多元系固相烧结
粉末冶金原理考试试题
名词解释机械研磨时，使球磨筒内小球沿筒壁运动能够正好经过顶点位置而不发生抛落时，筒体的转动速度单位质量或单位体积粉末具有的表面积（一克质量或一定体积的粉末所具有的表面积与其质量或体积的比值称为比表面积）由多个一次颗粒在没有冶金键合而结合成粉末颗粒称为二次颗粒每种金属氧化物都有离解的趋势，而且随温度提高，氧离解的趋势越大，离解后的氧形成氧分压越大，离解压即是此氧分压。
这是表述电解过程输入电量与粉末产出的定量关系，表达为每 96500库仑应该有一克当量的物质经电解析出细小金属氧化物粉末颗粒由于较大的蒸气压，在高温经挥发进入气相，被还原后沉降在大颗粒上，导致颗粒长大的过程颗粒质量用除去开孔和闭孔的颗粒体积除得的商值。
真密度实际上就是粉末的固体密度g/cm3 将粉末颗粒面积因子与体积因子之比称为比形状因子d=ρ/ρ理）的倒数称为相对体积，用β＝1/d表示粉末样品总质量（总颗粒数量、总粉末体积）的百分数对粒径作图，即为粒度分布；（一定体积或一定重量（一定数量）粉末中各种粒径粉末体积（重量、数量）占粉末总量的百分数的表达称为粒度分布）变形困难的现象称为加工硬化(其它物质流)击碎制造粉末的方法由雾化介质流体与金属液流构成的雾化体系称为二流雾化将金属或合金的熔液快速冷却（冷却速度>105℃/s），保持高温相、获得性能奇异性能的粉末和合金（如非晶、准晶、微晶）的技术，是传统雾化技术的重要发展两种或两种以上金属元素因不是根据相图规律、不经形成固溶体或化合物而构成的合金体系，假合金实际是混合物为防止粉末或压坯在高温处理过程发生氧化而向体系加入还原性气体或真空条件称为保护气氛克粉末流经标准漏斗所需要的时间称为粉末流动性。
2 ）制备的金属网筛密度的区域具有相同化学成分，不同批次生产过程得到的粉末的混合工序称为合批雾化制粉时，用来冲击破碎金属流柱的高压液体或高压气体称为雾化介质发生物理或化学反应时，形成中间络合物所需要的能量称为活化能在某一温度、某一压力下，反应达到平衡时，生成物气体分压与反应物气体分压之比称为平衡常数细小金属氧化物粉末颗粒由于较大的蒸气压，在高温经挥发进入气相，被还原后沉降在大颗粒上，导致颗粒长大的过程物质通过固溶性质，固相物质经由固溶进入液相，形成饱和固溶体后继而析出，进行物质迁移的过程在标准大气压下，气氛中水蒸汽开始凝结的温度，是其中水蒸汽与氢分压比的量度烧结是指粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下借助于原子迁移实现颗粒间联结的过程。
粉末冶金技术思考题答案
粉末冶金技术思考题绪论1、试述粉末冶金的基本工序。
答：制粉: 加工、退火、分级、混合、干燥成形：制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度烧结：得到所要求的物理机械性能后处理：如精整、浸油、机加工、热处理2、近代粉末冶金技术发展的三个重要标志是哪三个？答：第一是克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。
钨丝。
硬质合金第二是本世纪30年代用粉末冶金方法制取多孔含油轴承取得成功。
生产铁基机械零件，发挥了粉末冶金无切屑、少切屑工艺的特点。
第三是向更高级的新材料新工艺发展。
3、那些是粉末冶金常用的材料？(1)铁粉。
(2)低合金钢粉。
(3)不锈钢粉。
(4)工具钢粉。
(5)铜粉。
(6)铜合金粉。
(7)银粉。
(8)镍粉。
(9)镍合金粉。
(10)钴粉。
(11)锌粉。
(12)铝和铝合金粉。
(13)锰合金粉。
(14)钨粉。
(15)钼粉。
(16)钽粉。
(17)钛、锆及其他合金粉。
(18)碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）和碳化钽（TaC）粉。
(19)铍粉。
(20)其他特殊雾化球形粉末（如用于太空梭、核燃料及过滤器等）。
3、述粉末冶金的优缺点。
