材料工程基础讲稿

材料工程基础讲稿第一页，共三十四页，编辑于2023年，星期六1、粉末成形的基本理论粉末的堆积密度、粉末在压力下的运动等是影响成形过程的重要因素。粉末堆积密度和在压力下的运动情况是影响成形过程的重要因素。

1）粉体的堆积与排列尺寸均匀的球形颗粒可以进行规则排列和堆积，各种堆积类型和堆积密度(以占粉末固体密度的百分比表示)及配位数表示。

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大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器时，即使颗粒进行面心立方或六方密堆排列堆积密度也低于74%。振动振实密度仅达到62.8%，平均配位数低于12。为提高堆积密度，在大颗粒间加入较小的颗粒。当小颗粒粉末量增加时，表观密度先增加然后降低。以松装密度、振实密度及粉体的流动速率衡量粉末的堆积密度。松装密度影响压缩比。颗粒尺寸越小，松装密度也越小—颗粒间摩擦力↑；形状不规则或球形度低，密度↓。第三页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

松装密度↑→压缩比↓，有利于成形工艺的控制。流动速率对成形的影响：当颗粒尺寸小于44μm时，颗粒几乎不流动，难以成形。与松装密度相似，球形颗粒流动性↑↑；流动速率随表面粗糙度↑→↓。

2）粉末在压力下的运动行为松散粉末的模压或等静压过程可分为三个阶段：1）粉末颗粒发生重排，架桥现象被部分消除，颗粒间接触增加；2）颗粒发生弹塑性变形，塑性变形的大小取决于粉末材料的延性。坯体密度与粉末的压缩性能有关。3）颗粒断裂。在压制过程中产生加工硬化—脆化粉体，随着施加压力↑→脆性断裂→较小的碎块。实际上，这三个阶段是相互交叉发生的。

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在压制过程中，随着压力↑→粉体密度↑→气孔率↓。对压力与密度或气孔率的关系进行了大量研究：压力与相对密度之间推导出定量的数学公式。黄培云压制理论方程：(2-3)

式中：dm--致密金属密度；do--压坯原始密度；d--压坯密度；p--压制压力；M--相当于压制模数；m--相当于硬化指数的倒数。用等静压法及普通模压法对各种金属及碳化物粉末进行成形试验，证实了双对数规律的正确性。表明该方程不仅实用于等静压，也适用于一般的单向压制，且对硬、软粉末适用效果均较好。第五页，共三十四页，编辑于2023年，星期六2、压力成形1）模压成形将粉料填充到模具内部后，单向或双向加压，将粉料压制成所需形状。操作简便，生产效率高，易于自动化。但成形时，粉料易团聚，坯体厚度大时，内部密度不均匀，形状可控精度差，模具质量要求高，复杂形状的部件模具设计较困难。模压成形包括：原料准备、装模、加压、保压、脱模。

(1)粉末退火处理：使氧化物还原、降低碳和杂质含量、提高粉末纯度。消除加工硬化、稳定晶体结构。一般要进行退火。为防止超细金属粉末自燃，退火处理使其表面钝化。温度一般选在金属粉末熔点的0.5~0.6倍处。第六页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

(2)粉末的混合：将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。有时也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合—合批。两种方法：机械法和化学法，机械法应用较多。机械法：可分为干混和湿混。湿混：在混合过程中加入液体分散介质，常用的液体介质有：水、酒精、汽油、丙酮等。湿混介质的要求：不与物料发生反应、沸点低易挥发、无毒性、来源广泛、成本低廉等。化学法混料：将金属或化合物粉末与金属盐溶液混合，或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合后沉淀、干燥和还原等处理得到成分均匀分布的混合物。第七页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

(3)制粒：用于成形的粉末粒度较细时，进行制粒(造粒)——小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序。目的：改善粉末的流动性，使粉末能顺利地充填模腔。普通造粒法：将粉料加入适量的粘合剂，然后于研钵内混匀后过筛——少量试料。批量造粒在相应的设备上进行，如滚筒制粒机、圆盘制粒机和擦筛机、震动筛等。加压造粒：将混合了粘合剂的粉料预压成块，然后再粉碎过筛。特点是固体颗粒体积密度大，机械强度高，能满足各种大型和异型制品的成形要求，常用的方法。第八页，共三十四页，编辑于2023年，星期六喷雾干燥法

