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1、4 粉体材料与复合材料的成形原理粉体材料与复合材料的成形原理 4.1 粉体材料的成形原理粉体材料的成形原理 4.2 复合材料的成形原理复合材料的成形原理 4.1 粉体材料的成形原理粉体材料的成形原理 粉体材料的成形是以细小的金属或 非金属粉末颗粒作原料，通过压制成 形和烧结获取制品的方法，由此可以 制造传统成形方法所无法获得的材料 和制品，例如难熔材料、厌溶材料、 多孔材料等， 粉体材料的成形是以细小的金属或 非金属粉末颗粒作原料，通过压制成 形和烧结获取制品的方法，由此可以 制造传统成形方法所无法获得的材料 和制品，例如难熔材料、厌溶材料、 多孔材料等， 4.1.1 质量不变条件质量不变条件
2、 m V常数 0 321 =+=dededede V dVd V 4.1.2 粉体材料的压制成形 粉末成形三个阶段。 粉体材料的压制成形 粉末成形三个阶段。 (a) 第一阶段：粉末颗粒的重新 排列阶段 第一阶段：粉末颗粒的重新 排列阶段 (b) 第二阶段：弹性变形与塑性变 形阶段 第二阶段：弹性变形与塑性变 形阶段 (c) 第三阶段：粉末颗粒断裂阶段第三阶段：粉末颗粒断裂阶段 表表 9-1 常用的粉体材料压制成形理论常用的粉体材料压制成形理论 著者名称著者名称 压制成形理论压制成形理论 备注备注 巴 尔 申巴 尔 申 (1938 年年) ) 1(434. 0lglg max =lPP max
3、P最大压紧程度 （最大压紧程度 （=1） 时的单位压力；） 时的单位压力；l 压制因素；相对体积。压制因素；相对体积。 川北川北(1956 年年) bP abP V VV C + = = 1 0 0 C粉末材料积减少率；粉末材料积减少率；a、b系数；系数； 0 V无压力时的粉末材料积。无压力时的粉末材料积。 艾西艾西(1930 年年) P e = 0 孔隙率；孔隙率； 0 无压力时的孔隙率；无压力时的孔隙率； 压缩系数。压缩系数。 黄 培 云黄 培 云 (1980 年年) MPmlglg )1 ( )1 ( lnlg 0 0 = m硬化指数；硬化指数； 0 无压力时的相对密度；无压力时的相对密
4、度； M压制模数。压制模数。 4.1.3烧结 烧结过程通常可以分为四个阶 段，即粉末间的初步粘结、烧结 颈长大、孔隙通道闭合以及孔隙 球化。 烧结 烧结过程通常可以分为四个阶 段，即粉末间的初步粘结、烧结 颈长大、孔隙通道闭合以及孔隙 球化。 （a）初步粘结）初步粘结 （b）烧结颈长大）烧结颈长大 （c）孔隙通道闭合）孔隙通道闭合 （d）孔隙球化）孔隙球化 图图 9 1 球形颗粒烧结模型示意图球形颗粒烧结模型示意图 4.1.4泊松比与相对密度泊松比与相对密度 图图 9-2 泊松比与相对密度的关系泊松比与相对密度的关系 （铁粉末烧结体铁粉末烧结体n=1 92；a=12 5） 0.2 0.3 0.
5、4 0.5 80859095100 相对密度,% 泊松比 实验值 线性方程 幂函数 指数方程 4.1.5 低屈服强度和低延伸率低屈服强度和低延伸率 A0、0 A0、0 致密体致密体0 粉粉体体材料材料 P 图图 9-3 粉体材料屈服强度模型粉体材料屈服强度模型 s = 115 2 0 . 30 60 90 120 150 5060708090100 初始相对密度，% 平面应变压缩屈服强度，MPa 实验值 式（10-13） 图图 9-4 还原铁粉体材料平面应还原铁粉体材料平面应 变压缩时的屈服强度变压缩时的屈服强度 4.1.6粉体材料的屈服准则与应力 应变关系 粉体材料的屈服准则与应力 应变关系
6、 4.1.6.1粉体材料的屈服准则粉体材料的屈服准则 屈服准则均可以写成一个通式屈服准则均可以写成一个通式: ()()CJJfCJJf=, 2121 ()()() ()()()()2 222 2 22 22 22 21 3 1 6 1 3 1 )21 (3 zyxzxyzxyxz zyyxsi JJ + += 粉末材料屈服准则的物理意义 是：当粉体材料内质点的单位体 积弹性总能量达到某一临界值 时，粉体材料进入屈服状态。 粉末材料屈服准则的物理意义 是：当粉体材料内质点的单位体 积弹性总能量达到某一临界值 时，粉体材料进入屈服状态。 4.1.6.2粉体材料塑性变形时的应力 应变关系 可将屈服函
