第四章 烧结理论-1.ppt

1、粉末冶金原理第4章烧结理论烧结理论，程继贵材料科学与工程学院，本章内容4.1概述4.2烧结过程热力学4.3烧结机理4.4单元系统烧结4.5多组分系统固相烧结4.6液相烧结4.7热压和活化烧结，材料科学与工程学院，1。基本概念，1。烧结的定义，简述：烧结是指将粉末或生坯在适当的温度和气氛下加热，通过原子迁移实现颗粒间结合的过程。定义：将粉末或生坯在低于其主要成分熔点的温度下，在一定的气氛中加热，以获得具有一定结构和性能的材料或产品的过程。比较：烧结、烧制、煅烧和固态反应的概念。第一部分总结了粉末也可以烧结(不一定成形)和松散烧结来制造过滤材料(不锈钢、青铜、黄铜、钛等)。)和催化材料(铁、镍、铂

2、等。)。理解烧结的定义-1:材料科学与工程学院，烧结的目的取决于热激活，使原子迁移和粉末颗粒形成冶金结合。机械互锁或物理结合冶金结合改善烧结体的结构和强度，理解烧结定义-2:材料科学与工程学院，温度低于主要成分的熔点*固相烧结温度低于所有成分的熔点*液相烧结温度低于主要成分的熔点，但可能高于次要成分的熔点：碳化钨-钴合金，钨-铜-镍合金，理解烧结定义-3: 材料科学与工程学院，烧结的重要性，1)粉末冶金生产中不可缺少的基本工艺之一(除磁粉芯和粘结磁性材料外)，2)对粉末冶金产品的性能有决定性的影响(烧结废料难以补救，如铁基零件脱碳和严重的烧结变形)，以及3)烧结消耗是粉末冶金产品成本的重要组成

3、部分(设备、高温、长时间和保护气氛)。 4)纳米块体材料的获取取决于烧结过程的控制，(2)烧结的重要性，材料科学与工程学院，(3)烧结的分类，材料科学与工程学院，加压烧结(加压烧结)施加外部压力(施加压力或压力辅助烧结)，热等静压(HIP)，热压(HP)等。无压烧结包括固相烧结、液相烧结等。材料科学与工程学院，单元体系固相烧结：单相(纯金属、化合物、固溶体)粉末烧结：烧结过程中无化学反应，无新相形成，材料聚集态无变化。固相烧结：多组分固相烧结：两种或多种组分粉末的烧结过程，包括反应烧结。无限固溶体体系：铜-镍、铜-金、银-金等。有限固溶体体系：铁-碳、铁-镍、铁-铜、钨-镍等。互不溶体系：银钨

4、、铜钨、铜碳等。根据烧结过程中是否存在液相，材料科学与工程学院包括：稳定液相(长寿命液相)烧结，不稳定液相(瞬时液相)烧结，液相烧结，材料科学与工程学院，第二，烧结理论研究的目的、范畴和方法，研究目的：研究生坯烧结过程中的微观结构演变和材料传递规律，包括孔数或孔体积的演变，致密化晶粒尺寸的演变，晶粒(纳米金属粉末和硬质合金)的形成和生长，孔形状的演变， 材料科学与工程学院，研究领域：材料科学与工程学院，烧结几何学，烧结物理学，烧结化学，计算机模拟，烧结模型：双球模型，球-板模型，材料迁移机制：扩散和流动，组分之间的反应(溶解，形成化合物)和组分与大气之间的反应，借助建立物理，几何或化学模型，计

5、算机模拟烧结过程(蒙特卡罗模拟)，研究方法：材料科学与工程学院，3。 烧结技术的发展，外力的引入(同时压制和烧结):高压、热等静压、超高压烧结(纳米晶材料)等。第二部分是烧结过程的热力学。首先，烧结的驱动力是烧结的驱动力。在烧结过程中，粉末体系自由能的降低是烧结的驱动力。单位体系中的粉末颗粒处于化学平衡状态，烧结的驱动力主要来自体系过剩自由能的降低。1.该单元是烧结驱动力的来源，系统的过剩自由能包括：1)总界面面积和总界面能e=S的减少。由于gb.Agb/2(主)为自由表面积，当Agb晶界面积为单晶时，Agb=0，总表面能降低2)晶格畸变和一些缺陷(如空位和位错等)的消除。)的粉末颗粒，这与粉

6、末加工过程有关。2.多组分体系烧结驱动力的来源主要来自体系自由能的降低：G=H-TS G0和0。此时，系统自由能包括反应自由能，系统自由能减少的值远大于表面能，表面能处于辅助位置。扩散合金化中合金元素的扩散(可混溶多组分体系的固态烧结)导致体系熵的增加。g=-t0。如果形成化合物H 0，-TS 0 G0，并且其绝对值很大，则粒度为10m的粉末的界面能可降低到1-10J/mol，而化学反应的自由能一般降低到100-1000J/mol。比前者大两个数量级的合金化可视为一种特殊的化学反应，其烧结驱动力主要来自系统(反应)自由能的降低。例如，提高温度也是降低反应自由能的重要方法之一。(2)烧结驱动力的

