粉末冶金原理总复习题2011

粉末冶金总复习题
（一）粉末性能和表征
1.什么是粒度 ?粒度分布 ?平均粒度 ?
粒度: 颗粒在空间范围所占大小的线性尺度. 粒度组成（粒度分布）: 不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量. 平均粒度: 粉末颗粒粒径的统计平均值.
2.常用粒度基准有哪些 ?粒度分布基准呢 ?
粒度基准有：a）几何学粒径b）当量粒径c）比表面粒径d）衍射粒径粒度分布基准：1）个数基准分布2）长度分布基准3）面积分布基准4）质量基准分布
3.什么是中位径 ?什么是比表面 ?
积分曲线上对应50%的粒径称为中位径
克比表面（S w）: 1g 质量的粉末所具有的总表面积（m2/g）;
体积比表面（S v）: （m2/cm3）；
4.什么是松装密度和振实密度 ?松装密度的控制有何重要意义 ?
松装密度：自然充填容器时,单位体积的质量
振实密度：粉末在振动容器中, 在规定条件下经过振动后测得的粉末密度意义：压制过程中, 采用容量装粉法, 即用充满形腔的粉末体积来控制压坯的密度和单重. 用松装密度和振实密度来描述粉体的这种容积性质.
5.如何提高粉末的ρ松和流动性？松装密度高的粉末流动性也
好，方法：粒度粗、形状规则、粒度组成用粗+细适当比例、表面状态光滑、无孔或少孔隙
教材习题 : 2.1, 2.5 , 2.8, 2.9, 2.10
（二）粉末的制取
1. 简述△ Z0-T 图对还原制粉的指导作用。

3.欲得细 W粉，应如何控制各种因素？
（1）采用两阶段还原法，并控制WO2 的粒度细；（2）减少WO3的含水量和杂质含量；（3）H2 入炉前应充分干燥脱水以减少炉内水蒸气的浓度；（4）增大H2流量（有利于反应向还原方向进行，有利于排除水蒸气使WO3 在
低温充分还原，从而可得细W粉）；（5）采用顺流通H2 法；
（6）减小炉子加热带的温度梯度；（7）减小推舟速度和舟中料层的厚度；（8）WO3中混入添加剂（如重铬酸氨的水溶液）；
4.用雾化法制取金属粉末有哪些优点？
优点：① 易合金化—可制得预合金粉末（因需熔化）, 但完全预合金化后, 又易使压缩性下降. 一般采用部分预合金.
②在一定程度上, 粒度、形状易控制.
③化学成分均匀、偏析小, 且化学成分较还原粉为纯.
④生产规模大.
5.简述水雾化和气体雾化法的基本原理。

都属于二流雾化法，即利用高速气流或高压水击碎金属液流，破坏金属原子间的键合力，从而制取粉末；
6.简述电解析出物形态与电流密度关系
析出物形态与电流密度关系为：
1）得到松散粉末：i Kc （对应图中区Ⅰ）
2）致密沉积物： i 0.2Kc （对应图中区Ⅲ）2）过渡状态：0.2Kc i Kc （对应图中区Ⅱ）
教材习题： 1.1, 1.4
（三）成形
1. 压制时压力的分布状况如何？产生压力降的原因是什么？压坯中产生压力分布不均匀的原因有哪些？
压制压力分配：
①使粉末产生位移、变形和克服粉末的内摩擦（粉末颗粒间的）—净压力P1; ② 用来克服粉末颗粒与模壁之间外摩擦的力—压力损失P2 . 总压力为净压力与压力损失之和: P P1P2 压力降原因：粉末与模壁之间的摩擦力随压制压力而增减，在压坯高度上产生压力降压力分布不均匀的原因：由于粉末颗粒之间的内摩擦、粉末颗粒与模壁之间的外摩擦等因素影响, 压力不能均匀地全部传递, 传到模壁的压力始终小于压制压力.
2. 压坯中密度分布不均匀的状况及其产生的原因是什么？如何改善密度分布 ?
密度分布不均匀的状况：一般，高度方向和横断面上都不均匀.
①平均密度从高而低降低.
②靠近上模冲的边缘部分压坯密度最大; 靠近模底的边缘部分压坯密度最小. ③ 当H/D（高径比）较大时, 则上端中心的密度反而可能小于下端中心的密度. 产生的原因：压力损失改善压坯密度不均匀的措施：
①在不影响压坯性能前提下, 充分润滑;
②采用双向压制;
③采用带摩擦芯杆的压模;
④采用浮动模;
⑤对于复杂形状采用组合模冲, 并且使各个模冲的压缩比相等;
⑥改善粉末压制性（压缩性、成形性）—还原退火;
⑦改进模具构造或适当变更压坯形状.
⑧提高模具型腔表面硬度和光洁度. HRC58～63,粗糙度9 级以上. 4．压坯可分为哪几类 ?压坯形状设计一般原则是什么 ? 5．什么是弹性后效 ?它对压坯有何影响 ? 弹性后效：在去除P 压后，压坯所产生的胀大现象。

