粉末冶金材料试题和答案

粉末冶金材料工程硕士考试题
一、简述提高粉末冶金结构材料密度的可能途径及其特点。

答：1、在粉末中加入适量成形剂和润滑剂。

原料粉末中的成形剂和润滑剂能有效减少压制过程中粉末之间的摩擦力，从而降低压力损失，
2、润滑模壁、芯杆。

对模壁和芯杆进行润滑可以有效降低模具与粉末之间的摩擦力，降低压力损失，从而提高压坯密度和最终产品的密度。

3、提高压制压力。

在一定的范围内，压坯的密度随压制压力的提高而提高，因此提高压制压力能提高压坯密度。

但是压制压力过高会使模具损害加剧，降低模具的使用寿命，并对压机有一定的损害。

4、采用多向压制、流动温压、高温温压、热冷等静压、高速压制等成形方式，可以在一定程度内提高产品的密度，并且可以提高产品密度分布的均匀性。

5、提高烧结温度。

在一定范围内提高烧结温度可以提高烧结产品的密度，但过高的烧结温度会使烧结炉寿命减少，并且还有可能造成产品的过烧和/或晶粒粗大，从而使产品性能降低或报废。

6、采用压力烧结，在烧结过程中提高气氛压力，可提高产品密度。

7、采用强化活化烧结，增加烧结液相，减少产品孔隙度，提高产品密度。

8、采用熔渗、复压复烧等方式。

熔渗和复压复烧等方式也能在一定程度范围内提高烧结产品的密度，但熔渗产品的尺寸精度不易控制，复压复烧工序较多，增加了成本。

二、试分析常规液相烧结与超固相线液相烧结的异同。

答：粉末液相烧结具有两种或多种组分的金属粉末或粉末压坯在液相和固相同时存在状态下进行的粉末烧结。

此时烧结温度高于烧结体中低熔成分或低熔共晶的熔点。

由于物质通过液相迁移比固相扩散要快得多，烧结体的致密化速度和最终密度均大大提高。

液相烧结工艺已广泛用来制造各种烧结合金零件、电接触材料、硬质合金和金属陶瓷等。

根据烧结过程中固相在液相中的溶解度不同，常规液相烧结可分为3种类型。

(l)固相不溶于液相或溶解度很小，称为互不溶系液相烧结。

如W一Cu、W一Ag 等假合金以及A12O3一Cr、A12O3一Cr一Co一Ni、
A12O3一Cr- W、BeO一Ni等氧化物一金属陶瓷材料的烧结。

(2)固相在液相中有一定的溶解度，在烧结保温期间，液相始终存在，称为稳定液相烧结。

如Cu 一Pb、w一eu一Nl、we- C。

、TIN一Ni等材料的烧结。

(3)因液相量有限，又因固相大量溶入而形成固溶体或化合物，使得在烧结保温后期液相消失，这类液相烧结称为瞬时液相烧结。

超固相线液相烧结也属于液相烧结的范畴（简称SLPS），但它又不同于传统混合粉的液相烧结。

SLPS是将完全预合金化的粉末加热到合金相图的固相线与液相线之间的某一温度，使每个预合金粉末的晶粒内、晶界处及颗粒表明形成液相，从而使烧结体迅速达到致密化。

SLPS的特点可概括为：
（1）在烧结过程中，固相和液相的体积分数及成分是基本恒定的；
（2）由于粉末颗粒本身是液相源，所以液相对固相的润湿是迅速、均匀和完整的；
（3）颗粒之间及晶界处的液相膜对致密化起决定作用，二晶粒内部呈点分布的液滴对致密化无明显影响，液相膜是物质扩散的媒体；
（4）可灵活调整烧结温度和合金成分来控制液相的体积分数，以便获得最好的显微组织和力学性能。