答：优点：（1）可以根据零件的使用要求材质性重新设计材料成分和配方，获得独特组强结构和优异性能。
如：易实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，低成本生产高性能产品；能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料；活性金属、高熔点金属等采用其它工艺困以制造（2）可加直接制成多孔、半致密或全致密的材料和复杂难加工的精密零件，是一种少无切削工艺。
可提高生产率，节约原材料，节约能源缺点：（1）模具制作较困难，经济效果在大规模时才能表现出来，适用于大批量生产精密零件（2）粉末成本较高，制品的大小和形状受到一定的限制（3）烧结件韧性较差总之，粉末冶金方法是一种既能生产具有特殊性能材料的技术，又是一种大批量制造廉价优质精密零件的工艺。
开辟了研制新材料和零件的新途径。
2024年粉末冶金工艺的基本工序(2篇)
2024年粉末冶金工艺的基本工序1、原料粉末的制备。
现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。
而机械法可分为：机械粉碎及雾化法;物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。
其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。
2、粉末成型为所需形状的坯块。
成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。
成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。
加压成型中应用最多的是模压成型。
3、坯块的烧结。
烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。
成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。
烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。
对于单元系和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低;对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。
除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。
4、产品的后序处理。
烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。
如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。
此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。
2024年粉末冶金工艺的基本工序（2）2024年的粉末冶金工艺基本工序包括精细化粉末的制备、粉末成型、烧结和后处理等四个环节。
下面将详细介绍这些工序的主要内容。
一、精细化粉末的制备精细化粉末的制备是粉末冶金工艺的第一步，关乎着制备出高质量的粉末。
2024年，精细化粉末的制备将会注重以下几个方面的发展：1.1 原料的选择与准备：2024年，随着科学技术的进步，矿石和废料等资源的利用效率将取得显著提高。
在制备粉末时，将更加注重对原料的选择与准备，使得原料的化学成分更加纯净，杂质含量更低。
1.2 粉末的粒度控制：粉末的粒度对材料的性能影响巨大。
粒度过大会影响材料的强度和塑性，而粒度过小则会降低流动性。
因此，粉末的粒度控制将成为2024年粉末冶金工艺中的重要研究方向。
粉末冶金烧结工艺
粉末冶金中的烧结烧结是粉末冶金过程中最重要的工序。
在烧结过程中，由于温度的变化粉末坯块颗粒之间发生粘结等物理化学变化，从而增加了烧结制品的电阻率、强度、硬度和密度，减小了孔隙度并使晶粒结构致密化。