弹性后效危害：压坯及压模的弹性应
变是产生压坯裂纹的主要原因之一，由于压坯内部弹性后效不均匀，脱模时在薄弱部位或应力集中部位就会出现裂纹。

6．什么是侧压力和侧压系数？侧压力：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力侧压系数：单位面积的侧压力（侧压强p 侧）与单位压制压力P 的比值，即p侧
p1
教材习题：
3.1, 3.4 , 3.5,3.6, 3.7 ,3.12
（四）特殊成形
1. 什么是等静压成形？它有什么优缺点？其基本原理是什么？等静压成形是指，借助于高压流体的静压力作用，使弹性模套内的粉末在同一时间内各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯的成形方法。

优点：① 能成形凹形、空心等复杂形状.
②粉末与弹性模具间相对移动很小、摩擦损耗小,压制压强较钢模低.
③能压制各种金属粉末及非金属粉末; 压坯密度分布均匀.
④压坯强度较高.
⑤CIP 模具材料是橡胶、塑料, 成本低廉.
⑥能在较低温度下制得接近完全致密的材料. —HIP 缺点：
①压坯尺寸精度和表面光洁度都比钢模压制低;
②生产效率低于自动钢模压制;
③CIP 中使用的橡胶或塑料包套寿命比金属压模要短得多;
④HIP 中使用的包套都为一次性、消耗大, 且包套材料种类受到限制. 基本原理（帕斯卡原理）
流体在密闭容器内任何一点所受的压应力,将无保留地传递到流体（或容器）的各处.
①若流体内任意处的静压应力相等,称为准静力等静压,否则为非准静力等静压. ②流体通过液-固（气-固）界面对固体施加压力.
③HIP 在加压同时还要加热,使成形和烧结过程同时完成. 2．按粉
料装填和受压形式冷等静压可分为哪两类？各有什么特点？
冷等静压制按粉料装模及其受压形式可分为：湿带模具压制和干带模具压制。

湿带模具压制：优点：
①能在同一压力容器内同时压制不同形状压件;
② 模具寿命较长、成本低. 缺点：装袋、脱模过程耗时多. 干带模具压制：特点: 生产效率高、易于实现自动化,可达10～15 件/min;模具寿命长.
3．简述有刚体支承冷等静压制过程特点。

粉末所受的和压缩位移有直接关系的应力主要在侧面(p2); 两端橡皮塞虽也受液体静压力作用p1,但由于粉末与刚体表面有摩擦. 故p1 只起到阻止粉末侧向运动的作用,对粉末纵向位移作用不大.
4．无刚体支承冷等静压制过程中粉末运动有何特点？
1)颗粒运动方向: 由粉末的受力表面开始,垂直指向粉末内部,并沿制品表面的法向.2)颗粒充填过程: 由外向内进行, 粉末由外层向内层供给和推进. 充填粉末决不可能跳过邻近层而直接向深处或心部充填.
5. 简述热等静压的过程和特点。

过程：将装于包套内的粉体置于充满气体介质的高温压力容器内,使粉体在压缩
的同时经历高温烧结, 成为致密制品.
特点：粉末体 (粉末压坯或包套内的粉末) 在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压的联合作用，强化了压制与烧结过程，降低了制品的烧结温度，改善了制品的晶粒结构，消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙，提高了材料的致密度和强度。

