粉末冶金 烧结

T2
T2
T1 T1
收缩Δl/l
烧结径尺寸r/R
表面积减少ΔS /S
烧结时间t
T1 T2 烧结时间t
致密化参数Φ
烧结时间t T2 T1
烧结时间t
烧结时间的影响
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
点接触
开始阶段
中间阶段
最终阶段
烧结阶段示意图
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
Bt
空位浓度梯度
x5 Bt R2
x3 Bt R x2 Bt R
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
影响扩散系数的因素
•温 度
• 材料成分 • 晶体结构 • 晶体缺陷
D
D0
exp(
Q RT
)
• 其他因素
影响程度：温度－成分－结构－其它
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力 温度提高，能超过能垒的几率越大，同时晶体的平衡空位浓
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
烧结颈表面 （空位源）
晶界 （空位阱）
颗粒表面 （空位阱）
颗粒内和 位错攀移
图5-12 烧结时空位扩散途径
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力 表面扩散
θ
阶梯状表面示意图
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力 晶界扩散
度也越高，这些都是提高扩散系数的原因。
原子之间的结合键力越强，通常对应材料的熔点也越高， 激活能较大，扩散系数较小。 原子排列越紧密，晶体结构的致密度越高，激活能较大，扩 散系数较小。
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
原子对长度 Lp
x L
距离 L-△ L
粉体颗粒烧结的计算模拟法结果
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
σ R
2r
ρ
烧结的两球模型
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
C
0 v
Cv
ρ
烧结颈曲面下的空位溶度分布
第五章 烧结
§5.3 烧结中物质的迁移
5.2.3 烧结原动力
两种类型的物质扩散
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
90 压坯相对密度=77%
80
烧结密度/%
70
61%
58% 60
4h，氢气
900 1000 1100 1200 温度/℃
细水雾化不锈钢粉在烧结时的致密化和收缩
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
40
表面积减少 ΔS/S(%)
位错芯管扩散Dislocation pipe diffusion
晶界扩散 Grain boundary diffusion 表面扩散 Surface diffusion
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
塑性流动
x9 R4.5 Bt
5.2.3 烧结原动力
晶界扩散
x7 R5 Bt
表面扩散
x6 R3
5.2.3 烧结原动力 黏性流动
黏性流动 F
体积扩散
(a)
(b)
黏性流动
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力 颗粒表面蒸发
θ 2x
库钦斯基烧结模型
R 2ρ
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
x/R
0.50 750 ℃
0.30
725 ℃
0.10 0.08
粉末冶金
使用教材
参考教材
参考教材
第五章 烧结
§5.1 概述
烧 结? 压坯或松装粉末体的强度和密度都是很低的。为了提高压 坯或松装粉末体的强度，需要在适当的条件下进行热处理。 这就是把压坯或松装粉末体加热到其基本组元熔点以下的 温度(约0.7-0.8Tm)，并在此温度下保温，从而使粉末颗粒 相互结合起来，改善其件能。这种热处理就叫做烧结。
MT=melting point
第五章 烧结
§5.1 概述
T
液相烧结
TmA 粘性流烧结 TmB
T3 瞬态液相烧结
T2
温度
T1
固相烧结
A
X1
B
组分
各种类型的烧结
各种类型的烧结
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
致密化参数Φ
s g t g
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
T2>T1
(a)
(b)
空位从颗粒接触面向颗粒表面(a)或晶界；(b)扩散的模型
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
500um
直径0.13mm的铜丝在1075℃氢气中烧结408 h后的断面形貌
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力 塑性流动机制
R x
θ
h
0.05
1
2 46
10
20 40 60
t/min
图 玻璃球-平板烧结实验
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力 体积扩散
(a)
(b)
(c)
图 三种扩散机制
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力
(1) (3)
(5) (6)
空位与原子的扩散
第五章 烧结
代入得： p 2
r
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之 间的关系式：
特殊式（对球面）：
p 2
r
一般式：
p ( 1 1 )
r1 r2
根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径 取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力 指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。
30
1
20
铜球
2 1010 ℃ 氢气
10 0.1
1
10
100
1000
时间/h
1-70 μ m铜粉烧结时为表面扩散机构
2-1铜00 粉μ烧m铜结粉时烧的结表时面为减表少面扩散机构
第五章 烧结
（1 1 ) r
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
对活塞稍加压力，将毛细管内液
体压出少许，使液滴体积增加dV， 相应地其表面积增加dA。克服附加 压力p环境所作的功与可逆增加表
面积的吉布斯自由能增加应该相等。
p p
p dV dA
Young-Laplace推导
A 4r dA 8rdr
塑性流动模型
第五章 烧结
§5.3 烧结中的物质迁移
5.2.3 烧结原动力Leabharlann Baidu
第五章 烧结
§5.2 烧结过程的热力学基础
5.2.3 烧结原动力 晶格扩散 lattice diffusion
体积扩散Volume diffusion 块体扩散Bulk diffusion
扩散的短回路 Short circuit path