一.定义将粉末或粉末压坯经过加热而得到强化和致密化制品的方法和技术。
二.烧结分类根据致密化机理或烧结工艺条件的不同，烧结可分为液相烧结、固相烧结、活化烧结、反应烧结、瞬时液相烧结、超固相烧结、松装烧结、电阻烧结、电火花烧结、微波烧结和熔浸等。
1.固相烧结：按其组元的多少可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。
单元系固相烧结纯金属、固定成分的化合物或均匀固溶体的松装粉末或压坯在熔点以下温度(一般为绝对熔点温度的2/3一4/5)进行的粉末烧结。
单元系固相烧结过程大致分3个阶段:(1)低温阶段(T烧毛0.25T熔)。
主要发生金属的回复、吸附气体和水分的挥发、压坯内成形剂的分解和排除。
由于回复时消除了压制时的弹性应力，粉末颗粒间接触面积反而相对减少，加上挥发物的排除，烧结体收缩不明显，甚至略有膨胀。
此阶段内烧结体密度基本保持不变。
(2)中温阶段(T烧(0.4~。
.55T动。
开始发生再结晶、粉末颗粒表面氧化物被完全还原，颗粒接触界面形成烧结颈，烧结体强度明显提高，而密度增加较慢。
(3)高温阶段(T烧二0.5一。
.85T熔)。
这是单元系固相烧结的主要阶段。
扩散和流动充分进行并接近完成，烧结体内的大量闭孔逐渐缩小，孔隙数量减少，烧结体密度明显增加。
保温一定时间后，所有性能均达到稳定不变。
（2）多元固相烧结：组成多元系固相烧结两种组元以上的粉末体系在其中低熔组元的熔点以下温度进行的粉末烧结。
多元系固相烧结除发生单元系固相烧结所发生的现象外，还由于组元之间的相互影响和作用，发生一些其他现象。
对于组元不相互固溶的多元系，其烧结行为主要由混合粉末中含量较多的粉末所决定。
如铜一石墨混合粉末的烧结主要是铜粉之间的烧结，石墨粉阻碍铜粉间的接触而影响收缩，对烧结体的强度、韧性等都有一定影响。
粉末冶金原理-黄培云烧结这章思考题及答案详解
烧结这章思考题1.烧结理论研究的两个基本问题是什么？为什么说粉体表面自由能降低是烧结 体系自由能降低的主要来源或部分？答：研究的两个基本问题：①烧结为什么会发生？也就是烧结驱动力或热力学的 问题。
②烧结是怎样进行的？烧结的机构和动力学问题。
原因：首先体系自由能的降低包含表面自由能的降低和晶格畸变能的降低。
因为理论上，烧结后的低能位状态至多是对应单晶体的平衡缺陷浓 度，而实际上烧结体总是具有更多热平衡缺陷的多晶体，因此烧结过 程中晶格畸变能减少的绝对值，相对于表面能的降低仍然是次要的。
2.粉末等温烧结的三个阶段是怎样划分的？实际烧结过程还包括哪些现象？ 答：①粘结阶段：颗粒间接触再通过成核，结晶长大等形成烧结颈。
特点：颗粒内晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，烧结体 不收缩，密度增加极微，强度和导电性有明显增加（因 颗粒结合面增大）②烧结颈长大阶段：烧结颈长大，颗粒间形成连续空隙网络。
晶粒长大使晶 界扫过的地方空隙大量消失。
特点：烧结体收缩，密度和强度增加。
③闭孔隙球化和缩小阶段：闭孔量大增，孔隙球化并缩小。
特点：烧结体缓慢收缩（但主要靠小孔消失和孔隙数量的减少 来实现），持续时间可以很长，仍会残留少量隔离小孔 隙。
还有可能出现的现象：①粉末表面气体或水分的蒸发。
②氧化物的还原的离解。
③颗粒内应力的消除。
④金属的回复和再结晶以及聚晶长大等。
3.用机械力表示烧结驱动力的表达式是怎样？式中的负号代表什么含义？简述 空位扩散驱动力公式推导的基本思路和原理。
答：①机械力表示的烧结驱动力表达式：γσρ=-。
（参考书上模型） σ ：作用在烧结颈上的应力。
γ：表面张力。
ρ：曲率半径。
式中负号表示作用在曲颈面上的应力σ是张力，方向朝颈外。
②空位扩散驱动力公式推导思路：2o v v c c kT γρρ∆Ω=∙热力学本质：在烧结颈上产生的张应力减小了烧结球内空位生成能。
（意味空位在张力作用下更容易生成。