6.什么是粉末轧制成形 ?它有何特点 ? 粉末轧制成形是指将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中压轧出具有一定厚度和连续长度且有适当强度的板带坯料的成形过程。

优点：① 制品长度原则上不受限制；② 制品密度比较均匀；③ 粉末轧机所需电机功率比压力机小。

缺点：① 带材厚度受轧辊直径限制，≤ 10mm ；② 宽度受到轧辊宽度限制；③ 只能轧制截面形状较简单的板、带材，或者薄壁衬套。

8.什么是咬入角 ?其意义是什么 ?如何确定咬入角 ?
咬入角(α): 开始压缩的点 c 与轧辊中心点的连线co 与两轧辊中心线所成的夹角α称为咬入角.
其含义是: 在咬入角以下区域内的粉末可以被轧辊自动“咬入” 、而带入辊缝内进行压缩.
9.什么是粉末挤压成形 ?其特点是什么 ? 粉末体或者粉末压坯在压力的作用下, 通过规定的压模嘴挤成坯块或制品的一种成形方法. 分冷挤压和热挤压
粉末挤压法特点：① 能挤压壁很薄、直径很小的管（如壁厚
0.01mm, 直径1mm）; ② 能挤得压形状复杂、物理机械性能优良的致密材料（如高温合金）; ③ 制品纵向密度均匀; 在合理控制挤压比时, 横向密度也均匀;④ 制品长度几乎不受挤压设备限制, 生产高度连续性;⑤ 挤压形状复杂的异形制品有较大灵活性;⑥ 挤压返料可以继续使用.
10.粉末挤压的必要条件是什么 ?
物料被挤压出的必要条件是:挤压压力大于筒模壁和挤嘴模壁对混合料产生的摩擦阻力.
11.简述挤压过程中物料运动特点 .
摩擦力的方向始终与挤压料运动的方向相反，结果挤压时混合料在筒内的流动形成三个区域：
V3 区—物料受到一个拉力, 向模嘴流出;
V2 区—物料受摩擦力作用向上回流, 在挤压力应力作用下, 又流入V3 区;
V 1 区—物料在挤压初期不产生流动, 挤压后期, 冲头靠近模嘴时流入V3 区.
14. 泥团成形能力一般用哪个指标来表示 ?
可塑性
15. 影响粉浆浇注的因素有哪些 ?其中最主要的是哪两个 ? 有：粉浆的流动性、稳定性，粉末原料的粒度、粉末量与母液的比值（液固比）、粉浆的PH值、分散剂和粘结剂、粉末吸附气体量等。

最重要的是粉浆的流动性和稳定性.
18.简述料浆流变学特点 .
19.什么是粉末注射成形 ?它有啥特点 ?其基本工艺过程包括
哪些工序? 粉末注射成形指将粉末与热塑性材料均匀的混合使成为
具有良好流动性能（在一定温度条件下）的流态物质，然后再把这种流态物质在注射成形机上经一定的温度和压力，注入模具内成形的工艺。

工艺过程包括：混炼→制粒→注射成形→脱脂→烧结→产品优点：① 成形速度快、自动化程度高, 且工艺过程可精确控制;② 可成形尺寸精确、形状复杂、表面光洁度高的金属或陶瓷零件;③ 注射中,均匀混合的熔融物料受准静力作用, 所成形的坯体密度较均匀.
缺点：① 一次性投资和工艺成本高, 仅适合于大批量生产。

