粉末冶金原理-黄培云烧结这章思考题及答案详解

1、烧结这章思考题1. 烧结理论研究的两个基本问题是什么？为什么说粉体表面自由能降低是烧结 体系自由能降低的主要来源或部分？答：研究的两个基本问题： 烧结为什么会发生？也就是 烧结驱动力 或热力学 的 问题。 烧结是怎样进行的？烧结的 机构和动力学 问题。 原因：首先体系自由能的降低包含 表面自由能的降低和晶格畸变能 的降低。 因为理论上，烧结后的低能位状态至多是对应单晶体的平衡缺陷浓 度，而实际上烧结体总是具有更多热平衡缺陷的多晶体， 因此烧结过 程中晶格畸变能减少的绝对值，相对于表面能的降低仍然是次要的。2. 粉末等温烧结的三个阶段是怎样划分的？实际烧结过程还包括哪些现象？ 答：粘结阶段：颗粒

2、间接触再通过成核，结晶长大等 形成烧结颈。特点：颗粒内 晶粒不发生变化，颗粒外形也基本 未变，烧结体 不收缩，密度增加极微 ，强度和导电性 有明显增加 （因 颗粒结合面增大） 烧结颈长大阶段： 烧结颈长大， 颗粒间形成连续空隙网络。 晶粒长大使晶 界扫过的地方空隙大量消失。特点： 烧结体收缩，密度和强度 增加。 闭孔隙球化和缩小阶段：闭孔量大增，孔隙球化并缩小。 特点：烧结体缓慢收缩（但主要靠小孔消失和孔隙数量的减少 来实现），持续时间可以 很长，仍会残留少量 隔离小孔 隙。还有可能出现的现象：粉末表面气体或水分的蒸发。氧化物的还原的离解。 颗粒内应力的消除。 金属的回复和再结晶以及聚晶长大等

3、。3. 用机械力表示烧结驱动力的表达式是怎样？式中的负号代表什么含义？简述 空位扩散驱动力公式推导的基本思路和原理。答：机械力表示的烧结驱动力表达式： （参考书上模型）。：作用在烧结颈上的应力。 ：表面张力。 ：曲率半径。式中负号表示作用在曲颈面上的应力是 张力，方向朝颈外。空位扩散驱动力公式推导思路：cvov cvo kT 2热力学本质： 在烧结颈上产生的张应力减小了烧结球内 空位生成能。（意味空位在张力作用下更容易生成。 ）具体推导公式见书。 过剩空位浓度： 由于空位生成能的减小， 烧结颈处比烧结体内更容易生成大 量空位，由此产生了空位浓度差，即过剩空位浓度（梯度）cvv 。（公式推导见书

4、）空位扩散：过剩空位浓度梯度使烧结颈的空位向内部扩散， 同时烧结体内部 的原子会相反得扩散到烧结颈使烧结颈长大。4. 应用空位体积扩散的学说解释烧结后期空隙尺寸和形状的变化规律。答：在烧结后期，在闭孔周围物质内，表面应力使空位的浓度增大，不断向烧结 体外扩散，引起孔隙收缩。根据空位体积扩散学说，空位源（大量产生空位 的地方）包括 烧结颈表面，小孔隙表面，凹面，及位错 。空位肼（吸收空位 的地方）包括 晶界，平面，凸面，大孔隙表面，位错等 。因此，当空位由内 孔隙向颗粒表面扩散以及空位由小孔隙向大孔隙表面扩散时， 烧结体就发生 收缩，小孔隙不断消失和平均空隙尺寸增大。5. 从晶界扩散的烧结机构出

