粉末冶金原理 烧结
粉末烧结原理
粉末烧结原理
粉末烧结是一种常见的金属材料制备工艺，通过高温加热和压力作用，将金属粉末颗粒相互结合，形成致密的块状材料。
这种制备方法被广泛应用于粉末冶金、陶瓷制备、复合材料制备等领域。
下面将介绍粉末烧结的原理及其在材料制备中的应用。
首先，粉末烧结的原理是基于固态扩散和颗粒间的结合作用。
在烧结过程中，粉末颗粒表面发生固态扩散，使得颗粒间的空隙逐渐减小，最终形成致密的结构。
同时，高温和压力的作用使得颗粒间发生结合，形成坚固的结构。
这种固态扩散和颗粒结合作用是粉末烧结的基本原理。
其次，粉末烧结在材料制备中具有重要的应用价值。
首先，粉末烧结可以制备高性能的工程材料。
通过粉末烧结，可以制备出具有良好力学性能、耐磨性、耐腐蚀性的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工等领域。
其次，粉末烧结还可以制备具有特殊功能的材料。
例如，通过粉末烧结可以制备出具有磁性、导电性、导热性等特殊功能的材料，用于电子器件、磁性材料等领域。
因此，粉末烧结在材料制备中具有广泛的应用前景。
总之，粉末烧结是一种重要的材料制备工艺，其原理是基于固态扩散和颗粒结合作用。
粉末烧结在材料制备中具有重要的应用价值，可以制备高性能的工程材料和具有特殊功能的材料。
随着材料科学的发展，粉末烧结技术将会得到进一步的发展和应用，为各个领域提供更加优质的材料产品。
粉末冶金原理-烧结
有限固溶系：Fe-C、Fe-Ni、Fe-Cu、W-Ni等
互不固溶系：Ag-W、Cu-W、Cu-C等
液相烧结
在烧结过程中出现液相的烧结。
包括：稳定液相（长存液相）烧结
不稳定液相（瞬时液相）烧结
二、烧结理论研究的目的、范畴和方法
研究目的：研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的演化
物质蒸发的角度
3.蒸气压差
曲面与平面的饱和蒸气压之差
P P0 / KTr
1 1 1 r x
吉布斯-凯尔文方程
x
1 1 r
P 0 / KT 颈 P
对于球表面，1/r=2/a (a为球半径）
P 0 2 / KTa 球 P
颗粒表面（凸面）与烧结颈表面（凹面）之间存在大的蒸气压 差，导致物质向烧结颈迁移
烧 结 的 重 要 性
4）纳米块体材料的获得依 赖烧结过程的控制
（三） 烧结的分类
粉末体烧结类型 不施加外压力
施加外压力
固相烧结 单相粉末
多相粉末
液相烧结
长存液相 瞬时液相
热压 热锻
热等静压
反应烧结
活化烧结
超固相线烧结 液相热压 反应热压 反应热等静压
强化烧结
按烧结过程有无外加压力
●无压烧结 (Pressureless sintering) 包括：固相烧结、液相烧结等 ●加压烧结（有压烧结）
烧结颈长大
3.封闭孔隙球化和缩小阶段 当烧结体密度达到90%以后，• 多数孔隙被完全分隔，闭 孔数量大的增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。在这个 阶段，整个烧结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失 和孔隙数量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间， 但是仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。也就是一般不能 达到完全致密。
粉末烧结原理
粉末烧结原理粉末冶金是一种重要的金属材料制备技术，而粉末烧结则是粉末冶金中的一项关键工艺。
粉末烧结是指将金属或非金属粉末在一定的温度、压力和时间条件下进行加热压制，使粉末颗粒之间发生冶金结合，从而形成致密的块状材料的工艺过程。
下面将详细介绍粉末烧结的原理。
首先，粉末烧结原理的第一步是粉末的预处理。
通常情况下，粉末材料需要经过混合、干燥和成型等工艺步骤，以确保粉末颗粒的均匀性和成型性。
在混合过程中，不同种类的粉末可以被混合在一起，以获得特定性能的材料。
然后，干燥工艺可以去除粉末中的水分，有利于后续的成型工艺。
最后，成型工艺将粉末压制成特定形状的坯料，为后续的烧结工艺做好准备。
其次，粉末烧结的第二步是烧结过程。
在烧结过程中，粉末坯料被置于高温环境中，通常伴随着一定的压力。
在高温下，粉末颗粒之间会发生扩散和结合的过程，从而形成致密的晶粒结构。
在烧结过程中，温度、压力和时间是三个重要的参数，它们将直接影响到烧结后材料的密度、晶粒大小和性能。
最后，粉末烧结的第三步是后处理工艺。
烧结后的材料通常需要进行热处理、表面处理和精加工等工艺步骤，以进一步提高材料的性能和精度。
热处理可以消除烧结过程中产生的残余应力和缺陷，提高材料的强度和韧性。
表面处理可以改善材料的耐腐蚀性能和外观质量。
精加工则可以使材料达到特定的尺寸和形状要求。
总之，粉末烧结是一种重要的材料制备工艺，它通过预处理、烧结和后处理三个步骤，将粉末材料转化为致密的块状材料。
粉末烧结工艺可以制备出具有特定性能和形状的材料，广泛应用于汽车、航空航天、电子、医疗器械等领域。
通过对粉末烧结原理的深入了解，可以更好地掌握这一重要工艺，为材料制备和应用提供技术支持。
粉末冶金新技术-烧结
用SPS制取块状纳米晶Fe90Zr7B3软磁的过程是: 先将由非 晶薄带经球磨制成的50～150μｍ非晶粉末装入WC/Co合金 模具内,并在SPS烧结机上烧结(真空度1×10-2Pa以下、升温 速度0.09~1.7K/s、温度673～873Ｋ、压力590MPa), 再把所 得的烧结体在1×10-2Pa真空下、以3 7K/s速度加热到923Ｋ、 保温后而制成。材料显示较好的磁性能：最大磁导率29800、 100Ｈｚ下的动态磁导率3430, 矫顽力12Ａ/ｍ。