②烧结前需脱出大量粘结剂, 故坯体截面尺寸受到限制。

20.简述混合料中对固体粉末含量的一般要求 .
1）粘结剂过多：① 坯体烧结中收缩过大;② 成形中过量粘结剂可能与粉末分离, 引起坯体不均匀和尺寸控制难; ③ 脱脂时, 造成坯体坍塌.
2）粉末含量过多：① 粘度太高, 难于成形. 当粘结剂↓到一临界值, 则粘度→ ∞;② 粘界剂< 临界值, 混合料中还会有空隙. 脱
脂中因内部蒸汽压高, 封闭孔隙的存在会引起开裂.
21.什么是临界固体粉末含量 ?它有啥重要意义 ?
临界固体粉末含量: 混合料实际密度偏离理论计算密度时对应的粉末含量. 意义：粉末含量超过此值后, 料中会出现空隙. 实际料中最佳固体粉末含量<临界固体粉末含量. 一般低2%～5% .
22.脱脂方法分哪几类 ?分别有啥特点 ?
两类：加热法和溶剂法
加热法：扩散（低压）、渗透（高压）、虹吸（毛细流动）溶剂法：萃取（浸出）、高压（超临界）、热辅助（加热、溶剂）
23.简述脱脂时间的一般规律 .
① 时间与厚度平方成正比; ② 孔隙度影响脱脂过程, 堆积密度太高, 脱脂困难;③ 扩散或渗透控制脱脂时, 外压低或真空有利于缩短脱脂时间;④ 细粉不利于粘结剂脱出;⑤ 温度高过程速度加快, 但温度太高, 内部蒸发将产生内应力导致开裂; 另外, 成形坯也将随着粘结剂软化而畸变.⑥ 缓慢而逐步加热较为有利!
教材习题: 4.1, 4.4， 4.5, 4.6, 4.7, 4.8， 4.9, 4.10
（五）粉末锻造
1．摩擦力对粉末锻造过程有何影响 ?
金属流动时, 在接触面产生, 沿切线、与流动方向相反, 阻碍金属流动. ①其与反作用力的合力不再垂直于模壁; ② 使预成形坯变形抗力增高；③ 显著影响预成形坯变形和致密过程; ④ 改变金属流动方向, 使受力图中 A 部位产生拉应力; ⑤ 从而, 出现低密度区, 造成锻件密度分布和变形不均匀; ⑥ 严重时, 引起开裂.
2．简述预成形坯的三种基本变形方式、及特点 .
三种基本方式 : 单轴压缩、平面应变压缩、复压
（1）单轴压缩：无摩擦平板模镦粗的变形方式. 闭模锻第一阶段, 坯与模壁接触前发生的无摩擦镦粗变形也属单轴压缩. 无侧向约束的压缩应变.
（2）平面应变压缩：平板模镦粗长条形坯时, 坯的中心截面上产生平面应变压缩. 闭式模锻第二阶段, 当坯开始同模壁接触时, 在坯的横向流动部分受阻情况下发生的变形, 属平面应变压缩. 在一个侧向上（两个侧面）有约束的压缩变形.
（3）复压：热复压过程中的一种变形. 在闭式模锻变形最后阶段, 当坯填满模腔后所发生的变形, 也属于复压. 全约束的压缩变形. 3．质量不变条件指的是什么 ?
致密体塑性变形遵循体积不变条件, 多孔预成形坯遵循质量不变条件.即：
0V0 V
5．简述减小鼓形表面开裂的措施
① 改善润滑、减小摩擦, 减弱鼓形区形成趋势. ② 合理设计坯, 控制变形方式、以增加裂纹产生前的应变量.③ 高温烧结, 提高预成形坯可锻性. ④ 采用无横向流动、无断裂危险的热复压. （但又不利于提高机械性能）⑤ 利用粉末合金的微细晶粒超塑性和相变超塑性进行锻造. ⑥ 大变形量锻造, 使初期出现的裂纹重新锻合起来（热锻） .
（六）烧结
思考题 :
1．什么是烧结 ?如何分类 ? 一定气氛下, 粉末或压坯, 在低于主要组分熔点温度下的加热处理过程. 分类：1）按有无液相分和烧结系统的组成分：单元系烧结、多元系固相烧结和多元系液相烧结。