5、发，说明烧结金属的晶粒长大（再结晶）与孔隙借空 位向或沿晶界扩散的关系。答：一句话：烧结金属的 晶粒长大 （后面单元系固相烧结中有讲，晶粒长大一般 在烧结后期才会发生，后期的孔隙度小于 10%的时候） 过程，一般 就是通过晶界移动 和孔隙消失的方式进行的。 解释：晶界可以作为 空位肼或扩散通道 。 孔隙周围的空位向晶界（ 空位肼 ）扩散被其吸收，使孔隙缩小，烧 结体收缩。 晶界上孔隙周围的空位沿晶界 （扩散通道 ）向两端扩散， 消失在烧 结体之外，也使孔隙缩小，烧结体收缩，晶粒长大。6. 如何用烧结模型的研究方法判断某种烧结过程的机构？烧结温度， 时间，粉末 粒度是如何决定具体的烧结机构的？某

6、一烧结机构占优势是什么含义？答：蒸汽压高的粉末的烧结以及通过气氛活化的烧结中， 蒸发与凝聚 不失为重 要的机构；在较低温度或极细粉末的烧结中， 表面扩散和晶界扩散 可能是 主要的；对于等温烧结过程， 表面扩散 只在早期阶段对烧结颈的形成与长 大以及后期对孔隙的球化才有明显的作用。但仅靠表面扩散不能引起烧结 体收缩。晶界扩散一般不作为孤立机构影响烧结过程，常伴有 体积扩散 出 现。等温烧结后期， 体积扩散总是占优势。粘性流动 只适用于非晶体物质， 塑性流动 是对粘性流动理论的补充，建立在金属微蠕变理论基础上。温度:温度低时机构一般有表面扩散，晶界扩散。温度升高，体积扩散逐 渐变明显。对于蒸发与凝

7、聚也需要较高的温度。时间：早期表面扩散和晶界扩散为主，后期体积扩散占优势。 粉末粒度：粉末越细，表面扩散越明显，粉末越粗，表面扩散越难进行， 因为表面能降低了，此时体积扩散占优。某一烧结机构占优： 上述各种机构可能同时或交替地出现在某一烧结过程 中，如果在特定条件下一种机构占优， 限制着整个烧结过程的速度， 那么 它的动力学方程就可作为实际烧结过程的近似描述。7. 简要叙述粉末粒度和压制压力如何影响单元系固相烧结体系的收缩值？答：压制压力越大，压坯密度就越高，径向和轴向的收缩值都会降低。但当压力过高时，烧结体会膨胀。粉末越细，形状越接近球形，压坯烧结时收缩率会降低，反之会升高8. 由烧结线收缩

8、率 L 和压坯密度 g 计算烧结坯密度的公式为 s L 3 ，试 L0(1 ) 3L0 推导其公式，假定一压坯(相对密度 68%)烧结后，相对密度达到 87%，试计 算线收缩率是多少？L 答：设轴向，径向线收缩率相同，为 L 且烧结体为立方体。则烧结前质量 g L03烧结后质量g (L0L)3二者相等得s (1 LgL)3L0当8678 0.782 时，LL 即线收缩率为 7.9%。 L09. 分析影响互溶多元系固相烧结的因素。答：多元系固相烧结实际上发生的是 合金均匀化过程 ，而影响合金均匀化的是原 子之间的互扩散， 我们只要搞清影响互溶多元系 扩散 的机制，就可以分析出 影响多元系固相烧结

9、的因素。影响因素：原子半径相差越大，互扩散速度越大； 间隙式扩散比置换式扩散快。 原子在体心立方中扩散比在面心立方中快。 在金属中溶解度小的组元，扩散速度往往较大。 对于互扩散系数不相等的组元，互扩散时会产生可肯达尔效应，扩散快的组元会留下过剩空位， 然后聚集成微孔隙， 从而 使合金膨胀，致密化速率减慢。添加第三元素可显著改变 B在 A中的扩散速度，如加 V,Si,Cr,Mo,Ti,W等形成碳化物的元素会显著降低碳在铁中的扩 散速度。 元素周期表中， 靠铁左边属于形成碳化物元素， 降低 扩散速度，靠铁右边属于非碳化物形成元素，增大扩散速度。如果偏扩散留下的空位能溶解在晶格中，就能增大原子的活

