殊，粉末冶金相关企业主要是适用于汽车行业、装备制造业、金属行业、航空航天、军事工业、仪器仪表、五金工具、电子家电等领域的零配件生产和研究，相关原料、辅料生产，各类粉末制备设备、烧结设备制造。产品包括轴承、齿轮、硬质合金刀具、模具、摩擦制品等等。军工企业中，重型的武器装备如穿甲弹，鱼雷等，飞机坦克等刹车副均需采用粉末冶金技术生产。粉末冶金汽车零件近年来已成为为中国粉末冶金行业最大的市场，约50%的汽车零部件为粉末冶金零部件。 粉末冶金于上世纪90年代在美国已经有所出现，但是由于其技术要求高，成本与以往冶金方式比有差距，外形不同模具不同的原因导致其发展受阻，但是即便如此，其发展速度依旧是可观的。就我国为例，我国粉末冶金行业已经经过了近10年的高速发展，但与国外的同行业仍存在以下几方面的差距：(1)企业多，规模小，经济效益与国外企业相差很大。(2)产品交叉，企业相互压价，竞争异常激烈。(3)多数企业缺乏技术支持，研发能力落后，产品档次低，难以与国外竞争。(4)再投入缺乏与困扰。(5)工艺装备、配套设施落后。(6)产品出口少，贸易渠道不畅。 随着我国加入WTO以后，以上种种不足和弱点将改善，这是因为加入WTO后，市场逐渐国际化，粉末冶金市场将得到进一步扩大的机会；而同时随着国外资金和技术的进入，粉末冶金及相关的技术水平也必将得到提高和发展。 据《2013-2017年中国粉末冶金制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》 目前，中国粉末冶金零件及含油轴承总产值超过55亿元，占全球市场比重较小，发展空间也较为广阔。根据中国机协粉末冶金专业协会对53家企业统计数据显示，2010年中国粉末冶金零件行业实现主营业务收入48.41亿元，同比增长39.75%;利润总额为3.76亿元，较上年增加了一倍。在产值方面，粉末冶金零件行业实现工业总产值50.57亿元，其中新产品产值6.28亿元，新产品率(新产品产值/工业总产值)为12.37%;工业销售产值49.73亿元，其中出口交货值6.28亿元，出口率(出口交货值/工业销售产值)为16.62%。[4] 1.《粉末冶金制取粉末的方法》．中国摩擦材料商务网 [引用日期2013-03-29] ． 2.《解读粉体材料科学与工程（粉末冶金专业）》 材料人网 [引用日期2014-01-17] ． 3.《2016年我国车用粉末冶金零部件需求将超过16万吨》 ．产业信息网 [引用日期2013-12-17] ． 4. 《2013-2017年中国粉末冶金制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》 4

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2．本课题要研究或解决的问题和拟采用的方法（途径） 1 基于粉末材料可压缩连续介质的假设，重点研究其屈服准则和本构方程，通过物理实验数据优化参数，建立合理的材料模型，并通过与其它模型的对比，探讨模型参数的意义及各参数的变化对模拟结果的影响。 2 对于金属粉末压制成形工艺，主要研究模具的形状、粉末的粒度、压制力、压制方式、温度、压制速率、模壁系数七个影响因素对粉体的密度及密度分布规律的影响，并通过密度分布和压制曲线的实验结果，分析并验证有限元模拟的有效性。 3 模拟烧结工艺的设定：在烧结加热阶段，运用deform软件的热-力耦合，对平均相对密度为0.7、0.8、0.9的压坯分别在900℃、1000℃、1100℃的烧结温度下进行烧结，探讨密度及密度分布对温度分布的变化规律。在烧结硬化阶段，运用deform软件的相转变模块，模拟不同的冷却速率下，奥氏体向马氏体转变的演变规律。 4 对烧结坯进行显微组织观察及力学性能测试：对不同密度的烧结坯进行硬度测定和拉伸试验，并在扫描电镜进行断裂形貌组织观察，研究密度与硬度的关系及密度对断裂方式的影响，进而探讨密度、组织、性能三者间的关系。 5 对复杂三维零件进行模拟：零件的形状根据工厂提供，引入本文中的材料模型，设计模具并进行计算机模拟。模拟工艺参数与工厂实际生产工艺参数完全一致，分析并对比模拟结果与实验结果，验证有限元模拟在复杂零件上的有效性，为工厂的实际生产做出指导。 5