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双频微波烧结炉 生产用大型微波烧结炉 已烧结成多种材料：如陶瓷和铁氧体等材料。另 外，在日本又开发出相似的毫米波烧结技术，并成功 地在2023K下保温1h烧结成全致密的AlN材料。
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2.爆炸压制技术 爆炸压制又称冲击波压制是一种有前途的工艺
方法,它在粉末冶金中发挥了很重要的作用, 爆炸压 制时,只是在颗粒的表面产生瞬时的高温,作用时间 短,升温和降温速度极快。适当控制爆炸参数,使得 压制的材料密度可以达到理论密度的90%以上,甚至 达到99%。
3）快速脉冲电流的加入, 无论是粉末内的放电部位还是焦耳 发热部位, 都会快速移动, 使粉末的烧结能够均匀化。
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与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：
• 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是 活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS 烧结原科。
• 成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表 面处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧 结的l/10~1/20。
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SPS制备软磁材料 通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)Ｂ的非 晶合金,在稍高于晶化温度处理后, 可得到晶粒数10ｎｍ，具有 体心立方结构，高Bs 、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目 前只能是带材或粉末, 制作成品还需要将带材重叠和用树脂固 结, 这使得成品的密度和Bs均变低。近年, 日本采用SPS工艺研 究FeMeＢ块材的成形条件及磁性能。
粉末烧结技术
加压烧结—加压和加热同时并用，以达到消除孔
隙的目的，从而大幅度提高粉末制品的性能。常用
的加压烧结工艺有热压、热等静压及烧结-热等静压。
热压—将粉末装在压模内，在加压的同时把粉末加热到熔
点以下，使之加速烧结成比较均匀致密的制品。
热等静压—把粉末压坯或把装入特制容器内的粉末置于热
等静压机高压容器内，使其烧结成致密的材料或零件的过 程。
烧结-热等静压—把压坯放入烧结-热等静压设备的高压容
器内，先进行脱蜡、烧结，再充入高压气体进行热等静压。
反应烧结—先将原材料（如制备Si3N4时使用Si粉）
粉末以适当方式成形后，在一定气氛中（如氮气）
加热发生原位反应合成所需的材料并同时发生烧结。
微波烧结—材料内部整体地吸收微波能并被加热，
使得在微波场中试样内部的热梯度和热流方向与常规 烧结的试样相反。
电火花等离子烧结—也叫等离子活化烧结或电火
花等离子烧结，是利用粉末间火花放电多产生的等
离子活化颗粒，同时在外力作用下进行的一种特殊
烧结方法。
真空热压烧结炉图
微波生物陶瓷烧结炉图
微波烧结炉图
热等静压烧结炉图
放电等离子烧结炉图
物理 化学变化
烧结后期还可能出现二次再结还可能发生固相的溶解与析出。
烧结驱动力
烧结的驱动力----一般为体系的表面能和缺陷能。烧
结实际上是体系表面能和缺陷能降低的过程。通常体
系能量的降低靠的是高温热能激活下的物质传递过程。
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。
扩散机制将发生孔隙的孤立、球化及收缩。
氧化铝陶瓷典 型的不同烧结 阶段显微结构
粉末冶金的烧结技术
粉末冶金的烧结技术粉末冶金是一种通过将金属或非金属粉末在一定条件下，加工成具有一定形状和尺寸的零部件的方法。
烧结技术是粉末冶金中的关键步骤之一，它将粉末颗粒通过加热并施加压力使其质点之间结合得更加牢固，形成一体化的零部件。
本文将对粉末冶金的烧结技术进行深入探讨。
一、烧结技术的基本原理和过程烧结技术是将粉末颗粒通过加热至其熔点以下，但高于材料的再结晶温度，同时施加压力，使粉末颗粒发生结合，形成一体化的零部件。
其基本原理是利用了粉末颗粒与粉末颗粒之间的扩散作用和表面张力降低效应。
烧结过程中，颗粒间的间隙先得到迅速消除，然后颗粒之间产生再结晶，通过扩散使粒间结合更为牢固。
整个烧结过程可以分为初期活化期、再结晶期和液相期三个阶段。
初期活化期是指在烧结过程开始的阶段，颗粒发生活化并形成结合，此时烧结坯体变得更为致密。
再结晶期是指烧结坯体中增强再结晶的发生。
液相期是指在达到受结合的颗粒之间的最小距离后，材料产生液相，并通过液相扩散加快了颗粒间的结合。
在这个过程中，烧结坯体结构的致密度和强度会显著提高。
二、烧结技术的主要参数在进行粉末冶金的烧结过程中，有许多参数需要注意和控制，如温度、压力、时间和气氛等。
这些参数会对烧结过程和烧结产品的质量产生重要影响。
1. 温度：温度是烧结过程的关键参数之一。
合适的温度能够使粉末颗粒迅速熔结，并形成均匀的结构。
过高或过低的温度都会影响烧结效果和质量。
2. 压力：在烧结过程中，施加的压力可以使粉末颗粒更加紧密地结合在一起。
增加压力可以提高烧结物品的致密度和强度。
3. 时间：烧结时间是烧结过程中的一个重要参数。
适当的烧结时间可以使粉末颗粒充分结合并形成致密的结构。
时间过长或过短都会影响产品的质量。