SLPS最为突出的应用是在粉末注射成形方面，注射成形最大的缺点是要求粉末超细，以便促进烧结致密化更充分，而SLPS工艺使预合金粉末的晶界上出现液相，这样较粗的预合金粉末可以同样获得较高的致密化，所以将SLPS工艺与注射成形结合起来，可大大降低制造超细粉末的难度和成本。

三、Cu基粉末冶金零件实际生产过程中发现：在含少量水蒸汽的氢气氛中烧结可以得到较高密度的产品，请分析其中的原因。

(15分)
答：氢气气氛中含有少量水蒸汽能使Cu基粉末冶金零件表面预氧化，使Cu粉颗粒产生较多晶体缺陷或不稳定结构，提高Cu粉活性，使烧结过程活化，从而得到较高密度的产品。

四、相变韧化和弥散韧化的机理分别是什么？试分别举例说明其应用。

答：（1)相变韧化机理，应力诱导相变韧化提高复合陶瓷断裂韧性。

例如氧化锆增韧陶瓷（t-ZrO2 与Al2O3）的制得是利用陶瓷机体内的弥散的亚稳四方氧化锆粒子在收到外力作用时转变为单斜氧化锆，吸收了能量从而提高了陶瓷的韧性。

(2)弥散强化原理，硬质点提高基体强度的同时会降低韧性，如果基体本身是脆性材料，塑性区很小，那么粒子可能提高其韧性，这就是弥散韧化的出发点。

例如，c-ZrO2 与Al2O3的韧化机理就是弥撒韧化，在复合陶瓷中，当裂纹遇到第二相粒子时会避开粒子而偏转，在弥散粒子之间走“之”字，裂纹形状和长度的改变，新的断裂表面都会吸收能量，从而提高材料的韧性。

五、试分析为什么粉末冶金材料一般具有细晶特征。

答：粉末冶金材料一般具有细晶特征是由粉末冶金材料生产工艺和粉末冶金材料用途决定的。

粉末冶金材料在烧结后期才会发生可观察到的晶粒长大现象但与普通致密材料相比较，烧结材料的这种晶粒长大现象几乎可以忽略，主要原因：（1）孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍，烧结坯中孔隙对晶界迁移施加了阻碍作用，即孔隙的存在阻止晶界的迁移，粉末颗粒的原始边界随着烧结过程的进行一般发展成晶界；当孔隙度固定时，孔隙数量愈大，这种阻碍作用也愈强，相应地，晶粒长大趋势亦小；
（2）烧结温度低于铸造温度；
因此采用粉末冶金工艺制备的材料一般具有细晶特征。

六、Fe-Cr-Al丝是常用的电热材料，其最高工作温度可达1300°C，但在使用过程中发现采用熔炼—压力加工工艺生产的Fe-Cr-Al丝易发生破断，试分析其中的原因，并设计一完整的工艺以解决该问题。

（20分）
答：Fe－Cr－Al型电热合金这类合金以铁为基体，含Cr12～30％，Al4～8％，Cr与Al的适当配比以及添加微量的 La、Ce、Y等元素，可获得高性能的电热合金。

例如Cr17Al5、Cr25Al5、Cr28Al8Ti等,最高使用温度依次可达1050、1200、1300℃。

这类合金为铁素体组织，在450℃和700℃左右分别有脆化区,在高温下长期使用,晶粒容易粗化，因而易发生破断。

电热合金的冶炼应根据合金的化学成分，特别是碳、磷、硫以及为提高合金性能加入的微量元素和对合金纯度的要求，分别采用电弧炉、真空感应炉以及电渣重熔等方法冶炼。

为改善合金的加工性能，在冶炼过程中应加强脱氧，防止铸锭时二次氧化，减少偏析和粗大的柱状结晶组织。

Fe-Cr-Al型合金在热加工过程中应防止加热温度过高和加热时间过长，以避免晶粒粗化。

热加工终止温度一般不高于850℃。

这类合金的冷加工性能较差，因此在冷加工过程中应及时进行再结晶退火处理，采用均匀变形的工艺方法并加强润滑。