密封体系中完成。把混合好粘合剂的粉料先制成料浆，分以下几个阶段：用喷雾器喷入造粒塔雾化；液滴群与加热介质相接触，与另一路进入塔内的热空气会合而进行干燥，雾滴中的水分受热空气的干燥作用在塔内蒸发而成为干粉，然后经旋风分离器吸入料斗，回收备用。可以得到流动性好的球状团粒，产量大，可连续生产，劳动强度低，易于自动化成形。但造粒质量与料浆的粘度和喷嘴的压力有关，粘度和压力不当，会使造出的团粒出现各种缺陷。第九页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

(4)成形剂：在成形前，粉末混合料中添加能改善成形过程的物质——成形剂。

润滑剂：用来减小粉末颗粒与模腔及模冲间的摩擦力；

粘合剂：提高坯料成形时的流动性、增加颗粒间的结合力并提高坯体的机械强度、减小粉尘；

造孔剂：制备多孔材料时用于在烧结体中产生一定的孔隙。细颗粒粉末所需的成形剂加入量比粗颗粒粉末的量要多。成形的压坯高度越高，所需成形剂的量越多。成形剂的加入量还影响压坯密度和脱模压力以及烧结体的抗弯强度。第十页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

成形剂的不足：降低了粉末的流动性；占一定体积，使密度减小，不利于制取高密度制品；压制过程中由于成形剂的阻隔，粉末颗粒之间的相互接触程度降低，从而降低了压坯的强度；成形剂在烧结前或烧结中排除，因而可能损伤烧结体的外观，排除的气体可能影响炉子的寿命，污染空气。某些成形剂容易和粉末起作用或遗留某种产物，改变产品的化学成分，降低产品的力学性能。第十一页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

(5)加压与脱模：有单向加压和双向加压两种。单向加压受压一端压力大，离加压端越远坯体密度越小。即在任何垂直截面上，上层密度比下层密度大。而在水平截面上，接近上模冲的截面的密度分布是两边大、中间小。远离上模冲的截面密度分布则是中间大，两边小。双向加压时两端直接受压密度大，中间密度较小。第十二页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

成形压力影响压坯的烧结密度和烧结收缩率。成形压力大，烧后产品收缩小、密度高。但压力超过一定值时，烧结体密度提高很少。而且当压力过大时，坯体易出现裂纹、分层和脱模困难等现象。加压速度不仅影响到粉末颗粒间的摩擦状态和金属粉末的加工硬化，且影响到空气从粉末颗粒孔隙中的逸出。加压速度↑→空气逸出困难→坯体分层、坯体内夹杂气表面致密而中间松散等缺陷。通常的压制过程均是以静压

(缓慢加压)状态进行的。第十三页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

冲击成形，属于动压范畴。压制速度由每秒几米增加到2OOm/S以上。粉末冶金用的冲击压力机，加压速度相当于锻造速度，约6.1~18.3m/s。压制的铁基、铜基以及混合金属粉零件。铁粉冲击成形的相对密度可达97%以上，铜粉可达98%，混合粉可达93~96%。高速冲压成形压坯密度分布比缓慢加压更加均匀。是因为成形时的动量大，速度快使粉体变形不受加工硬化的影响。同时，粉体是以大量的点接触为主。当受到外力冲击时，接触区因迅速变形而放出大量的热，使接触部分温度升高，从而使粉末的塑性增加而易于变形。第十四页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

在压制过程中，常在某一特定压力下保持一段时间，特别是对形状复杂或休积较大的制品。原因：保压使压力传递得更充分，有利于压坯中各部分的密度均匀；使粉末中的空气有足够的时间通过模壁和模腔，或模冲和芯杆之间逸出；可以给粉末之间的机械啮合和变形以时间，有利于应变弛豫地进行。对于形状简单、体积小的制品通常不采取保压。第十五页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

把坯体从模具中卸出所需的压力——脱模压力。脱模压力受压制压力、压坯密度、粉末特性、压坯尺寸、模壁状况以及润滑条件等一系列因素的影响。对于金属粉末脱模压力与压制压力成线性关系：

p脱≤p压ζμ，

ζ-摩擦系数，μ-泊松比。陶瓷粉末的脱模压力和压制压力不是简单的线性关系。一般压制压力小于或等于300~400MPa时，脱模压力不超过压制压力的0.3倍。实验表明，润滑性好的成形剂可成倍甚至几十倍地降低脱模压力。