4. 气氛：烧结过程中的气氛对烧结质量和产品性能有很大影响。
不同的气氛可以对不同材料产生不同的效果。
常用的烧结气氛有氢气、氮气、氧气和真空等。
三、烧结技术的应用和优点烧结技术在现代工业中有着广泛的应用，尤其是在金属材料和陶瓷材料的制备过程中。
烧结的原理
烧结的原理
烧结是一种粉末冶金工艺，通过在高温和压力下将金属或陶瓷粉末进行热处理，使其形成一种固体材料的过程。
其原理主要包括以下几个步骤：
1. 混合：首先将金属或陶瓷粉末按照一定比例混合在一起，以得到所需的配料。
这些粉末可以是不同种类的金属或陶瓷材料，也可以添加一些其他的添加剂，以改变材料的性能。
2. 压制：将混合好的粉末置于模具中，然后施加一定的压力。
这样可以使粉末颗粒之间发生变形和变稠，在压力作用下相互黏结在一起。
压制过程中，常常采用均匀的压力分布，以确保整个烧结体具有均匀的压力和密度。
3. 烧结：经过压制的粉末坯体被置于高温炉中进行烧结。
在高温下，粉末颗粒会发生扩散和结晶，使得颗粒之间相互溶解或结合。
同时，由于高温下的不同原子或分子的运动，形成了新的结晶相和晶界，使得颗粒逐渐合并，并改变了材料的物理和化学性质。
4. 冷却和处理：烧结后的坯体通过冷却，使得材料固化和成型。
通常还需要进行一些后续处理，如热处理、机械加工或表面涂层等，以进一步改善材料的性能和外观。
总的来说，烧结通过压制和高温处理的方式，使粉末颗粒逐渐结合，形成了一个整体材料。
其优点包括制造成本低、能耗低、
材料利用率高以及可以生产复杂形状的工件等。
因此，烧结在金属、陶瓷、粉末冶金等领域有着广泛的应用。
粉末烧结原理
粉末烧结原理粉末冶金是一种利用粉末作为原料，通过成型和烧结工艺制备金属、陶瓷和复合材料的工艺方法。
其中，粉末烧结是粉末冶金中最为重要的一环，它通过高温烧结使粉末颗粒互相结合，形成致密的块体材料。
本文将介绍粉末烧结的原理及其在工业生产中的应用。
首先，粉末烧结的原理是基于固相烧结的物理化学过程。
在烧结过程中，粉末颗粒之间发生扩散、溶解、再结晶等过程，最终形成致密的块体材料。
这一过程主要受温度、压力、时间等因素的影响。
在高温下，粉末颗粒表面发生扩散，原子间的结合能降低，颗粒之间出现结合，形成颗粒间的颈部，最终形成致密的结构。
其次，粉末烧结的原理还与粉末颗粒的形状、大小和分布有关。
通常情况下，形状不规则、尺寸均匀的粉末颗粒更有利于烧结过程中的颗粒间结合。
此外，粉末颗粒的分布均匀性也对烧结效果有着重要影响。
分布不均匀会导致烧结过程中局部温度过高或过低，影响颗粒间的结合质量。
再者，粉末烧结的原理还与烧结助剂的选择和添加有关。
烧结助剂可以改善粉末颗粒间的结合情况，促进烧结过程中的颗粒间扩散和溶解。
常用的烧结助剂有氧化铝、氧化锆等，它们能够形成液相，填充颗粒间的空隙，促进颗粒间的结合。
最后，粉末烧结在工业生产中有着广泛的应用。
在制备金属材料方面，粉末烧结可以制备具有特殊功能的工程材料，如高温合金、硬质合金等。
在制备陶瓷材料方面，粉末烧结可以制备高性能的陶瓷材料，如氧化铝、氮化硅等。
此外，粉末烧结还可以制备具有复合功能的粉末冶金材料，如金属陶瓷复合材料、金属基复合材料等。
总之，粉末烧结作为粉末冶金中的重要工艺环节，其原理是基于固相烧结的物理化学过程，受到温度、压力、时间等因素的影响。
在工业生产中，粉末烧结已经得到了广泛的应用，为制备高性能的材料提供了重要的技术手段。
粉末冶金烧结原理
粉末冶金烧结原理
粉末冶金烧结是一种常用的制备金属和陶瓷材料的工艺。
其原理基于粉末颗粒在高温下通过表面扩散和颗粒间的相互作用力而实现的固相结合。
首先，通过研磨和混合的方式将所需的金属或陶瓷粉末混合均匀。
混合的目的是使不同粉末颗粒在烧结过程中能够更好地接触和相互结合。
接下来，将混合后的粉末填充到模具中，并施加一定的压力。
压力的作用是使粉末颗粒之间产生一定的接触力，这样可以促进烧结过程中的颗粒扩散。
然后，将填充好的模具放入烧结炉中，进行高温处理。
在高温下，粉末颗粒表面会发生表面扩散，即颗粒表面的原子或离子会向颗粒内部扩散。
同时，由于高温下颗粒间的相互作用力增强，颗粒之间产生局部的结合。
经过一段时间的高温处理，粉末颗粒表面扩散和颗粒间的结合逐渐扩展到整个颗粒，形成了一个密实的整体。
这个过程称为固相烧结，通过这种方式，粉末的体积会明显减小。
最后，将烧结后的样品冷却并取出，进行进一步的加工和处理。
根据需要，可以对烧结样品进行后续的热处理、机加工等工艺步骤。
总之，粉末冶金烧结是一种通过高温和压力作用下，将粉末颗
粒固相结合的制备材料的方法。
通过控制烧结过程中的温度、压力和时间等参数，可以获得具有预期性能的金属和陶瓷材料。
粉末冶金烧结的原理是什么
粉末冶金烧结的原理是什么首先，在粉末冶金烧结过程中，需要将金属或非金属粉末按照一定比例混合均匀，并进行固定的颗粒度筛选。
然后，将混合好的粉末通过压制工艺，将其压制成一定形状的坯料。
压制过程中，需要选用适当的模具和压力来保证坯料的整体性能和形状精度。
在烧结过程中，首先需要将压制好的坯料放入烧结炉中进行加热。
粉末烧结过程中，温度是一个非常重要的因素。
一般来说，烧结温度应该高于材料的熔点，但低于其蒸发温度。
在加热过程中，粉末颗粒的表面会发生扩散，使得颗粒之间逐渐结合。
当温度升高到足够高时，颗粒之间的结合力会增强，进而产生一定的熔融，促使颗粒之间的结合更为紧密，形成致密的块材。
在粉末冶金烧结过程中，还需要选用合适的还原气氛来促进烧结过程的进行。
还原气氛是指在烧结过程中，为了避免粉末在高温下与氧气反应而氧化，需要在烧结过程中加入一定的还原剂，使气氛富含还原性气体。
常用的还原气氛有氢气（H2）、氮气（N2）等。
还原气氛的选用对于烧结过程的成功与否具有重要影响。
一方面，氢气在高温下具有很强的还原性，能高效地还原粉末中的氧化物，促进颗粒之间的结合。