）具体推导公式见书。
粉末的烧结
烧结过程的原动力的来源
(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少； (2)烧结体内孔隙的总体积和总表面积 减小； (3)粉末颗粒内晶格畸变的消除。
烧结原动力的计算
由表面张力引起的烧结驱动力
负号表示作用在曲颈 面上的应力是张力， 方向朝向外，其效果 是使烧结颈长大。 随着烧结颈的扩大， 负曲率半径的绝对值 增大，说明烧结的动 力减小。
由孔隙引起的烧结驱动力
表面张力垂直地作用于烧 结颈曲面上，使颈向外扩 大，最终形成孔隙网。
这时孔隙中的气体会阻止 孔隙收缩和烧结颈进一步 长大。
当烧结颈增大，张应 力减小到与Pv平衡时， 烧结的收缩过程停止。
孔隙中气体的压力Pv与表 面应力之差是孔隙网生成 后对烧结起推动作用的有 效力源自由空位浓度梯度引起的烧结驱动力
过剩空位浓度梯度将引起烧结 颈下微小区域内的空位向球体 内扩散。从而造成原子朝相反 方向迁移，使烧结颈长大。
由蒸发凝聚引起的烧结驱动力
根据Gibbs Kelvin 方程
•烧结颈表面(凹面)的蒸气压应低于 平面的饱和蒸气差. •颗粒表面(凸面)与烧纳颈表面之间 存在蒸气压差. •烧结体系内，各处的蒸气压力差就
体积扩散基本观点:
晶体存在着超过该温度下平衡浓度的过 剩空位，空位浓度梯度就是导致空位或 原子定向移动的动力。 在颗粒接触面上空位浓度高，原子与空 位交换位臵，不断的向接触面迁移，使 烧结颈长大；而且烧结后期，在闭孔周 围的物质内，表面应力使空位的浓度增 高，不断向烧结体外扩散，引起孔隙收 缩。
烧结时空位扩散的途径
库钦斯基根据两球模型，推导表面扩散的速度方程
烧结颈表面的过剩空位浓 度的梯度
粉末冶金原理复习总结
临界转速：机械研磨时，使球磨筒内小球沿筒壁运动能够正好经过顶点位置而不发生抛落时，筒体的转动速度。
离解压：每种金属氧化物都有离解的趋势，而且随温度提高，氧离解的趋势越大，离解后的氧形成氧分压越大，离解压即是此氧分压。
电化当量：这是表述电解过程输入电量与粉末产出的定量关系，表达为每96500库仑应该有一克当量的物质经电解析出。
气相迁移：细小金属氧化物粉末颗粒由于较大的蒸气压，在高温经挥发进入气相，被还原后沉降在大颗粒上，导致颗粒长大的过程。
相对密度：粉末或压坯密度与对应材料理论密度的比值百分数。
压坯密度：压坯质量与压坯体积的比值。
相对体积：粉末体的相对密度（d=ρ/ρ理）的倒数称为相对体积，用β＝1/d表示。
粉末加工硬化：金属粉末在研磨过程中由于晶格畸变和位错密度增加，导致粉末硬度增加，变形困难的现象称为加工硬化。
快速冷凝：将金属或合金的熔液快速冷却（冷却速度>105℃/s），保持高温相、获得性能奇异性能的粉末和合金（如非晶、准晶、微晶）的技术，是传统雾化技术的重要发展。
假合金：两种或两种以上金属元素因不是根据相图规律、不经形成固溶体或化合物而构成的合金体系，假合金实际是混合物。
保护气氛：为防止粉末或压坯在高温处理过程发生氧化而向体系加入还原性气体或真空条件称为保护气氛。
粉末粒度：一定质量（一定体积）或一定数量的粉末的平均颗粒尺寸成为粉末粒度。
粉末流动性：50克粉末流经标准漏斗所需要的时间称为粉末流性。
孔隙度：粉体或压坯中孔隙体积与粉体表观体积或压坯体积之比。
标准筛：用筛分析法测量粉末粒度时采用的一套按一定模数（根号2）制备的金属网筛。
单轴压制：在模压时，包括单向压制和双向压制，压力存在压制各向异性。
密度等高线：粉末压坯中具有相同密度的空间连线称为等高线，等高线将压坯分成具有不同密度的区域。
雾化介质：雾化制粉时，用来冲击破碎金属流柱的高压液体或高压气体称为雾化介质。
活化能：发生物理或化学反应时，形成中间络合物所需要的能量称为活化能。
粉末冶金重点整理