10、性，促进烧结进行，相反，如果空位聚集成微孔，反将阻碍 烧结过程。(Cu-Ni)对于 Cu-Ni 无限互溶系： 烧结温度 :温度升高，合金化越迅速。 烧结时间：时间越长，合金化程度越高。 粉末粒度：合金化速度随粒度减小而增加。 压坯密度：增大压力使压坯密度增大，促进合金化。 粉末原料：用预合金粉或复合粉比完全使用混合粉的合金化 时间要短。 杂质：阻碍扩散从而阻碍合金化。对于 Fe-C有限互溶系：其他合金元素影响着 C 在 Fe 中的扩散速度，溶解度和分布。随 C 在 Fe中溶解，烧结过程加快。石墨粉的粒度和均匀程度对这一过程影响较大。 冷却越快，硬度和强度也越高，缓慢冷却，可能加速石墨化 过程。

11、10. 互不溶系固相烧结的热力学条件是什么？为获得理想的烧结组织，还应满足 怎样的充分条件？答：热力学条件 ： AB A B，即 A-B的比界面能必须小于 A,B单独存在的 比表面能之和。对于烧结体的收缩值，ACA BCB 2 ABCACB ,CA CB 1A, B 组元在相同条件下单独烧结时的收缩值。AB 全部为 A-B接触时的收缩值。CA,CB为 A， B的体积浓度。11当 AB 2( A B) 时，体系处于最理想的混合状态，当 AB 2( A B)AB 1 ( A B)时，烧结后收缩偏大；当 2 时，烧结收缩偏小。11. 简明阐述液相烧结的溶解 -再析出机构及对烧结后合金组织的影响 答:

12、溶解 -再析出机构：固体颗粒逐渐溶解于液相。 小颗粒，及颗粒表面的棱角 和凸起部位 （曲率 较大）优先溶解，因此小颗粒趋于减小。大颗粒饱和溶解度低，液相中一 部分饱和原子在大颗粒表面沉析出来， 使大颗粒长大 （在负曲率部位析出） 此机构是通过液相进行的物质迁移过程。对烧结后合金组织的影响： 使颗粒外形逐渐趋于球形，小颗粒减小或消失，大颗粒更加长大。 经过溶解 -再析出阶段，固相连成大的颗粒，被液相分隔成孤立的小岛。12. 分析影响熔浸过程的因素和说明提高润湿性的工艺措施有哪些？为什么？答： 影响熔浸过程的因素 ： 润湿角越小，粘性系数越小，孔隙度越大，金属液张力越大，熔浸速度就越 快，反之速度

13、越小。此外熔浸时间越久，熔浸进行得越充分。 （公式见书。） 提高润湿性的工艺措施：热力学要求： WS L （ S L ）S L 0 WSL :粘着功，越大，润湿性越好。 升高温度，或延长液-固接触时间 ：能减小润湿角，因为升高温度有利于 界面反应，金属对氧化物润湿时， 界面反应吸热。 延长时间有利于通过界 面反应建立平衡。加表面活性元素 ，如 Cu中加 Ni，Ni中加少量 Mo。可降低液 -固界面能 粉末烧结前用 干氢还原，除去水分 和还原表面氧化膜 ，可改善液相烧结效 果：因为粉末表面吸附气体，杂质或有氧化膜，油污的存在，会降低表面S L 。自由能 S， L 。 多数情况下，氢气和真空有利于

14、消除氧化膜，改善润湿性。13. 当采用氢气，一氧化碳作还原性烧结气氛时，为什么说随温度升高氢气的还 原性比一氧化碳强？答：用氢气还原时：KPH 2OKPPH2KP用一氧化碳还原时：PCOPH2OPCO 2随温度的升高，用书中图可知道 PH 2 会增大，而 PCO 是随温度PH2O ，PCO 2 升高而减小的。我们知道分压比越大的话， 所允许的实际 2 ， 2 即水分， 二氧化碳的分压就越多，越容易还原。所以温度越高，水分允许分压越高， 二氧化碳允许分压越小，因此氢气比一氧化碳还原性更好。14. 可控碳势气氛的制取原理是什么？如何控制该气氛的各种气体成分的比例？ 指出其中的还原性和渗碳性气体成分