7、计算，(1)颈部生长的驱动力，(2)扩散的驱动力，(3)蒸发和凝聚物迁移之间的动态蒸气压差，(4)烧结收缩应力(补充)宏观烧结应力，包括，(1)作用在烧结颈部(颈部生长的驱动力)和烧结颈部：两个相邻颗粒在烧结过程中相互接触并连续生长的区域。1。在烧结的初始阶段：根据杨氏-拉普拉斯方程，曲面(曲面)上某一点的应力=(1/r11/r2)两个主曲率半径r1和r2的表面张力，烧结颈部表面的应力=(1/x-1/) -/(x)，负号表示作用在颈部上的应力指向颈部之外，这是拉伸应力导致烧结颈部生长和孔体积收缩。随着烧结工艺的进步，烧结价值增加，烧结驱动力逐渐降低。=(1/x-1/)-/，(1)，当孔隙网络形

8、成且烧结颈增长时。有效烧结应力Ps为：Ps=Pv-/Pv为烧结气氛的压力，如果是在真空中，则为0真空烧结的优点！2。在烧结中期，(2)和(3)在烧结后期，孔隙网络崩溃，由孤立孔隙形成的封闭孔隙中的气压随着收缩而增加根据气体方程PvVp=nRT，孔隙中的压力：Pv=6nRT/(D3)，此时的烧结驱动力(颈拉应力):=- 4/D=-2/r有效烧结应力(驱动力):Ps=P v-4/D=P v-2/r，当Ps=0时，它是封闭的最小孔隙尺寸是：D min=(Po/4)1/2 Do 3/(Po，Do平衡大气压力，致密孔隙尺寸)，(3)减少残余孔隙的措施减少Do(细粉和颗粒尺寸组成，)，(2)烧结的原子扩散

9、的驱动力，当处于平衡时，平衡空位浓度：cvo=exp(SF/k)exp(-Efo/k t)exp(SF/k)振动熵项，SF是空位形成能量项exp (-efo/k t)，它通过产生空位而引起系统熵值的变化。当Efo无应力时，产生空位所需的能量可以降低由于拉伸应力导致的烧结颈中的过量空位浓度，使得烧结颈中的空位浓度大于平衡空位浓度。当应力存在时，空位形成的能量值发生变化：压应力：E f=E f o-拉应力：E f=E f o应力对空位起作用，此时，颈空位浓度为cv=exp(SF/k)exp-(efo-)/kT=exp(SF/k)exp(-efo/kT)exp(/kT)=cv0 exp(/kT)由于

10、kT，/kT0， Exp(/k T)=1/k T so: Cv=Cv0 Cv0/k T颈部空位浓度和平衡空位浓度之间的差值为：Cv=Cv0/k T和=-/(负号仅表示应力性质)，因此：Cv=Cv0 Cv0)，考虑烧结颈部和附近区域之间的差值(线性)有：空位浓度梯度：Cv=Cv0/(kT 2)。 可以发现(活化)和(细粉)都有利于改善空位浓度梯度和增加烧结的扩散驱动力。(3)蒸发-冷凝传质的驱动力，主要作用于三种体系：蒸气压较高的材料：接近高温烧结材料熔点的：如镁、锌、镉和镉；加入氯离子烧结；纳米粉末烧结；曲面与平面之间的饱和蒸气压差由吉布斯-开尔文公式求得：P=P0/(kTr)P0平面饱和蒸气

11、压；r曲面的曲率半径。球面(颗粒表面)和平面之间的蒸气压差：Pa=2Po/(kTa)，R=a/2(颗粒半径)烧结颈部表面和平面之间的蒸气压差：P=Po/(kTR)，R=-它们之间的压差(颗粒表面和颈部表面):p=pa-p=po/(。烧结颈表面的沉积与烧结颈的生长、压力差有关，第三节烧结机理，一、概述，(一)烧结机理内涵研究烧结动力学。烧结机理：烧结过程中的输送方式和输送速度。烧结机理：烧结过程中孔隙减少和材料迁移的物理化学性质(更广泛的内涵)，(2)烧结机理的分类，烧结机理示意图，表面迁移：表面扩散：颗粒表面层中的原子向颈部扩散。蒸发-冷凝：粒子表层的原子蒸发到空间，通过气相扩散到颈部空间，通

12、过蒸汽压差，沉积在颈部。宏观迁移：VV体积或晶格扩散：原子通过空位运动迁移到颈部。粘性流动：无定形物质在剪切应力的作用下，产生粘性流动，物质迁移到颈部。塑性流动：烧结温度接近材料的熔点。当颈部的拉伸应力大于材料的屈服强度时，就会发生塑性变形，导致材料向颈部迁移。晶界扩散：晶界是一个快速扩散通道。原子沿着晶界迁移到颈部。建立一个简单的几何模型，如两个球的模型；选择可测量的几何参数，例如烧结颈部尺寸和中心距离来表征烧结过程；假设一定的物质迁移模式，建立物质流动的微分方程；根据特定的边界条件，求解微分方程的解析公式(可测参数与时间的关系)；模拟烧结实验，并通过实验数据验证了物料传递机理的准确性。(3)烧结机理的研究方法和步骤。(4)烧结几何模型，为烧结机理的研究奠定了基础。(1)两球体几何模型两球体相切模型(第一个模型)两球体相切，两球体之间的中心距离不变。几何关系：=x2/2a A=2x3/a V=x4/a，两个球相切，a-颗粒半径x-烧结颈部半径曲率半径，两个球相交(穿透)模型(第二烧结模型)，两个球之间的中心距离在烧结过程中减小。几何关系：=x2/4a A=x3/2a V=x4/4a，两个球穿透2。不同烧结机理的特征方程(动力学方程)；(1)烧结机理的粘性流动：在小应力作用下，应变