10. 制备超细合金加V、Cr为什么阻碍碳化物长大？？？ 原因：1、降低共晶温度 2、在ＷＣ和Ｃｒ界面析出阻碍长大（形核，长大） 具体：超细 WC&Co 合金晶粒长大的驱动力是来自于表面积的减少。它是由于具有较高 溶解度的细碳化物溶解于富钴相中而发生,继而再析出在较大碳化物上,从而引起 WC 晶粒 长大。在超细 WC&Co 合金中添加一定量的抑制剂就可以抑制这种 WC 晶粒的长大。 晶粒长大主要发生在 WC 的溶解沉淀过程中,WC 溶解在液相里并沉淀在较大的 WC 晶粒 上。WC 晶粒疯长现象也符合溶解沉淀机理。抑制剂改变了 WC&Co 的界面自由能,从而抑 制了溶解－沉淀过程，降低了溶解－沉淀速度。速度降低的原因是 WC&Co 不同界面间的 各向异性减少。抑制剂的渗透过程主要通过在粘结相里和在 WC&Co 界面上的扩散。有效
粉末冶金原理第七章
7.2
烧结过程的热力学基础
7.2.1 烧结的基本过程 7.2.2 烧结的热力学问题 7.2.3 烧结驱动力的计算
7.2
烧结过程的热力学基础
图7-1
烧结球之间形成烧结颈的扫描 电子显微照片
7.2.1 烧结的基本过程
(1)黏结阶段 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。 (2)烧结颈长大阶段 原子向颗粒结合面大量迁移，使烧结 颈扩大，颗粒间的距离缩小，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。 (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，闭孔数量增加，孔隙形状趋近球形并 不断缩小。
7.2.1 烧结的基本过程
图7-2 球形颗粒的烧结模型 a)烧结前颗粒的原始接触 b)烧结早期的烧结颈长大 c)、d)烧结后期的孔隙球 化
7.2.2 烧结的热力学问题
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。 2)烧结体内孔隙总体积和总表面积减小。 3)粉末颗粒内晶格畸变逐渐消除。
7.2.3 烧结驱动力的计算
图7-3
烧结颈模型
7.2.3 烧结驱动力的计算
图7-4
两球模型
7.2.3 烧结驱动力的计算
图7-6 颈部直径为X的两球形 颗粒的烧结剖视图
7.2.3 烧结驱动力的计算
图7-7
不同温度下烧结时间对烧结颈大小、表面积减小率、 收缩率和致密化的影响
7.3
烧结理论与物质迁移
图7-38 烧结过程接触面和孔隙形状、尺寸的变化模型
7.3.5 烧结末期
图7-26 烧结时间与孔隙率、孔径、晶粒之间的关系。
粉末冶金材料的烧结
粉末冶金材料的烧结在粉末冶金生产过程中，为了将成型工艺制得的压坯或者松装粉末体制成有一定强度、一定密度的产品，需要在适当的条件下进行热处理，最常用的工艺是烧结。
烧结是把粉末或粉末压坯后，在适当的温度和气氛条件下加热的过程，从而使粉末颗粒相互黏结起来，改善其性能。
烧结的结果是颗粒间发生黏结，烧结体强度增加，而且多数情况下，其密度也提高。
在烧结过程中，发生一系列的物理和化学变化，粉末颗粒的聚集体变为晶粒的聚集体，从而获得具有所需物理、力学性能的制品或材料。
在粉末冶金生产过程中，烧结是最基本的工序之一。
从根本上说，粉末冶金生产过程一般是由粉末成型和粉末毛坯热处理这两道基本工序组成的。
虽然在某些特殊情况下（如粉末松装烧结）缺少成型工序，但是烧结工序或相当于烧结的高温工序（如热压或热锻）是不可缺少的。
另外，烧结工艺参数对产品性能起着决定性的作用，由烧结工艺产生的废品是无法通过其他的工序来挽救的。
影响烧结的两个重要因素是烧结时间和烧结气氛。
这两个因素都不同程度地影响着烧结工序的经济性，从而对整个产品成本产生影响。
因此，优化烧结工艺，改进烧结设备，减少工序的物质和能量消耗，如降低烧结温度、缩短烧结时间，对产品生产的经济性具有重大意义。
一、烧结过程的基本类型用粉末烧结的方法可以制得各种纯金属、合金、化合物以及复合材料。
烧结体按粉末原料的组成可分为由纯金属、化合物或固溶体组成的单相系，由金属，金属、金属－非金属、金属化合物组成的多相系。