另一方面，氮气可以有效地减少粉末的氧化反应，并且氮气在高温下不会与大多数金属发生化合反应，可作为一种较好的保护气氛。
需要注意的是，还原气氛的选择也要考虑到烧结材料的特点和要求。
例如，一些材料在高温下容易吸氧或与氢气反应，就不适合在氢气气氛中进行烧结。
此外，还原气氛的流速和温度也需要控制得当，以确保烧结过程的均匀性和质量稳定性。
综上所述，粉末冶金烧结的原理主要包括粉末的压制和烧结过程。
在烧结过程中，还原气氛的选用是至关重要的，可以通过选择合适的还原剂和控制流速、温度等条件来提高烧结过程的效果。
一、烧结基本原理
一、烧结（1）、烧结基本原理烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。
烧结对最终产品的性能起着决定性作用，因为由烧结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的；相反，烧结前的工序中的某些缺陷，在一定的范围内可以通过烧结工艺的调整，2、4、熔浸。
上述烧结过程中的种种变化都与物质的运动和迁移密切相关。
理论上机理为：1、蒸发凝聚；2、体积扩散；3、表面扩散；4、晶间扩散；5、粘性流动；6、塑性流动。
（2）、烧结工艺2-1、烧结的过程粉末冶金的烧结过程大致可以分成四个温度阶段：1、低温预烧阶段，在此阶段主要发生金属的回复及吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除等。
在PORITE微小铜、铁系轴承中，用R、B、O（Rapid Burning Off）来代替低温预烧阶段，且铜、铁系产品经过R、B、O后会氧化，但在本体中可以被还原，同时还可以促进烧结。
2、中温升温烧结阶段，在此阶段开始出现再结晶，首先在颗粒内，变形的晶粒得以恢复，改组为新晶粒，同时颗粒表面氧化物被完全还原，颗粒界面形成烧结颈。
34段。
2-21、2、粉末的性质：包括颗粒大小；颗粒的形状与形貌；颗粒的结构；颗粒的化学组成。
3、压坯的物理性能：包括压制密度，压制残余应力，颗粒表面氧化膜的变形或破坏以及压坯孔隙中气体等。
4、烧结工艺参数：包括保温时间，加热及冷却速度，烧结气氛等。
2-3、烧结时压坯的尺寸与密度的变化在生产中对制品的尺寸与形状精度要求都非常高，因此，在烧结过程中控制压坯的密度和尺寸的变化是一个极为重要的问题。
影响烧结零件密度和尺寸变化的因素有：1、孔隙的收缩与清除：烧结会导致孔隙的收缩与清除，也就是使烧结体体积减小。
23、4、5、6、2-4、烧结前的准备工作核对烧结制品与烧结温度及网带速度是否合适，检查待烧结的制品，把不合格的压坯剔出，一般情况按工艺图纸的要求来检查，通常检查几何尺寸及偏差制品的单重即压坯的密度和压坯外观是否掉边缺角，分层裂纹，严重拉毛等。
粉末冶金原理第四部分 粉末烧结技术
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Part 2： 粉末烧结
对于具体的粉末烧结体系，能量平衡， 则:
• • • • K=COS(θ /2)=γ gb/2γ s E=6γ sρ Vb[K+A(1-K)]/G ρ 为烧结进行过程中的密度 对Vb微分，得致密化压力 Pd=6γ s(1-ρ )ρ 2(1-K)/[G(1-ρ o)2] ρ o为坯块的起始密度
一、作用在烧结颈上的原动力(driving force for neck growth) 二 、 烧 结 扩 散 驱 动 力 (driving force atom diffusion) 三、蒸发-凝聚物质迁移动力—蒸汽压差 四、烧结收缩应力（补）-宏观烧结应力
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Part 2： 粉末烧结
一、作用在烧结颈上的拉应力
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Part 2： 粉末烧结
• 考虑在烧结颈部与附近区域（线度 为 ρ ）空位浓度的差异 空 位 浓 度 梯 度 ▽ Cv= Cvoγ Ω / （kTρ 2） • 可以发现 • ↑γ （活化） • ↓ρ （细粉） • 均有利于提高浓度梯度
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Part 2： 粉末烧结
三、蒸发-凝聚气相迁移动力—蒸汽压差 (driving force for mass transportation by evaporation-condensation)
Part 2： 粉末烧结
含 义
2 低于主要组分熔点的温度
* 固相烧结—烧结温度低于所有组分的熔点 * 液相烧结—烧结温度低于主要组分的熔点 但高于次要组分的熔点 WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
Part 2： 粉末烧结
含 义
3 烧结的目的
依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末 颗粒形成冶金结合 Mechanical interlocking or physical bonging →Metallurgical bonding ↑烧结体的强度
烧结工艺的目的和原理
烧结工艺的目的和原理烧结工艺是一种常见的金属粉末冶金加工方法，其目的是将金属粉末通过高温加热和压力处理，使其形成致密的块状物质。
这种工艺可以用于制造各种零部件和器件，具有广泛的应用价值。
一、烧结工艺的基本原理1. 金属粉末的选择在进行烧结工艺之前，需要选择适合该工艺的金属粉末。
通常情况下，粉末中的颗粒应该足够细小，并且颗粒大小应该均匀分布。
此外，还需要考虑到金属材料本身的特性以及所需制造出来的产品要求。