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3.总结报告（5000字） 此次工程综合训练，从2014年9月初起至2014年9月28日结束，我们工程训练的课题是“金属粉末压制、烧结过程的数值模拟研究”，在这一个月的学习中，通过范仓教授和黄永强学长的指导下，我初步了解了粉末冶金的概念，现状与未来发展前景，学习了粉末冶金的原理以及操作方式，同时掌握了solidworks软件和deform软件，来设计并建立模具和对金属粉末的的压制过程进行分析。 粉末冶金工艺的先进性体现在具有独特的化学组成和机械、物理性能，尤其具有用传统的熔铸方法无法获得的组成和性能。 （成分范围高度可调=》不同的性能），同时大批量高效生产（一般每分钟4 ～ 10件）。粉末冶金成形（无机加工或极少的机加工，高材料利用率最高可以达到95%以上），降低生产能耗和成本。根据具体应用环境与要求，密度从70%至100%广范围可调（减轻零件的重量，含油自润滑，省能，省材等）。低温烧结，节省能耗；排放气体主要是空气中主要成分的氮气和纯净水蒸汽；冷却为循环水冷却，无水资源浪费和污染。 粉末冶金包括粉末制备和粉末经过压制、烧结得到冶金制品两部分，它既可制造出传统冶炼技术难以得到的金属材料，又可直接由粉末制成最终制品或接近最终形状的制品，而不需或只需少量机加工便可以达到制品的技术需求。与传统的金属加工方法相比，粉末冶金的材料利用率高、能耗低、经济效益好，是节能节材的先进工艺技术。因此，在工业生产中被大量用于金属零件的制备，特别是在汽车制造业领域有着广泛的应用。 粉末冶金产品的制备过程：首先生产粉末。粉末的生产过程步骤有粉末原材料的制取、粉料的混合等。一般选择加入机油、橡胶或石蜡等增塑剂来改善粉末的成型性和可塑性。之后是压制成型。将粉末在一定压力下，在模具中压制成所需形状。之后在保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结成型。类似于熟化现象，烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。烧结之后进行后处理。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。

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金属粉末冶金的发展非常迅速，尤其是计算机技术已经达到了一个较高程度的现在，对于粉末压制过程中的力学等性质能有较好较全面的分析。众所周知粉末材料是由大量颗粒构成的，每一个颗粒可以看做是一个致密的球，颗粒与颗粒之间结合必定有间隙，也就是非连续体，这种非连续体的成形是一个几何非线性、材料非线性、边界非线性的组合非线性问题。因此，粉末冶金工艺的模拟是建立在致密体求解基础上作出的假设和修正，但该假设的材料模型又不完全符合粉体的塑形屈服强度模型和本构方程。目前，将粉末弹塑性模型与有限元技术相结合对粉末冶金制品的压制、烧结过程进行数值模拟的研究有限。 在初步确立金属粉末冶金的压制方式和过程中力学性能分析手段之后，我们就模型设计和压制过程模拟进行了学习。 本次训练我们使用solidworks软件进行零件绘制，模具绘制和组装。完成后通过deform软件进行压制中力学性能的分析。 我所选择的成品件如下： 首先是使用solidworks软件进行零件的绘制，之后进行模具设计分析，由于该零件是三个台阶的拉伸，因此需要建立三个草图，从而来进行立体图拉制。在绘图过程中需要注意视图的统一，以及中心的选择。

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零件草图如下：

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零件立体图如下： 9

之后通过零件粉坯长度比，设计绘制模具图，由于模具较复杂，直接展示立体图和剖面图： 10

Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。 在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。 在建模之后，通过deform软件，将数据文件录入，从而模拟压制过程，通过微元分析，之后得到一系列动画以及相对压缩状态的物理性能数值。 Deform压制模拟过程图片如下： 11

由上图可以分析，随着压制压力越大，也就是压制过程达到后期，压制的相对密度越高，200KN~960KN相对应的密度由0.607~1.000。 由上图可以分析，随着压力增加，压制过程接近尾声，等效应力越大，200KN~960KN对应等效应力由0MPa~989MPa。