为了反映烧结的主要过程和烧结机构的特点，通常按烧结过程有无明显液相出现和烧结系统的组成对烧结进行分类，如固相烧结和液相烧结，单元系烧结和多元系烧结等。
二、固相烧结粉末固相烧结是指整个烧结过程中，粉末压坯的各个组元都不发生熔化，即无液相出现和形成的烧结过程。
按其组元的多少，可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。
1.单元系固相烧结单元系固相烧结，即单一粉末成分的烧结。
例如各种纯金属的烧结、预合金化粉末的烧结、固定成分的化合物粉末的烧结等，均为单元系固相烧结。
粉末冶金的烧结技术（二篇）
粉末冶金的烧结技术⑴按原料组成不同分类。
可以将烧结分为单元系烧结、多元系固相烧结及多元系液相烧结。
单元系烧结是纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材料）或化合物(Al2O3、B4C、BeO、MoSi2等)熔点以下的温度进行固相烧结。
多元系固相烧结是由两种或两种以上的组元构成的烧结体系，在其中低熔成分的熔点温度以下进行的固相烧结。
粉末烧结合金多属于这一类。
如Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au、W-Mo、Ag-Au、Fe-Cu、W-Ni、Fe-C、Cu-C、Cu-W、Ag-W等。
多元系液相烧结以超过系统中低熔成分熔点的温度进行的烧结。
如W-Cu-Ni、W-Cu、WC-Co、TiC-Ni、Fe-Cu(Cu10%、Fe-Ni-Al、Cu-Pb、Cu-Sn、Fe-Cu(Cu10%)等⑵按进料方式不同分类。
分为为连续烧结和间歇烧结。
连续烧结烧结炉具有脱蜡、预烧、烧结、制冷各功能区段，烧结时烧结材料连续地或平稳、分段地完成各阶段的烧结。
连续烧结生产效率高，适用于大批量生产。
常用的进料方式有推杆式、辊道式和网带传送式等。
间歇烧结零件置于炉内静止不动，通过控温设备，对烧结炉进行需要的预热、加热及冷却循环操作，完成烧结材料的烧结过程。
间歇烧结可依据炉内烧结材料的性能确定合适的烧结制度，但生产效率低，适用于单件、小批量生产，常用的烧结炉有钟罩式炉、箱式炉等。
除上述分类方法外。
按烧结温度下是否有液相分为固相烧结和液相烧结；按烧结温度分为中温烧结和高温烧结（1100～1700℃），按烧结气氛的不同分为空气烧结，氢气保护烧结（如钼丝炉、不锈钢管和氢气炉等）和真空烧结。
另外还有超高压烧结、活化热压烧结等新的烧结技术。
2.影响粉末制品烧结质量的因素影响烧结体性能的因素很多，主要是粉末体的性状、成形条件和烧结的条件。
烧结条件的因素包括加热速度、烧结温度和时间、冷却速度、烧结气氛及烧结加压状况等。
⑴烧结温度和时间烧结温度的高低和时间的长短影响到烧结体的孔隙率、致密度、强度和硬度等。
粉末冶金原理-黄培云烧结这章思考题及答案解析
烧结这章思考题1.烧结理论研究的两个基本问题是什么？为什么说粉体表面自由能降低是烧结 体系自由能降低的主要来源或部分？答：研究的两个基本问题：①烧结为什么会发生？也就是烧结驱动力或热力学的 问题。
②烧结是怎样进行的？烧结的机构和动力学问题。
原因：首先体系自由能的降低包含表面自由能的降低和晶格畸变能的降低。
因为理论上，烧结后的低能位状态至多是对应单晶体的平衡缺陷浓 度，而实际上烧结体总是具有更多热平衡缺陷的多晶体，因此烧结过 程中晶格畸变能减少的绝对值，相对于表面能的降低仍然是次要的。
2.粉末等温烧结的三个阶段是怎样划分的？实际烧结过程还包括哪些现象？ 答：①粘结阶段：颗粒间接触再通过成核，结晶长大等形成烧结颈。
特点：颗粒内晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，烧结体 不收缩，密度增加极微，强度和导电性有明显增加（因 颗粒结合面增大）②烧结颈长大阶段：烧结颈长大，颗粒间形成连续空隙网络。
晶粒长大使晶 界扫过的地方空隙大量消失。
特点：烧结体收缩，密度和强度增加。
③闭孔隙球化和缩小阶段：闭孔量大增，孔隙球化并缩小。
