粉末冶金材料与相应致密材料的异同

1.论述粉末冶金材料与相应致密材料有什么不同？

粉末冶金材料是指通过粉末冶金的方法得到的材料。粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术[1]。粉末冶金技术具有显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点,适合于大批量生产。此外,部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和难以加工的零件也可用粉末冶金技术来制备，故而备受工业界的重视[2]。

粉末冶金最多可以达到99%左右的理论密度。关于烧结材料与致密材料的区别，可以分为韧性材料和脆性材料来说[3]。一般而言韧性材料粉末冶金后的性能很难达到致密材料，因为那不到1%的孔隙率足够恶化性能了。但是如果是脆性材料，可以通过粉末冶金大大细化晶粒，使得材料获得晶界强化，韧性反而提高。

在粉末冶金材料中，存在大量的晶间裂纹,由于材料细观结构的复杂性、微裂纹相互作用的影响及损伤材料的各向异性性质，使得类似的脆性或拟脆性材料的宏、细观损伤研究变得十分困难[4]。粉末冶金材料往往要经历一定的热循环载荷.而在室温下表现为脆性断裂的粉末冶金材料在高温时塑性明显增加，可能在某一段温度下会形成脆性断裂向韧性断裂转变,而随着温度的降低材料的破坏模式又会由韧性断裂转变为脆性断裂，同时不同应力约束状态下材料本身也存在韧脆转变，而材料的损伤是一个逐渐积累的过程，必须对其韧脆损伤进行统一描述[5]。

有些粉末冶金复合材料无论是在冲击压缩还是冲击扭转下其变形强化行为都具有颗粒尺寸效应，即增强颗粒越小，强化效果越好。在冲击扭转形成的简单热剪切变形局部化同样具有增强颗粒尺寸依赖效应，具体表现为：增强颗粒越小，材料越易出现绝热剪切变形局部化[6]。增强颗粒尺寸越小，在复合材料基体中诱导的应变梯度越高。例如碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

粉末在烧结过程中要发生体积收缩、密度提高和气孔率减少等现象。在整个烧结过程中，在不同温度下铁氧体坯件的变化规律是不同的。总的来说可以这样描述：在烧结开始，随着烧结时温度的升高，坯件内的水分、粘合剂和某些杂质因升温而被排除，颗粒开始有点接触，但孔隙还很多而且分散并相互贯通，坯件的体积收缩、致密度以及强度都不会出现明显的变化[7]。随着温度的继续升高，

坯件中颗粒与颗粒之间由点接触逐渐变成为面接触，接触面积迅速扩大而形成界面:接着颗粒的界面逐渐合并，原来互相贯通的孔隙逐渐被封闭并相对集中而成为孤立的孔隙，其体积逐渐缩小；最后大部分从坯件中被排除。在此阶段，只要烧结温度稍有增加，坯件收缩、致密度与强度就会发生很大的变化。随着温度的进一步升高，坯件的收缩、致密度与强度的变重新变缓，那些未被排除的封闭气孔有所缩小，坯件密度有所增加，致密化趋于完善。

通常，粉末烧结过程可分为初期、中期和末期三个阶段。在烧结的初期，坯件内颗粒接触并在接触表面形成颈部长大，而在总体上还未出现晶粒生长。在烧结的中期，开始坯件内的气孔仍然是处于连通状态，气孔的形状是各种各样的。随着烧结的进行，坯件体积显著收缩，密度增大。当烧结坯件密度达到理论值的百分之六十左右时，晶粒开始生长。此时坯件内仍有许多细气孔，相对密度增大在较大的范围内随着烧结时间的增加而减缓。随着晶粒尺寸的增大，坯件致密化速率有所下降。当坯件密度大约为理论密度的百分之九十五时，气孔全部变成封闭气孔。在烧结的末期，有可能发生不连续的晶体生长，当有异常晶粒生长时，大量的气孔将被卷人晶粒内部，并且气孔与晶粒边界隔绝，因而坯件不能有更多的收缩。如果能够避免不连续的晶体生长，则由于气孔可以在晶界上被排除，最后的百分之几气孔率可以得到降低，从而可以得到高密度[8]。

参考文献

[1]黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社,1997:10

[2]王利清.2004年稀土在国防军工领域中应用的新进展[J].稀土信息, 2005,1:2

[3]松山芳冶等著，周安生等译:《粉末冶金学，科学出版社，1978

[4]曾德麟.粉末冶金材料[M].北京:冶金工业出版社,1997:38

[5]王尔德,胡连喜.机械合金化纳米晶材料研究进展[J].粉末冶金术,2002,20(3):135~139

[6]Singer A R E. The principles of spray rolling of metals [J].MetMater,1970,4: 246~250

[7]马金龙,童学锋,彭虎.烧结技术的革命.微波烧结技术的发展及现状[J].新材料产业,

2001,96(6):30~32

[8]魏先斗.陶瓷材料的结构功能及其发展前景[J].机械工程师, 2006,(4):122

二．如何通过热力学和动力学来解释固相烧结？

烧结（Sintering）指粉末或粉末压坯在适当温度、气氛下受热，借助于原子迁移实现颗粒间联结的过程。粉末或粉末压坯在一定的气氛中，在低于其主要成分熔点的温度下加热而获得具有一定组织和性能的材料或制品的过程。烧结的目的依靠热激活作用，使原子发生迁移，粉末颗粒形成冶金结合。烧结温度低于所有组分的熔点的烧结称为固相烧结。固相烧结又分为单元系固相烧结和多元系固相烧结。单元系固相烧结是指单相（纯金属、化合物、固溶体）粉末的烧结，烧结过程无化学反应、无新相形成、无物质聚集状态的改变。多元系固相烧结是指两种或两种以上组元粉末的烧结过程，包括反应烧结等[1]。

粉末状的物料在高温作用下为什么能够转变成为密实的烧结体呢?只要把处于粉末状态的物料与块状物质作比较就能清楚。粉末状的物料是分散的，具有大的比表面积，因而粉末状的物料具有很高的表面能。同时，粉末物料表面的正负离子作用力比其内部大，从而引起变形和间距变化，也引起热力学稳定性下降。所以加热时离子更具有可动性。另外，由于粉料表面和内部有着各种晶格缺陷，再就是由于粉碎等工艺使粉末物料存在有加工应变，这一些也都使粉末物料晶格活化、离子更具有可动性[2]。基于以上原因，使得粉末物料具有很高的能量。众所周知，任何系统都有向着最低能量状态发展的趋势，因此，系统表面能的降低是粉末烧结的驱动力。

在烧结过程中，必须有物质的传递，才能从疏松的坯件变成致密的烧结体。物质传递的机理，有着三种不同的观点:粘性流动与塑性流动机理;气相传递—蒸发与冷凝机理，扩散机理。提出这些机理的人，都相应地进行了实验验证[4]。实际上，在烧结过程中，物质传递的机理是很复杂的。还没有一种机理能够说明一切烧结现象。多数认为，在烧结过程中，不是单独一个机理在起作用。但是在一定的条件下，某种机理是占:主要地位的。对于晶态固体的烧结，实验表明扩散是主要的机理[5]。

当烧结按照扩散机理来进行时，物质的传递就与固体中的点缺陷浓度，特别是空位浓度有关。空位浓度越大，扩散速度也就越大。根据菲克定律，只有在一个空位浓度梯度下，才能造成定向的空位扩散。假如考虑半径为:的二个接触的圆球，则空位的浓度在球体的各个部分是不一样的;而且空位会从空位浓度高的