2. 压制成型在进行烧结工艺之前，需要将所选用的金属粉末进行压制成型。
这个过程通常会使用一些特殊设备来完成，如压力机等。
在这个过程中，需要对所选用的压力、温度以及时间等参数进行控制，以确保最终得到所需形态和尺寸。
3. 烧结处理经过压制成型之后，金属粉末就可以进行烧结处理了。
这个过程需要将金属粉末放入烧结炉中，进行高温处理，使其形成致密的块状物质。
在这个过程中，需要对温度、时间等参数进行控制，以确保最终得到所需的物理和化学性质。
二、烧结工艺的目的1. 提高金属材料的密度通过烧结工艺处理之后，金属材料可以得到更加致密的结构。
这是因为在高温下，金属粉末颗粒之间会发生熔融和再结晶等变化，从而形成更加紧密的晶粒结构。
这样可以提高材料的密度，并且使其具有更好的强度和韧性等性能。
2. 改善材料的机械性能通过烧结工艺处理之后，金属材料可以得到更好的机械性能。
这是因为在高温下，金属粉末颗粒之间会发生晶界扩散和再结晶等变化，从而改善了材料的晶界结构和力学特性。
这样可以使其具有更好的强度、韧性、耐腐蚀性等特点。
3. 提高产品制造效率通过烧结工艺处理之后，金属材料可以得到更加均匀的结构和尺寸。
这样可以提高制造效率，并且减少浪费和成本。
此外，烧结工艺还可以用于制造各种复杂形状的零部件和器件，从而扩展了制造范围和应用领域。
三、烧结工艺的应用1. 金属零部件制造烧结工艺可以用于制造各种金属零部件，如轴承、齿轮、弹簧等。
这些零部件具有高强度、高韧性、耐腐蚀等特点，并且可以满足各种机械设备的要求。
粉末冶金：粉末烧结
烧结机理
烧结过程中物质的迁移方式
➢ 粘性流动：在剪切应力作用下，产生粘性流动， 物质向颈部迁移
➢ 蒸发凝聚：表面层原子向空间蒸发，借蒸汽压差 通过气相向颈部空间扩散，沉积在颈部
➢ 体积扩散：借助于空位运动，原子等向颈部迁移 ➢ 表面扩散：原子沿颗粒表面迁移 ➢ 晶界扩散：晶界为快速扩散通道，原子沿晶界向
颈部迁移 ➢ 位错管道扩散：位错为非完整区域，原子易于沿
此通道向颈部扩散，导致物质迁移
烧结过程中物质的迁移方式
扩散
蒸发凝聚
回复再结晶和聚晶长大
➢ 回复 ➢ 再结晶 ➢ 聚晶长大
◊无限固溶系 ◊有限固溶系 ◊完全不溶系
液相烧结 多元系液相烧结
◊稳定液相烧结 ◊瞬时液相烧结 ◊熔浸
烧结理论的研究范畴
研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的 演化和物质变化规律 ➢ 热力学:烧结过程的驱动力（Why） ➢ 动力学:烧结过程中物质迁移方式和迁移 速度（How）
烧结理论的发展
➢ 烧结工艺始于公元前3000年 ➢ 烧结理论始于20世纪中期 ➢ 目前还没有成熟的理论
烧结基本过程
三阶段：
(1) 颗粒之间形成接触 (2) 烧结颈长大
➢ 粘结阶段
(3) 连通孔洞闭合 (4) 孔洞固化
➢ 烧结颈长大阶段
(5) 孔洞收缩和致密化 (6) 孔洞粗化
(7) 晶粒长大
➢ 闭孔隙球化和缩小阶段
水分挥发 化学反应 应力消除 回复和再结晶
粘结面和晶界的形成
粘结面和晶界的形成
烧结后的孔隙
粉末冶金原理-烧结
粉末冶金原理-烧结烧结是粉末冶金中一种常用的加工方法，它通过高温和压力的作用，将金属粉末粒子相互结合成致密的块状体，从而获取所需的材料性能和形状。
本文将介绍烧结的原理、方法以及应用。
1. 烧结原理粉末冶金烧结的原理基于固相扩散和短程扩散的作用。
在烧结过程中，金属粉末颗粒之间的接触面发生原子间的扩散，使得粒子之间形成更强的结合力，从而实现粉末的聚结。
烧结过程中，首先是金属粉末颗粒之间的接触，原子开始扩散。
随着温度的升高，扩散速率也随之增加。
当粉末颗粒之间的接触点扩散到一定程度后，开始形成颗粒之间的原子键合。
键合的形成使得颗粒间的结合力增强，同时形成新的晶体结构或弥散态结构。
2. 烧结方法2.1 传统烧结传统烧结是指采用外加热源和压力来实现烧结过程。
该方法通常包括以下几个步骤：1.装料：将金属粉末和所需添加剂按照一定比例混合，并形成一定的装料形状，如坯料或颗粒。
2.预压：将装料放入模具中，并施加一定的压力，使装料初步固结成形。
3.高温烧结：将装料放入烧结炉中，在一定的温度下暴露一段时间，使装料中的金属粉末颗粒扩散、晶粒长大并结合。
4.冷却：烧结完成后，将烧结块从炉中取出，经过冷却以稳定材料结构。
5.表面处理：根据需求，对烧结块进行加工、修整和处理，以得到最终所需的形状和表面特性。
2.2 反应烧结反应烧结是指在烧结过程中引入化学反应，利用固相反应进行金属粉末的结合。
相较于传统烧结，反应烧结可以实现更高的烧结温度，加快晶粒生长和结合的速度。
反应烧结的具体步骤包括：1.装料：将金属粉末和反应剂按照一定比例混合，并形成装料。
2.高温烧结：将装料放入烧结炉中，在一定的温度下暴露一段时间。
在高温下，反应剂与金属粉末发生固相反应，生成新的物质并结合金属粉末颗粒。
3.冷却：烧结完成后，将烧结块从炉中取出，经过冷却以稳定材料结构。
4.表面处理：根据需求，对烧结块进行加工、修整和处理，以得到最终所需的形状和表面特性。
3. 烧结应用烧结方法在粉末冶金中具有广泛的应用。
粉末冶金的烧结技术规程
粉末冶金的烧结技术规程一、前言粉末冶金是一种现代工艺技术，其主要应用于各种含金属、非金属和合金的粉末烧结制备。
粉末冶金技术具有独特的优势，例如可以生产出细粒度、高密度、高强度、耐磨、耐腐蚀的零件等。
在本文中，将介绍粉末冶金的烧结技术规程。
二、烧结原理烧结是将粉末冶金材料在高温下加热压实，使其形成致密的固体块材料的过程。
烧结时，原粉末经过初步加工处理，如混合、压制等工艺。
而后再放入保护气氛的烧结炉中加热，使粉末颗粒在融合时形成块状材料。
烧结的原理是粉末团聚过程的加快，通过在高温下加压使粉末颗粒间形成连接，形成致密的物理结构，从而提高材料的密度和强度。
