粉末冶金材料与相应致密材料的异同

粉末冶金材料与相应致密材料的异同粉末冶金材料与相应致密材料的异同 1 论述粉末冶金材料与相应致密材料有什么不同 粉末冶金材料是 指通过粉末冶金的方法得到的材料 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 复合以及各种 类型制品的工艺技术 1 粉末冶金技术具有显著节能 省材 性能优异 产品精度高且稳定 性好等一系列优点 适合于大批量生产 此外 部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和难以加 工的零件也可用粉末冶金技术来制备 故而备受工业界的重视 2 粉末冶金最多可以达到99 左右的理论密度 关于烧结材料与致密材料的区别 可以分为韧性材料和脆性材料来 说 3 一般而言韧性材料粉末冶金后的性能很难达到致密材料 因为那不 到1 的孔隙率足够恶化性能了 但是如果是脆性材料 可以通过粉末冶金大大细化晶粒 使得材料 获得晶界强化 韧性反而提高 在粉末冶金材料中 存在大量的晶间裂纹 由于材料细观结构的复杂 性 微裂纹相互作用的影响及损伤材料的各向异性性质 使得类似 的脆性或拟脆性材料的宏 细观损伤研究变得十分困难 4 粉末冶金材料往往要经历一定的热循环载荷 而在室温下表现为脆性 断裂的粉末冶金材料在高温时塑性明显增加 可能在某一段温度下 会形成脆性断裂向韧性断裂转变 而随着温度的降低材料的破坏模式 又会由韧性断裂转变为脆性断裂 同时不同应力约束状态下材料本 身也存在韧脆转变 而材料的损伤是一个逐渐积累的过程 必须对 其韧脆损伤进行统一描述 5 有些粉末冶金复合材料无论是在冲击压缩还是冲击扭转下其变形强 化行为都具有颗粒尺寸效应 即增强颗粒越小 强化效果越好 在冲击扭转形成的简单热剪切变形局部化同样具有增强颗粒尺寸依 赖效应 具体表现为增强颗粒越小 材料越易出现绝热剪切变形局 部化 6 增强颗粒尺寸越小 在复合材料基体中诱导的应变梯度越高 例如碳化硅颗粒增强铝基复合材料 粉末在烧结过程中要发生体积收缩 密度提高和气孔率减少等现象 在整个烧结过程中 在不同温度下铁氧体坯件的变化规律是不同的 总的来说可以这样描述在烧结开始 随着烧结时温度的升高 坯件 内的水分 粘合剂和某些杂质因升温而被排除 颗粒开始有点接触 但孔隙还很多而且分散并相互贯通 坯件的体积收缩 致密度以 及强度都不会出现明显的变化 7 随着温度的继续升高 坯件中颗粒与颗粒之间由点接触逐渐变成为 面接触 接触面积迅速扩大而形成界面 接着颗粒的界面逐渐合并 原来互相贯通的孔隙逐渐被封闭并相对集中而成为孤立的孔隙 其 体积逐渐缩小 最后大部分从坯件中被排除 在此阶段 只要烧结温度稍有增加 坯件收缩 致密度与强度就会 发生很大的变化 随着温度的进一步升高 坯件的收缩 致密度与强度的变重新变缓 那些未被排除的封闭气孔有所缩小 坯件密度有所增加 致密化 趋于完善 通常 粉末烧结过程可分为初期 中期和末期三个阶段 在烧结的初期 坯件内颗粒接触并在接触表面形成颈部长大 而在 总体上还未出现晶粒生长 在烧结的中期 开始坯件内的气孔仍然是处于连通状态 气孔的形 状是各种各样的 随着烧结的进行 坯件体积显著收缩 密度增大 当烧结坯件密度达到理论值的百分之六十左右时 晶粒开始生长 此时坯件内仍有许多细气孔 相对密度增大在较大的范围内随着烧 结时间的增加而减缓 随着晶粒尺寸的增大 坯件致密化速率有所下降 当坯件密度大约为理论密度的百分之九十五时 气孔全部变成封闭 气孔 在烧结的末期 有可能发生不连续的晶体生长 当有异常晶粒生长 时 大量的气孔将被卷人晶粒内部 并且气孔与晶粒边界隔绝 因 而坯件不能有更多的收缩 如果能够避免不连续的晶体生长 则由于气孔可以在晶界上被排除 