15、。答：制取原理：放热型气氛：碳氢化合物（甲烷，丙烷等）是天然气，焦炉煤气，石油 气的重要成分。 以这些气体为原料， 采用空气或水蒸气在高 温下进行转化（部分燃烧） ，从而得到一种混合的转化气。 当用空气转化而空气与煤气比例较高时， 转化过程中反应放 出的热量足够维持转化器的反应温度， 转化效率较高， 这样 的混合气为放热性气体。吸热型气氛： 若空气与煤气比例较小， 转化过程放出的热量不足以维持反 应所需的温度而要从外部加热转化器， 这样的混合气为吸热 型气氛。如何控制比例： 将空气与甲烷按 2-10 比例混合时，若混合比为 5.5-10，得到放热性气氛分为富，中，贫（混合比依次降低） 三类，富

16、气含氢气体积 8%-16%，含 CO较高，但二氧化碳，水气，氮气 成分较低，贫气含氢气体积 0-0.5%，当混合比为 2-4 时，得到的吸热型气氛分为富（氢气 37%-40%），贫（氢 气 30%-36%）两类气体。显然吸热型气氛氢气含量高，还原性强。脱碳性气氛： 氢气，二氧化碳 ,水蒸气。渗碳性气氛： 甲烷， CO。还原性气氛： 氢气。15. 何谓碳势？用天然气的热离解气作烧结气氛，其渗碳反应式是怎样的？随温度升高，哪一种反应使碳势升高？为什么？答：碳势：指该气氛与含碳量一定的烧结烧结材料在某种温度下维持平衡 （不渗碳，也不脱碳时），该材料的含碳量。甲烷气氛时渗碳反应式：Fe CH4(Fe,

17、C) 2H 2随温度升高，用 CH4 渗碳的反应碳势升高。根据书中图，随着温度升高， CO2 / CO临界分压比值不断减小，脱碳作用增强 （因为允许的二氧化碳分、 压小了，多余二氧化碳会使反应向脱碳方向移动） ，碳势降低。而随温度升 高，CH4 / H2临界分压比值也不断减小，渗碳作用增强 （反应向渗碳方向移 动），促进碳势增长。16. 活化烧结和强化烧结的准确含义有什么不同？简单说明用 Ni 等过渡金属活化 烧结钨的基本原理和烧结机构。答：区别： 活化烧结是目的是降低烧结活化能 Q,从而使烧结反应更容易进行。 而强化烧结， 如热压， 通过改善烧结粉末的接触情况， 增大反应原子 碰撞的“频率因

18、素”，来促进反应，不涉及活化能的改变，严格来说， 不属于活化。（但现代观点广义强化烧结包含热压，液相烧结，活化 烧结等）原理和烧结机构 ：首先镍在钨颗粒表面形成所谓的“载体相” ，然后钨原子 通过该相向镍中不断扩散， 和液相烧结时液相成为物质迁 移的载体有类似的地方； 而固相烧结时，载体相并不熔化， 扩散的结果使钨的颗粒不断靠拢， 粉末坯体不断收缩， 由 于钨与镍等金属的互扩散系数不相等， 无颗粒表面层留下 大量空位，有助于物质迁移。 当活化金属层超过一定厚度 时，烧结致密化就会降低。 镍活化烧结钨的烧结机构大都 认为是体积扩散。17. 热压工艺的基本特点是怎样的？它与热等静压有什么异同点？答：特点： 热压可将压制和烧结两个工序一并完成， 可以在较低压力下迅速获 得冷压烧结所达不到的密度