三、不同材料的烧结温度烧结温度取决于使用材料的种类、成分和形状。
以下列出一些典型的烧结温度范围：1. 硬质合金烧结烧结温度为1300-1520°C，可以使硬质合金材料的密度达到99%以上，从而提高硬度和耐磨性能。
2. 钨合金烧结烧结温度为1400-1600°C，可以使钨合金材料的密度达到90%以上，从而提高硬度和抗腐蚀性能。
3. 不锈钢烧结烧结温度为1250-1350°C，可以使不锈钢材料的密度达到95%以上，从而提高耐腐蚀性能。
4. 铜烧结烧结温度为700-900°C，可以使铜材料的密度达到90%以上，从而提高材料的导电性能和强度。
五、烧结工艺流程1. 原料制备粉末冶金材料的粉末需要在专业的设备中进行初步处理，如混合、筛分等，以满足烧结的要求。
2. 压制将初步处理过的粉末加入模具中，进行压制。
压缩时需要控制压实的压力和时间，以确保形成高密度的材料坯。
3. 烘干将压制后的材料坯进行烘干，以去除多余的水分和其他杂质。
4. 烧结将烘干的材料坯放入烧结炉中，在高温下进行保护气氛烧结。
烧结温度需要根据材料的种类、形状和成分来确定，以确保形成高密度、高强度的材料。
5. 冷却待烧结完成后，将材料坯从烧结炉取出放凉，并在不同温度下进行降温，以防止材料的变形或裂纹。
粉末冶金原理烧结
很小 sin
AB x sin
Fx F x
垂直作用于ABCD上旳合力
F
2(Fx sin
F
sin
)
2 (
x)
2
2
ABCD旳面积为 xθ×ρθ，作用在上面旳应力为
F
x 2
2 ( x) x 2
(1 1) x
因为烧结颈半径x远不小于曲率半径 x>>
烧结动力是表面张力造成旳一种机械力，它垂直作用于烧结颈曲面上， 使烧结颈向外长大。
多元系烧结根据烧结温度下有无液相出现又提成：
1）多元系固相烧结：烧结温度在其中低熔成份旳熔点温 度下列。根据系统旳组元之间在烧结温度下有无固相溶解 存在又分为：
a)无限固溶系：在相图上有无限固溶区旳系统，如Cu-Ni Fe-Ni、W-Mo等。
b)有限固溶系：在相图上有有限固溶区旳系统，如Fe-C Fe-Cu、W-Ni等。
假如颗粒半径2m x=0.2μ ρ＝10-8～10-9m 则σ＝107 N/m2
在形成孔隙中气体阻止孔隙收缩和烧结颈长大，有效力： Ps Pv
开孔： Pv=1atm =105 N/m2
闭孔：
Ps
Pv
2
r
r－孔隙半径 孔隙收缩使Pv增大，到达一种平衡值 ∴仅延长烧结时间不能消除孔隙
物质扩散旳角度
孔隙球化
等温烧结三个阶段旳相对长短主要由烧结温度决定：温度 低，可能仅出现第一阶段；在生产条件下，至少确保第二 阶段接近完毕；温度越高，出现第二甚至第三阶段就越早。
在连续烧结时，第一阶段可能在升温过程中就完毕。
1.粉末发生烧结旳主要标志是坯体旳强度增长，导电性能 提升，表面积减小，而不是意味着烧结体产生收缩。
粉末冶金烧结炉原理
粉末冶金烧结炉原理粉末冶金烧结炉是一种重要的粉末冶金设备，主要用于将金属或其他材料的粉末压缩成固体块体。
粉末冶金烧结炉的原理是利用高温和压力，使粉末颗粒之间发生扩散与结合，从而形成致密的块体。
粉末冶金烧结炉的工作原理如下：1. 加料：将需要加工的金属或其他材料的粉末投入烧结炉的料仓中。
粉末的粒度和成分是影响烧结成品质量的重要因素。
通常，较细的粉末颗粒可以提高烧结成品的致密度，但也会增加烧结时间和能耗。
2. 预压：粉末在烧结前需要经过预压处理。
预压的目的是将粉末颗粒扎实地排列在一起，去除空隙和气体，并为后续烧结过程的进行提供良好的起始条件。
预压的压力通常为200-400MPa。
3. 烧结：经过预压后，粉末被放置在烧结炉的热区中进行烧结过程。
烧结炉通过加热装置提供高温环境，使粉末颗粒达到烧结温度。
在烧结过程中，粉末颗粒表面的氧化物和杂质以及粒界处的微小空洞被消除，颗粒间形成强化学和物理结合。
4. 烧结过程中，粉末颗粒表面的氧化物和杂质以及颗粒之间的微小空洞消失，粉末颗粒发生扩散，并逐渐形成密实块体。
烧结过程中，温度、压力和时间是影响烧结成品的主要因素。
过高的温度会导致颗粒过度烧结，而过低的温度则会影响烧结效果；过高的压力会增加成本和能耗，而过低的压力则会影响烧结致密度；烧结时间过短会导致颗粒结合不良，而过长的时间则会浪费能源。
5. 冷却：烧结完成后，烧结块体经过冷却处理。
在冷却过程中，热区的温度逐渐降低，使得烧结块体逐渐冷却固结，并保持其致密度。
粉末冶金烧结炉的原理是基于粉末颗粒的热扩散和力学固结过程。
在高温环境下，粉末颗粒表面的氧化物和杂质会被清除，颗粒之间发生扩散，表面分子运动速度加快，相互碰撞并结合到一起。
随着时间的推移，这些颗粒之间的结合不断增强，最终形成密实的块体。
粉末冶金烧结炉通过提供高温和压力环境，利用粉末颗粒之间的扩散和力学结合过程，实现了金属或其他材料的粉末烧结成块体的目标。
粉末冶金烧结炉在制造工业、材料科学、航空航天等领域具有重要的应用价值。
粉末冶金烧结的原理是什么
粉末冶金烧结的原理是什么
在粉末冶金烧结过程中，需要选择适当的还原气氛。
还原气氛可以通
过控制烧结过程中的气氛组成和气氛温度来实现。
正确选择还原气氛对于
提高烧结过程中的烧结密度和机械性能非常重要。
目前常用的还原气氛有氢气气氛、氮气-氢气混合气氛、氩气气氛等。
选择适当的还原气氛要考虑以下几个方面：
1.烧结物质的物理和化学性质：不同的物质对于还原气氛的需求是不
同的。
例如，一些物质在氢气气氛中容易发生返还反应，从而产生高纯度
的材料。
而一些物质在氢气气氛中容易脱氧，使材料中的氧含量降低。
2.烧结温度：烧结温度也会影响还原气氛的选择。
一般来说，高温下
需要使用高活性的还原气氛，以确保物质能够进行有效的还原反应。
同时，还原气氛的选择也要避免过高温度会导致烧结物质溶解和气体的浪费。
3.烧结压力：一些还原反应需要一定的压力才能进行，因此在烧结过