最后的百分之几气孔率可以得到降低 从而可以得到高密度 8 参考文献 1 黄培云 粉末冶金原理 M 北京 冶金工业出版社 1997 10 2 王利清 xx年稀土在国防军工领域中应用的新进展 J 稀土信 息 xx 1 2 3 松山芳冶等著 周安生等译 粉末冶金学 科学出版 社 1978 4 曾德麟 粉末冶金材料 M 北京 冶金工业出版社 1997 38 5 王尔德 胡连喜 机械合金化纳米晶材料研究进展 J 粉末冶金 术 xx 20 3 135 139 6 Singer AR E The principlesof sprayrolling ofmetals J MetMater 1970 4 246 250 7 马金龙 童学锋 彭虎 烧 结技术的革命 微波烧结技术的发展及现状 J 新材料产业 xx 96 6 30 32 8 魏先斗 陶瓷材料的结构功能及其发展前景 J 机械工 程师 xx 4 122二 如何通过热力学和动力学来解释固相烧结 烧结 Sint ering 指粉末或粉末压坯在适当温度 气氛下受热 借助于原子迁 移实现颗粒间联结的过程 粉末或粉末压坯在一定的气氛中 在低于其主要成分熔点的温度下 加热而获得具有一定组织和性能的材料或制品的过程 烧结的目的依靠热激活作用 使原子发生迁移 粉末颗粒形成冶金 结合 烧结温度低于所有组分的熔点的烧结称为固相烧结 固相烧结又分为单元系固相烧结和多元系固相烧结 单元系固相烧结是指单相 纯金属 化合物 固溶体 粉末的烧结 烧结过程无化学反应 无新相形成 无物质聚集状态的改变 多元系固相烧结是指两种或两种以上组元粉末的烧结过程 包括反 应烧结等 1 粉末状的物料在高温作用下为什么能够转变成为密实的烧结体呢 只 要把处于粉末状态的物料与块状物质作比较就能清楚 粉末状的物料是分散的 具有大的比表面积 因而粉末状的物料具 有很高的表面能 同时 粉末物料表面的正负离子作用力比其内部大 从而引起变形 和间距变化 也引起热力学稳定性下降 所以加热时离子更具有可动性 另外 由于粉料表面和内部有着各种晶格缺陷 再就是由于粉碎等 工艺使粉末物料存在有加工应变 这一些也都使粉末物料晶格活化 离子更具有可动性 2 基于以上原因 使得粉末物料具有很高的能量 众所周知 任何系统都有向着最低能量状态发展的趋势 因此 系 统表面能的降低是粉末烧结的驱动力 在烧结过程中 必须有物质的传递 才能从疏松的坯件变成致密的 烧结体 物质传递的机理 有着三种不同的观点 粘性流动与塑性流动机理 气相传递 蒸发与冷凝机理 扩散机理 提出这些机理的人 都相应地进行了实验验证 4 实际上 在烧结过程中 物质传递的机理是很复杂的 还没有一种机理能够说明一切烧结现象 多数认为 在烧结过程中 不是单独一个机理在起作用 但是在一定的条件下 某种机理是占 主要地位的 对于晶态固体的烧结 实验表明扩散是主要的机理 5 当烧结按照扩散机理来进行时 物质的传递就与固体中的点缺陷浓 度 特别是空位浓度有关 空位浓度越大 扩散速度也就越大 根据菲克定律 只有在一个空位浓度梯度下 才能造成定向的空位 扩散 假如考虑半径为 的二个接触的圆球 则空位的浓度在球体的各个部 分是不一样的 而且空位会从空位浓度高的地方 空位源 向空位浓度 低的地方 空位消除点 扩散 而物质是往相反的方向扩散 6 根据Kelivn方程 在凹面上空位浓度较大 因此那里是一个空位源 所以物质将向弯曲表面扩散 亦即向着曲率半径为p的颈部表面扩散 这样 就使颈部逐渐生长而烧结 空位扩散的途径 可以通过从颈部由体积扩散到晶界而消除 也可 以由表面扩散而消除 在不同的条件下 将是不同的扩散途径起主要作用 但最主要的是 从颈部凹面到晶界的体积扩散 依照这种扩散机理 在烧结过程中 二个球形颗粒接触处的颈部半 径二应当逐渐长大 二个球中心之间的距离因为烧结而缩短 