2．烧结驱动力是什么 ?它包括哪些方面 ?其中主要因素是哪个 ? 烧结驱动力是烧结系统自由能的降低，包括：P268 3．烧结时颗粒接触的本征 Laplace 应力的表达式 ?其物理意义是什
么 ? 本征Laplace 应力的表达式:
负号表示作用于曲颈面上的应力指向烧结颈外;其作用是将烧结颈向外拉,从而使烧结颈向外扩大;随着颈长大,曲率半径增大,导致烧结动力σ逐渐减小. σ的数量级从最小约零点几MPa 到最大约为十～数十MPa .
4．烧结过程的晶界扩散有何重要意义 ?
晶界可作为空位“阱” ,晶界对烧结的重要性有两方面:
① 烧结时, 颗粒接触面上易形成稳定晶界, 特别是细粉末烧结后形成许多网状晶界与孔隙互相交错,使颈边缘和细孔隙表面的过剩空位容易经邻接的晶界进行扩散或被它吸收;
② 晶界扩散激活能只有体积扩散的一半,而扩散系数大1000 倍,且,随着温度降低, 这种差别增大.
7．烧结中孔隙消除的机制有哪些 ?
孔隙的消除
① 空位通过扩散在晶界上聚集, 形成“空位团”或“空位片” ,当其长到一定尺寸后,会“塌陷”、被原子层充满，从而消除气孔; 或空位通过晶界迁移到表面消除. 可认为晶界的存在是隔离闭孔收缩的先决条件!
② 另一观点: 空位在晶界移动十分缓慢, 在晶界的“空位团”会钉扎晶界; 故, 只有发生再结晶, 借助于塑性流动才能消除孔隙. 9．简述互溶系粉末烧结一般规律 . 不同组分颗粒间互扩散和合金均匀化过程,取决于合金热力学、扩散和反应动力学. 整个合金化过程将取决于反应生成相的性质、生成次序（往往同时受热力学和
动力学条件制约 ）、分布 ;也取决于组元通过已生成相或其他相的扩散 ,即层间的物 质迁移 ;还取决于层间的界面反应动力学 （反应生成物厚度较大时 ,界面反应控制 的固相反应过程总是转变为扩散控制 ）.
10．试论述互不溶系烧结的热力学原理 .
① 若 AB A B ,则 A-A 、 B-B 间可烧结 ,而 A-B 间不能烧结 ; ② 满足 （6.5.7）前提下 , 若 AB A B . 则两组元颗粒间形成烧结颈同时 ,它们可互相靠拢至某一临界值 ; 且颗粒接触表面在一般情况下不是一个平面 ,而是稍微向表面能低的组元方向凸 出.
11．什么是液相烧结 ?有哪些液相烧结技术 ?各有什么应用 ? 烧结温度下 ,低熔点组元熔化或形成低熔共晶、产生可流动液相的烧结 . 在近现代 , 液相烧结的应用领域迅速扩大 , 涉及电触头、工具钢、超合金、硬质 合金、高密度合金、金刚石 -金属复合材料、绝缘材料、难熔材料、磁性材料、 汽车结构零件和高强度陶瓷等 .
12．液相烧结的优点和缺点各有哪些 ?
优点 :① 由液相引起的物质迁移要比固相扩散快 ;② 液相产生的毛细力促使液相 流动和颗粒发生适位的位移 （重排 ）,提高烧结速度 ;③ 最终,液相将填满烧结体内 的孔隙 ,可以获得密度高、性能好的产品 . 局限性：① 尺寸控制较固相烧结难 .因为液相烧结的材料尺寸变化大 ,有的线收缩 可 >20%; 有些材料烧结过程会发生膨胀 .② 可能出现变形、开裂和坍塌 . 液相烧结过程中压坯强度较低 ,同时 ,压坯的密度不均匀 ,在液相烧结过程中会造 成收缩不均匀 ,可能引起较大的变形、 甚至造成开裂 .当液相量过多时 ,则可能出现 坍塌 .通常 ,大的压坯容易发生开裂 , 压坯的悬臂部分容易发生坍塌 .一般要求严格 控制加热速度 （保证刚度和均匀收缩 ）.
13．液相烧结的三个基本条件是什么 ?
良好的润湿性 ;固相在液相中有一定溶解度 ;适当的液相数量 .
互不溶系粉末烧结取决于系统的热力学状态 ,与表面能的减小有关 .必须满足， AB AB
14．简述固 -液相互溶度对致密化过程的影响 .