7、数作为塑性势： 粉体材料塑性变形时的应力 应变关系 可将屈服函数作为塑性势： i JJf= 22 )21 (3 o 2 3 1 B A o 23 1 (a) 铜粉体铜粉体 (b) 陶瓷粉体陶瓷粉体 图图 9-6 平面与应变增量平面与应变增量 相关联的流动方程为相关联的流动方程为 d f d ij ij = 粉体材料塑性变形时的应力应 变关系 粉体材料塑性变形时的应力应 变关系 ()() ()() ()() +=+= +=+= +=+= ddddd ddddd ddddd zxxzzxyxzz yzzyyzxzyy xyyxxyzyxx 12,2 12,2 12,2 4.1.6.3等效应变等效应
8、变 () ()()() ()() 211 6 1 3 1 2 222 222 2 + + + + + + + + = zyxzxyzxy xzzyyx i dddddd dddddd d d2 d3 d1 dV 图图 9-7 等效应变的几何意义等效应变的几何意义 应力应力应变速率方程应变速率方程 () () () () () () += += += += += += zx i i xzzx yz i i zyyz xy i i yxxy yxz i i x xzy i i y zyx i i x 1 1 1 & & & & & & & & & & & & 4.2复合材料的成形原理复合材料的成形
9、原理 4.2.1概述 复合材料是一种多相材料，凡是 由两种或两种以上的物理和化学 本质不同的材料，以微观或宏观 的形式组合而成的材料，均可称 为复合材料。 概述 复合材料是一种多相材料，凡是 由两种或两种以上的物理和化学 本质不同的材料，以微观或宏观 的形式组合而成的材料，均可称 为复合材料。 4.2.2 复合理论复合理论 4.2.2.1混合定律混合定律 y=f(x1，x2，x3，) 4.2.2.2复合材料的密度和弹性模量 （ 复合材料的密度和弹性模量 （1）密度）密度 mmff c mmff c c c vv V VV V m += + = （2）弹性模量）弹性模量 （a）单向连续纤维复合材
10、料的弹性模量 当外加载荷平行于单向连续纤维复合材 料的纤维方向时，根据混合定律，可得 ）单向连续纤维复合材料的弹性模量 当外加载荷平行于单向连续纤维复合材 料的纤维方向时，根据混合定律，可得 Ec=Efvf+ Emvm 当发生塑性变形时，基体对复合材 料弹性模量的贡献可忽略不计，此时 有 当发生塑性变形时，基体对复合材 料弹性模量的贡献可忽略不计，此时 有 Ec=Efvf 当外加载荷垂直于单向连续纤维复合材 料的纤维方向时，纤维与基体对复合材料 线性伸长的作用相互无关，则复合材料的 弹性模量为 当外加载荷垂直于单向连续纤维复合材 料的纤维方向时，纤维与基体对复合材料 线性伸长的作用相互无关，则
11、复合材料的 弹性模量为 mfc EEE 111 += （b）颗粒增强复合材料的弹性模量 上限值： ）颗粒增强复合材料的弹性模量 上限值： Ec=Epvp+ Emvm 下限值：下限值： pmmp pm c vEvE EE E + = 4.2.2.3复合理论中的平均应力与平 均应变 复合理论中的平均应力与平 均应变 += += mmffc mmffc vv vv 4.2.3纤维增强复合材料的变形和 强度 纤维增强复合材料的变形和 强度 4.2.4 复合材料的界面复合材料的界面 4.2.4.1复合材料界面的作用复合材料界面的作用 复合材料的界面是指基体与增强材 料之间形成的结合区。 复合材料的界面厚
12、度通常由几个纳 米到几个微米。 界面是复合材料极其重要的组成部 分。 复合材料的界面是指基体与增强材 料之间形成的结合区。 复合材料的界面厚度通常由几个纳 米到几个微米。 界面是复合材料极其重要的组成部 分。 界面结构和性质对复合材料性能的 影响是非常大的。复合材料的界面具 有以下功能： （ 界面结构和性质对复合材料性能的 影响是非常大的。复合材料的界面具 有以下功能： （1）传递效应 （ ）传递效应 （2）分割效应 （ ）分割效应 （3）阻断效应 （ ）阻断效应 （4）不连续效应 （ ）不连续效应 （5）散射和吸收效应 （ ）散射和吸收效应 （6）诱导效应）诱导效应 4.2.4.2影响复合材料界面的因素 影响复合材料界面的因素主要有： （ 影响复合材料界面的因素 影响复合材料界面的因素主要有： （1）润湿性 （ ）润湿性 （2）界面反应 （ ）界面反应 （3）颗粒表面的几何形状、分布 （ ）颗粒表面的几何形状、分布 （4）界面结合力）界面结合力 4.2.4.3界面优化及控制界面反应途径 （ 界面优化及控制界面反应途径 （1）增强体的表面涂层处理 （ ）增强体的表面涂层处理 （2）添加合金元素 （ ）添加合金元素 （3）优化制备工艺方法和参数）优化制备工艺方法和参数