所以在外观上可测出体积收缩 烧结过程中 粉末系统自由能的降低是烧结进行的驱动力 7 1 烧结时所需能量在粉末中存在的形式首先被考虑到的当然是粉 末的表面能 粉末粒度愈小 其粉末体的表面积就愈大 相对地具有的表面能也 就较高 除表面能外 还有各种形式的晶格缺陷所贮存的能量 晶格缺陷会因粉末制造方法的不同而有显著的差异 2 烧结时所需能量对烧结过程所起的作用 8 粉末的表面能越大 所贮存的能量就越高 这样的粉末要释放能量使其变为低能状态的趋势也就越大 烧结也 就易于进行 3 热力学方程式STUA 一般来说 A的值总是小于 U 据估算 表面能的数值与化学反应中的能量变化相比较是相当小的 但是 一般认为这种能量是发生烧结的原动力 4 单元系烧结驱动力的单元系中粉末颗粒处于化学平衡态 烧结 驱动力主要系统过剩自由能的降低 系统的过剩自由能包括1 总界面积和总界面能的减小 E s As gb Agb 2其中 As 自由表面积 Agb 晶界面积 单晶时Agb 0 则为总表面能减小 2 粉末颗粒晶格畸变和部分缺陷 如空位 位错等 的消除过程中 能量的高低与粉末加工过程有关 5 多元系烧结驱动力的烧结驱动力主要体系的自由能降低 G H T S G 0且 0此时体系自由能包括反应自由能 体系自由能降低 的数值远大于表面能的降低 表面能的降低处于辅助地位 烧结的最重要的目的是致密化 固相烧结可分为3个阶段 9 第一阶 段即烧结初期 该阶段包括了一次颗粒间一定程度的界面即颈的形 成 颗粒间的接触面积从零起始 增加并达到一个平衡状态 烧结初期 不包括晶粒生长 第二阶段即烧结中期始于晶粒生长开始之时 并伴随颗粒间界面的 广泛形成 此时 气孔仍是相互连通成连续网络 而颗粒间的晶界面仍是相互 孤立而不形成连续网络 大部分的致密化过程和部分的显微结构发展产生于这一阶段 第三阶段即烧结后期 随着烧结过程中气孔变成孤立而晶界开始形成 连续网络 在这一阶段孤立的气孔常位于两晶粒界面 三晶粒间的界线或多晶 粒的结合点处 也可能被包裹在晶粒中 烧结后期致密化速率明显减慢 而显微结构发展如晶粒生长则较迅 速 烧结初期的模型或理论非常多 这些模型均基于相似的双球模型 并假设两个球体之间中心距的变 化即等于烧结体的线性收缩 这一假设条件下 表面扩散 气相蒸发 从表面到表面的体积扩散 等传质过程被认为对烧结体的线性收缩不起作用 而粘性流动 晶 界扩散及从晶界到颗粒间的瓶颈处的体积扩散被认为可导致颗粒间 中心距的减小 即对致密化有贡献 所得的不同结果仅是由于假设不同的扩散致密化途径而已 尽管这一阶段的研究较多 但事实上烧结初期的总的收缩量是十分有 限的 致密化过程实际上意味着体系表面积 或表面能 的减小和界面积 界 面能 的增加 前者是致密化的推动力 而后者则为阻力 故总的致密化的推动力为 G Gs Gi sdAs idAi式中 G Gs和 Gi是体系总自由能 表面能和界面能的变化 s和 i分 别为表面张力和界面张力 As和Ai分别为比表面积和比界面积 参考文献 1 马金龙 童学锋 彭虎 烧结技术的革命 微波烧结技术的 发展及现状 J 新材料产业 xx 96 6 30 32 2 曾德麟 粉末冶金材料 M 北京 冶金工业出版社 1997 38 3 陈进 黄伯云 赵慕岳 发展我国粉末冶金的一些思考 J 粉末 冶金工业 1994 1 8 13 4 Feng XQ Yu SW A newdamage modelfor microc rack weakened brittlesolids Acta Mech Sinica 1993 9 3 251 260 5 Fan J A micro macrosocopic analysisfor cyclicplastici ty ofdual phase materials Journal of