程中需要考虑烧结的压力。
一般来说，较高的烧结压力可以增加材料的烧
结密度，同时也可以促进还原反应的进行。
4.烧结时间：不同的还原气氛对烧结时间的要求也不同。
一些气氛需
要较长的烧结时间来实现完全的还原反应，而一些气氛则可以在较短的时
间内完成还原。
总的来说，选择适当的还原气氛是粉末冶金烧结过程中非常重要的一步。
需要综合考虑烧结物质的性质、烧结温度、烧结压力和烧结时间等因素，以确保烧结过程中所需的还原反应能够进行，并获得高质量的烧结材料。
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为了反映烧结的主要过程和机构的特点，通常按烧结过程 有无明显的液相出现和烧结系统的组成进行分类： （1）单元系烧结 纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材 料）或化合物 （ 等），在其熔点 以下的温度进行的固相烧结过程。
（2）多元系固相烧结 由两种或两种以上的组分构成 的烧结体系，在其中低熔组分的熔点温度以下所进行的固 相烧结过程。粉末烧结合金有许多属于这一类。根据系统 的组元之间在烧结温度下有无固相溶解存在，又分为：
第五章烧结
1概述 2烧结过程的热力学基础 3烧结机构
1 概述
一、烧结在粉末冶金生产过程中的重要性 1、烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之 一。粉末冶金从根本上说，是由粉末成形和粉 末毛坯热处理（烧结）这两道基本工序组成的， 在特殊情况下（如粉末松装烧结），成形工序 并不需要，但是烧结工序，或相当于烧结的高 温工序（如热压或热锻）却是不可缺少的。
性流动造成球形孔隙收缩速率为 d r/d t=-3γ/(4η) （均匀收缩）
由粘
孔隙消除所需时间为：
t=4η/(3γ)•Ro （Ro为孔隙初始半径）
在时刻t孔隙尺寸R为： Ro-R=2γ/η•t
烧结特征方程符合：x m/an =F(T)▪t
（二）蒸发-凝聚
蒸发-凝聚：由于饱和蒸汽压差的存在，使物质由
5.2 烧结过程的热力学基础
一烧结的基本过程
粉末的等温烧结过程，按时间大致可以划分为三个 界限不十分明显的阶段：
（1）粘结阶段---烧结初期，颗粒间的原始接触点或面 转变成晶体结合，即通过成核、结晶长大等原子过程形 成烧结颈。在这一阶段中，颗粒内的晶粒不发生变化， 颗粒外形也基本未变，整个烧结体不发生收缩，密度增 加也极微，但是烧结体的强度和导电性由于颗粒结合面 增大而有明显增加；
(a) (b) (c、d)
图 5-1 球形颗粒的烧结模型 烧结前颗粒的原始接触； 烧结早期的烧结颈长大； 烧结后期的孔隙球化
二、烧结的热力学问题
烧结系统自由能的降低，是烧结过程的驱动力，包括 下述几个方面 ： （1）由于颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表面的 平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减小；
烧结铜粉的自扩散系 数与温度的关系
（五）晶界扩散（GB diffusion）
晶界扩散：原子或空位沿晶界进行迁移 晶界是空位的“阱”（Sink），对烧结的贡献体现在： ● 晶界与孔隙连接，易使孔隙消失 ● 晶界扩散激活能仅为体积扩散的一半，D gb》Dv ● 细粉烧结时，在低温起主导作用，并引起体积收缩
（一）粘性流动
粘性流动：在小的应力作用下，应变速度开始随时间变 化（降低）很快，但随时间延长，最后趋于一个常数。 粘性流动机构由Freckle、Kuczynski分别提出 Frenkle所作的两个假设： a. 烧结体是不可压缩的牛顿粘性流体 b. 流体流动的驱动力是表面能对它做功，并以摩擦功 形式散失
表面扩散与体积扩散的扩散激活能差别不大， 但 D v o>D so，故D v>Ds 烧结动力学方程： Kuczynski: x7/a3=(56Dsγδ4/k T)▪t
Rocland: x7/a3=(34Dsγδ4/k T )▪t
√Cabrera：x6/a2 = k/▪t
δ为表面层厚度，采用强烈机械活化可提高有效表面活 性的厚度，从而加快烧结速度。
2）瞬时液相烧结系统如： 合金等。 对烧结过程的分类，目前并不统一。盖彻尔（是把金 属粉的烧结分为1）单相粉末（纯金属、固溶体或金属 化合物）烧结；2） 金属或金属非金属）固相烧结； 3）多相粉末液相烧结；4） 熔浸。他把固溶体和金属 化合物这类合金粉末的烧结看为单相烧结，认为在烧 结时组分之间无再溶解，故不同于组元间有溶解反应 的一般多元系固相烧结。
各种温度下烧结铜粉的实验曲线
（四）表面扩散
表面扩散：原子或空位沿颗粒表面进行迁移 基本观点： ● 低温时，表面扩散起主导作用，而在高温下，让位于体 积扩散 ● 细粉末的表面扩散作用大
● 烧结早期孔隙连通，表面扩散的结果导致小孔隙的缩小 与消失，大孔隙长大
● 烧结表面氧化物的还原，提高表面扩散活性
1）无限固溶系 如
在合金状态图中有无限固溶区的系统，
2）有限固溶系 统，如
在合金状态图中有有限固溶区的系 等；
3）完全不互溶系 组元之间既不互相溶解又不形成化 合物或其他中间相的系统，如 等所谓“假合金”。 （3）多元系液相烧结 以超过系统中低熔组分熔点的 温度进行的烧结过程。由于低熔组分同难熔固相之间互 相溶解或形成合金的性质不同，液相可能消失或始终存 在于全过程，故又分为： 1）稳定液相烧结系统如：