15．液相烧结可以分为哪三个阶段 ?各阶段基本特点是什么 ? （1）液相流动与颗粒重排阶段:颗粒在液相内近似呈悬浮状态,受液相表面张力推动,颗粒可发生位移、相对滑动.烧结体密度迅速增大.
（2）固相溶解-再析出阶段:该过程一般特征是显微组织粗化,固相在液相中的溶解度随温度和颗粒形状、大小而变化. 小颗粒、颗粒表面凸起、棱角因具有较高饱和溶解度,将优先溶解,使小颗粒趋向减小、颗粒表面趋向平整光滑;同时,液相中一部分过饱和原子在大颗粒表面沉析, 使大颗粒趋于长大.结果: 颗粒外形逐渐趋于球形、小颗粒逐渐缩小或消失,大颗粒更加长大, 从而使颗粒更加靠拢,烧结体发生收缩.这阶段致密化速度已显著减慢、气孔已基本消除. 颗粒间距更加缩小,液相流进孔隙更加困难.
3）固相烧结阶段经前两阶段,颗粒间互相靠拢、接触、粘结并形成连续骨架,剩余液相充填于骨架间隙.刚性骨架阻碍颗粒更进一步重新排列,使该阶段致密化速率明显减慢.液相不完全润湿固相或液相数量较少时,该阶段将表现得更为突出.固相骨架形成后的烧结过程与固相烧结相似.扩散作用会导致固体颗粒间接触长大,故,大多数液相烧结材料性能将随该阶段时间延长而降低!
16．什么是熔浸 ?实现熔浸的基本条件是什么 ?
一般是将粉末坯块与液体金属接触或浸在液体金属中,液体金属在毛细管力作用
下,填充到坯块孔隙内,冷却后就得到致密材料或零件.
① 骨架与熔浸金属熔点差大,以避免变形;② 熔浸金属充分润湿骨架; ③ 熔浸金属与骨架间不互溶（或溶解度小）、不反应;④ 熔浸金属量应以填满孔隙为限度. 21．强化烧结的核心问题是什
么 ?可通过哪些途径来强化扩散过程 ? 烧结温度降低、加快烧结速度、或是能强化烧结体性能（包括合金化或抑制晶粒生长）
① 提高烧结温度, 进行高温烧结或反应烧结;② 使用高的温度梯度; ③ 添加烧结活化剂或烧结助剂;④ 上述各种途径综合运用;⑤ 其他措施（如,粉末颗粒预氧化、铁基材料两相区循环烧结等）22．强化烧结过程中 ,烧结助剂有哪些作用 ?
① 形成液相,促进物质迁移和颗粒重排;② 改变基体点缺陷浓度
（固溶、掺杂）;
③给基体相原子提供高扩散率通道; ④ 某些陶瓷的烧结助剂可抑制
晶粒生长;
⑤ 化学掺杂剂还可能改善陶瓷的韧性. 23．简述金属烧结活化剂选择的三个基本判据 . 溶解度判据、偏析判据和扩散判据. 25．氧化物固相活化烧结的本质是什么 ?
是通过适当途径增加氧缺陷浓度 , 加快氧化物体扩散速率 !
27．什么是热压 ?它有何优缺点 ?
热压又称加压烧结 ,是把粉末装在模腔内 ,在加压的同时使粉末加热到正常烧结温 度或更低一些 ,经过较短时间烧结成致密而均匀的制品 . 1）优点：① 热压时 ,粉末热塑性好 ,可大幅降低成形压力、缩短烧结时间 .可用于 大型制件、薄壁件和带螺纹异形件 .② 可制得密度极高和晶粒极细的材料 ,制品性 能优异 .③ 粉末粒度、硬度对热压过程影响不明显 ,可压制一些硬而脆的粉末 .
2）缺点：① 对压模材料要求高 , 压模寿命短 ;② 单件生产、效率低 ;③ 制品成 本高 ;④ 制品表面相对粗糙、精度低 ,一般还需要补充机加工 .
29．什么是终极密度 ?温度和压力对其有何影响 ? 当烧结体达到终极密度 E
后, d /dt 0 ① 当温度一定时 , c 一定, 增大外压力 , E 增大 ;
② 外压一定时 ,升高温度 , c 减小, E
也增大 . 教材习题 : 5.1, 5.3, 5.4, 5.6、5.7 , 5.9, 5.10、
5.11 , 5.12、5.13, 5.14、5.16、 5.16, 5.18, 5.19
根据 ln 1 1E 2 P 2 r 1 c 2 c。