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运用DEFORM软件时，首先导入几何模型将solidworks软件制作的模型以STL模式保存，之后导入，之后进行网格划分，越细致的网格，分析时间越长，分析数据也越精密，可以以微分，微元法进行比照。DEFORM-3D的前处理中网格划分有两种方式，一种是用户指定单元数量(绝对网格划分），系统默认划分方式，用户指定的网格单元数量只是网格划分的上限约数，实际划分的网格单元数量不会超过这个值。用户可以通过拖动滑块修改网格单元数，也可以直接输入指定数值，该数值和系统计算时间有着密切的关系，该数值越大，所需要的计算量越大，计算时间越长。有些加工过程是在变温环境下进行的，比如热轧，在轧制过程中，工件，模具与周围环境介质之间存在热交换，工件内部因大变形生成的热量及其传导都对产品的成形质量产生主要的影响，对此问题，仿真分析应按照瞬态热一机祸合处理。DEFORM材料库可以提供各个温度下材料的特性。在DEFORM-3D软件中，用户可以根据分析的需要，输入材料的弹性、塑性、泊松比、杨氏模量、电阻、热物理性能数据，如果需要分析热处理工艺，还可以输入材料的每一种相得相关数据以及硬化、扩散等数据。 为了更方便的使用户模拟塑性成形工艺，该软件提供了100余种材料（包括碳钢、合金钢、铝合金、钛合金、铜合金等）的塑性性能数据，以及多种材料模型。在材料库中，对每一种支持的材料提供了不同温度和应变率下材料流动应力应变曲线和膨胀系数，弹性模量，泊松比，热导率等随温度的变化曲线。 接触菜单用于定义工件与所有用到的模具之间以及模具之间可能产生的接触关系。工件在变形过程中的温度，变形量是待求量，工件通常被定义成为可变形接触体。通常，最简单，计算效率最高的定义是用二维曲线(ZD平面或是轴对称锻造)或是三维空间曲面(3D锻造)描述模具参与接触部分的外表面轮廓，用刚性接触体描述。刚性接触体上只具有常温，起主动传递刚体位移或合力作用。如果需要关心模具的温度变化，可将模具上所关心的部分离散成单元(二维平面单元或是三维轴对称实体单元)，定义成为允许传热的刚性接触体，分析过程中，模具既有传递位移或合力作用，同时又有内部热量的传导和与外界的换热。实际锻造过程中，模具或多或少都存在变形，当要分析模具的温度和变形时，可将模具离散成为具有温度和位移自由度的有限单元，定义成为可变形的接触体，这会使计算的规模增加，但是分析结果更加合乎实际情况。还有一类刚性接触体为对称面，定义在 13

工件上具有对称边界条件位置处，起施加对称边界条件的约束作用。定义的对称刚性平面可以满足法向的零位移约束和法向零热流约条件。 DEFORM后处理菜单为用户提供了直观方便的评价成形过程，成形产品质量，以及应力、应变、温度、速度、位移、破坏系数等。工具损伤的必须信息以及图片，文本和表格形式提取和保存所需结果的各种工具。DEFORM支持在加工过程中以等值线，分布云图，数值符号，色标，等值面和切平面矢量等方式显示各种场变量分布。也可按路径显示或历程显示分析结果。显示结果能够借助于色调，光照和渲染产生出具有逼真效果的图形。也可利用分析结果制作动画和电影。用户利用这些提取各种体成形分析结果工具，足以获得设计产品加工工艺所关注的全部信息。这对设计人员充分了解设计工艺及其实施的可行性是大有裨益的。一旦模具设计和初始坯料形状尺寸不合理，从分析结果中可显示出材料流动受阻后可能出现的开裂或是重叠，从历程显示可以提取模具成形力随行程的变化曲线，是一个从设备加工能力，设备消耗角度来设计加工工艺的必须指标。在后处理界面中显示工件流动过程中应力，应变，应变率和温度的分布变化，帮助工艺设计师评定工件的加工质量。其中的局部加工硬化，应力集中，高应力梯度，工件模具的接触压力等结果，可以评定成形产品的质量好坏的控制因素。 本次工程训练也遇到了很多问题，包括开始接触solidworks和deform时不知所措，但是在老师学长的指导，和自己在网络上搜索网络课程学习后，学会了较为熟练的运用solidworks软件。 最后，在工程训练中，我收获了很多书本上学习不到的知识，不只是画图技巧，也包括了软件的选择安装和运用，以及在网络上搜索文献的方法。 同时我得到这些锻炼也与老师和学长的指导有关，指导老师范沧教授对粉末冶金工艺有多年的研究和工作实践经验，且粉末冶金工艺的研究已经历了大半个世纪的发展，有限元数值模拟也有20余年的研究，这两方面的文献资源都非常丰富。且学校具备完善的文献查询系统，可跟踪国内外本项目研究领域的发展动态，尽管将粉末冶金工艺与数值模拟相结合的研究还处于起步阶段，但具有很大的发展空间和研究价值。

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成绩： 指导教师评语： 指导教师： 年 月 日 15

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