（2）烧结颈长大阶段 ---原子向颗粒结合面的大量迁 移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙 网络；同时由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，而被 晶界扫过的地方，孔隙大量消失。烧结体收缩，密度 和强度增加是这个阶段的主要特征； （3）闭孔隙球化和缩小阶段---当烧结体密度达到 90%以后，多数孔隙被完全分隔，闭孔数量大为增加， 孔隙形状趋近球形并不断缩小。在这个阶段，整个烧 结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失和孔隙数 量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间，但是 仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。
线收缩率动力学方程： 由第二烧结几何模型：△a/a=1-Cosθ =2Sin2(θ /2) =2(θ /2)2 θ =x/a很小 =x2/2a2 = △L/L 与Kingery-Berge烧结动力学方程联立 ∆L/L o =[(20γΩDv/21/2kT)]2/5t2/5 L/L o可用膨胀法测定 实验验证： ln△L/Lo—lnt作曲线，斜率为2/5
二、烧结的概念与分类 1、烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气 氛条件下加热所发生的现象或过程。 2、烧结的结果是颗粒之间发生粘结，烧结体的 强度增加，而且多数情况下，密度也提高。如果 烧结条件控制得当，烧结体的密度和其它物理、 机械性能可以接近或达到相同成分的致密材料。 3、从工艺上看，烧结常被看作是一种热处理， 即把粉末或粉末毛坯加热到低于其中主要组分熔 点的温度下保温，然后冷却到室温。在这过程中， 发生一系列物理和化学的变化，粉末颗粒的聚集 体变成为晶粒的聚结体，从而获得具有所需物理、 机械性能的制品或材料
2、 烧结也是粉末冶金生产过程的最后一道主要工 序，对最终产品的性能起着决定性作用，因为由烧 结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的，烧结 实际上对产品质量起着“把关”的作用。
3、从另一方面看，烧结是高温操作，而且一般要 经过较长的时间，还需要有适当的保护气氛。因此， 从经济角度考虑，烧结工序的消耗是构成产品成本 的重要部分，改进操作与烧结设备，减少物质与能 量消耗，如降低烧结温度，缩短烧结时间等，在经 济上的意义是很大的。
用体积来表示原子扩散系数，即 ： D v = D v/C v o Ω=D v o.e x p(-Q/RT) dv/dt = A D v‘.Ω.△C v/ρ 其中A=(2πx).(2ρ) = 2πx3/a
V=πx2.2ρ= πx4/a， 由ρ=x2/2a
∴ 有：x5/a2=20DvγΩ/kT▪t 按Kingery-Berge方程：ρ=x2/4a x5/a2 = 80DvγΩ/kT• t （2） （1）、（2）式即为体积扩散的动力学方程 （1）
（三）体积扩散
烧结时空位扩散途径
体积扩散：由于空位或原子浓度梯度而导致的物质
迁移。
● 烧结动力学特征方程推导：
烧结颈长大是颈表面附近的空位向球体内扩散，
球内部原子向颈部迁移的结果
颈长大的连续方程： d v/d t=J v.A.Ω
J v—单位时间内通过颈的单位面积空位个数，即空位流 速率
由Fick第一定律： J v=D vˊ▪▽C v= D vˊ▪ △C v/ρ D v/—空位扩散系数
动力学方程
x6/a2 = (960Dgbγδ4/k T) • t （δ=晶界宽度）
（a）代表孔隙周围的空位 向晶界（空位阱）扩散并被 其吸收，使孔隙缩小、烧结 体收缩；
晶界、空位与收缩的关系模型
(b)代表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。
● 孔隙收缩动力学方程的推导：
孔隙表面的过剩空位浓度： Cv = Cvo γΩ/（k T r） 若孔隙表面至晶界的平均距离与孔径处于同一数量级， 则空位浓度梯度：
▽C v=C v o γΩ/（kTr2）
由Fick第一定律： d r/d t= —D v’▽C v = —D v γΩ/（kTr2） 分离变量并积分： ro3-r3 = 3γΩ/（k T）•D v t
弗仑克尔球 球模型
库钦斯基烧结球平板模型
简单的处理：
单位时间内，单位体积内散失的能量为θ，表面降低对粘 性流动做的体积功为γ.d A/d t
则：θV=γ▪d A/d t
经几何变换和微分处理，得特征方程：
x2/a = (3/2)γ/η.t
或： (x/a)2 = (3/2)γ/(ηa).t x2 与 t成线性关系 → 2ln(x/a) = A + ln t
m=△P(M/2πRT)1/2（M为原子量）
颈长大速度： dV / dt = A (m / d)
A—颈表面积；d—物质密度
经几何计算、变换和积分，得：
x3/a=3Mγ(M/2πRT)1/2P a /(d2RT)▪t 注意：M=NΩ d 及k=KN
x3/a = k▪t
玻璃球 平板烧结实验
氯化钠小球烧结实验
（2）烧结体内孔隙的总体和总表面积减小； （3）粉末颗粒内晶格畸变的消除。
对烧结过程，特别是早期阶段，作用较大的主要是表 面能。 烧结后颗粒的界面转变为晶界面，由于晶界能更低，故 总的能量仍是降低的。随着烧结的进行，烧结颈处的晶 界可以向两边的颗粒内移动，而且颗粒内原来的晶界也 可能通过再结晶或聚晶长大发生移动并减少。因此晶界 能进一步降低就成为烧结颈形成与长大后烧结继续进行 的主要动力 烧结过程中不管是否使总孔隙度减低，但孔隙的总表 面积总是减小的。隔离孔隙形成后，在孔隙体积不变 的情况下，表面积减小主要靠孔隙的球化，而球形孔 隙继续收缩和消失也能使总表面积进一步减小，因此， 不论在烧结的第二或第三阶段，孔隙表面自由能的降 低，始终是烧结过程的驱动力