(6)侧压力、外摩擦力和弹性后效：第十六页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

(7)温压成形：提高粉末冶金件密度→性能↑。提高坯体密度的一种新方法。实际上是对一次压制/烧结工艺的改进，即将预混合粉末在一定温度下压制，然后常规烧结，以获得较高的产品密度。关键技术：预混合粉末的制备和温压系统的设计。温压工艺如下：金属粉末(铁粉等)+聚合物粉末→混合→预处理→添加高温润滑剂→温压→烧结.在压制过程中，压制系统将粉末加热、粉末传输和压机的模具加热结合在一起，粉末加热到所需温度，控温的传输与进料系统就将粉末送进模腔中。温压成形工艺主要用于制造高强度、高性能零件。第十七页，共三十四页，编辑于2023年，星期六3、增塑成型1）挤压成形利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出来成形的，模具的形状就是成形坯体的形状。用于柱状、纤维状、空心解状体及厚板状坯体等沿挤出方向外形平直的制品。要求粉料具有可塑性—受力时有良好的形变能力，而且要求成形后粉料能保持原形或变形很小。粘土质陶瓷材料很适合这种方法成形。对非粘土质陶瓷粉料或金属粉料可通过引入各种有机塑性粘接剂(增塑剂)而获得可挤压性。生产效率高、产量大、操作简便，挤压制品的长度不受挤压设备的限制，能挤压出壁很薄(0.Olmm)、直径很细(lmm)的小管，但不适宜三维复杂形状制品，且对二维制品还要求外形平直。第十八页，共三十四页，编辑于2023年，星期六与熔铸轧制相比，粉末轧制的优点是：①能够生产常规轧制法难于或无法生产的板带材，如各种双金属或多层金属带材，难熔金属及其化合物的板带材，磁性材料、减摩材料、多孔材料、电触头材料以及超导材料等的带材。②能够轧制成分比较均匀的带材。③粉末轧制的板带材具有各向同性的特点。第十九页，共三十四页，编辑于2023年，星期六④粉末轧制工艺过程短，节约能源。⑤粉末轧制法的成材率高，一般可达80~90%，而熔铸轧制法仅为60%或者更低。金属粉末轧制与模压相比：零件长度上不受限制，轧制的制品密度比较均匀。但粉末轧制法生产的带材厚度受轧辊直径的限制(一般不超过l0mm)，宽度也受到轧辊尺寸的限制。只能制备形状较简单的板带材以及直径与厚度比值很大的衬套。第二十页，共三十四页，编辑于2023年，星期六3)注射成形借鉴塑料的注射成形工艺，但比成形复杂。也用于高温工程陶瓷成形。近年来发展较快把粉料与热塑性树脂等有机物混合料，以一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出坯体。成形时间为数十秒，经脱脂可得到致密度达60%的素坯体。原料：物料和有机物的混合物压碎、造粒后成形，压力高达1300kg/cm2；注射成形机可分为活塞式和螺旋棒式两类，由于螺旋棒式具有计量性好、可塑化的均一性高、成形速度快、注入压力损失小、制品质量稳定等优点，应用较多。

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特点：适合批量生产，成本低，成品尺寸可控、一般不必再修整，易于制作不规则表面、孔道等复杂形状制品。但存在脱脂时间长，浇口封凝后内部不均匀性等。通过在注射喷嘴与模具的浇口之间联接一个振动频率可调的活塞来解决。第二十二页，共三十四页，编辑于2023年，星期六第三章粉末烧结

粉末成形后，粉末颗粒之间多数为机械咬合，强度↓，粉末颗粒表面能的驱动力↑→借助高温激活粉末中原子、离子等的运动和迁移→粉末颗粒间增加粘结面，降低表面能，形成稳定的、所需强度的块体材料(制品与坯锭)——陶瓷、金属粉末冶金中的高温烧结技术。1、烧结原理烧结：在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化，由松散状态逐渐致密化→机械强度↑的过程。烧结中的物理化学变化:

有机物的挥发、坯体内应力的消除、气孔率的减少；在烧结气氛作用下粉末颗粒表面氧化物的还原、原子的扩散、粘性流动和塑性流动；烧结后期还可能出现二次再结晶过程和晶粒长大等；生成液相时，还可能发生固相的溶解与析出。根据烧结过程中有无液相产生，可以将烧结分为固相烧结和液相烧结。

第二十三页，共三十四页，编辑于2023年，星期六单元系烧结：纯金属或化合物及均匀单相固溶体的烧结。多元系烧结：多种粉末的烧结。两种情况：①混合粉末，多组分、多物相混合的粉末；②烧结过程中固溶体分解。使用混合粉末进行烧结——实现合金化。采用混合粉末有以下优点：容易调整成分和压制成形，有较高的压坯强度等。与烧结类型无关，烧结驱动力、传质机理是一致的。第二十四页，共三十四页，编辑于2023年，星期六烧结时的迁移机制：体积扩散。复杂烧结机理研究内容：粉末压坯的收缩动力学、压力下的烧结、强化烧结等。

1）烧结驱动力结块是粉体特有的现象，细粉在室温下就有结块的倾向。粉体比块状材料的稳定性差，即粉体处于高能状态。烧结驱动力——体系的表面能和缺陷能。第二十五页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

粉料尺寸↓→表面积↑→表面能↑；新生态物质的缺陷浓度较高→缺陷能↑。缺陷能：晶格畸变或空位缺陷贮存的能量。粉末粒度、粉末表面的凹凸，以粉末颗粒中的孔隙——影响粉末的表面积。原料越细——活性↑，烧结驱动力↑。

烧结过程：体系表面能和缺陷能降低的过程。体系能量的降低依赖于高温下的物质传递过程。第二十六页，共三十四页，编辑于2023年，星期六烧结原动力：烧结颈部与粉末颗粒其它部位之间存在化学位差。有三种表现形式：

①表面张力造成的一种机械力，它垂直作用于烧结颈曲面上，使烧结颈向外扩大，最终形成孔隙网。此后孔隙中的气体会阻止孔隙收缩和烧结颈的进一步长大，少量闭气孔仅靠延长烧结时间是不能消除的；

②过剩空位浓度梯度将引起烧结颈表面下微小区域内的空位向粉末颗粒内扩散，从而造成原子在相反方向上的迁移，使颈部得以长大；

③烧结颈表面与颗粒表面之间存在的蒸气压之差，将导致物质向烧结颈迁移。第二十七页，共三十四页，编辑于2023年，星期六2）烧结时的物质迁移烧结过程传质机理：①粘塑性流动过程；②扩散过程，包括体积、表面和界面的扩散；

③蒸发--凝结过程；④溶解--沉析过程。坯体的烧结从物相传质的角度有固相和液相烧结两种。四种传质机理在不同的情况下出现。固相烧结过程，主要出现②、③过程；在固一液相烧结中主要出现①、④过程；在复杂的烧结中，则四种情况并存。第二十八页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

烧结时的物质迁移可分为表面迁移和体积迁移两类。表面迁移：由物质在颗粒表面流动而引起的。表面扩散和蒸发-凝聚是主要的表面迁移机制。烧结发生表面迁移时，烧结体的基本尺寸不发生变化，密度也还保持原来的大小。体积迁移：包括体积扩散、塑性流动以及非晶物质的粘性流动。引起烧结体基本尺寸的变化。体积迁移过程主要发生在烧结后期。第二十九页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

不同的烧结机制对烧结的贡献与材料类型、粉末粒度、烧结温度以及工艺条件相关。何种机制起主导作用——由具体情况而定。细粉末颗粒烧结时，表面扩散机制可能起着决定作用。高温烧结时，主要是体积扩散机制。某些易蒸发的金属粉(如锌)烧结时，可能蒸发--凝聚过程起着十分重要的作用。加压烧结时，则起主要作用的是塑性流动机制。

3）烧结的基本过程坯体经烧结后，由于粉末颗粒之间的粘结而强度升高。按烧结机理，粉末坯体的高温烧结过程大致可分为三个阶段。第三十页，共三十四页，编辑于2023年，星期六

(1)初期烧结颈形成阶段：通过形核、长大的原子迁移过程，颗粒间的原始接触点或面→晶粒结合→形成烧结颈。烧结颈的长大速度与物质迁移机制有关，烧结颈部变化与烧结温度、烧结时间的关系可表示为：

（3-1）

x—烧结颈半径；R—粉末颗粒半；t—烧结时间；F(T)—与烧结温度有关的常数；m、n—与烧结机构有关的常数。第三十一页，共三十四页，编辑于2023年，星期六可以看出：较细的粉末颗粒可以得到较快的烧结；烧结温度对烧结颈长大