特点：烧结体缓慢收缩（但主要靠小孔消失和孔隙数量的减少 来实现），持续时间可以很长，仍会残留少量隔离小孔 隙。
还有可能出现的现象：①粉末表面气体或水分的蒸发。
②氧化物的还原的离解。
③颗粒内应力的消除。
④金属的回复和再结晶以及聚晶长大等。
3.用机械力表示烧结驱动力的表达式是怎样？式中的负号代表什么含义？简述 空位扩散驱动力公式推导的基本思路和原理。
答：①机械力表示的烧结驱动力表达式：γσρ=-。
（参考书上模型） σ ：作用在烧结颈上的应力。
γ：表面张力。
ρ：曲率半径。
式中负号表示作用在曲颈面上的应力σ是张力，方向朝颈外。
②空位扩散驱动力公式推导思路：2o v v c c kT γρρ∆Ω=∙热力学本质：在烧结颈上产生的张应力减小了烧结球内空位生成能。
（意味空位在张力作用下更容易生成。
）具体推导公式见书。
粉末冶金 烧结
烧结一、烧结过程热力学1烧结的热力学1）金属粉末具有较大的表面积，表面能较高，粉末表面原子都力图成为内部原子，使其本身处于低能位置。
因此，粉末粒度越细，表面越不规则，表面能越大，所贮存的能量越高，烧结也易于进行。
2）晶格畸变和处于活性状态的原子，在烧结过程中也要释放一定的能量，力图恢复其正常位置。
3）ΔA = ΔU - TΔS，ΔU为粉末说具有的全部过剩能量，ΔA为其自发进行烧结的能量，T为绝对温度，ΔS为粉末状态和烧结状态的熵差，一般来说，ΔA总是小于ΔU，但是一般认为这种能量使发生烧结的原动力。
2烧结的基本过程等温烧结大致可分为三个界限不十分明显的阶段图1 烧结过程示意图1）开始阶段（粘结阶段，烧结颈形成）颗粒间的原始接触点或接触面转变成晶粒结合，即通过形核，长大等原子迁移过程形成烧结颈。
在这一阶段，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变。
但是烧结体的强度和导电性却由于颗粒结合面的增大而有明显增加。
这阶段主要发生金属的回复，吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除。
2）中间阶段—烧结颈长大原子向颗粒粘结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，被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。
烧结颈的长大使两个颗粒合并成一个颗粒，颗粒界面成为晶界面，继续烧结，晶界迁移，在原先颗粒接触面的晶界消失，形成晶粒的组织结构。
密度和强度增高使这个阶段的主要特征。
这一阶段中，开始出现再结晶，同时颗粒的表面氧化物可能被完全还原。
3）最终阶段—闭孔隙球化和缩小阶段。
此时，多数孔隙被完全分离，闭孔隙数量大为增加，孔隙形状趋于球形而且不断缩小。
这个阶段中，整个烧结体仍可缓慢收缩，但这是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现的。
但是仍有少量残留的隔离小孔不能被消除。
3烧结原动力1）根据库钦斯基的简化烧结模型，作用于烧结颈的应力为：烧结颈的曲率半径表面张力，::,ργργσ-= 孔隙网形成后对烧结起推动作用的有效力：ργ-=v s P P 当P v 增大到超过表面张应力时，隔离孔隙就停止收缩，所以再烧结最终阶段，烧结体内总会残留少部分的闭孔隙。
多元系固相烧结
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0803011031
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在决定烧结体性能方面，多元系固相烧结时的合金均匀化比 烧结体的致密化更为重要。多元系粉末固相烧结后既可得单相 组织的合金，也可得多相组织的合金，这可根据烧结体系合金 状态图来判断。
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2011-8-10
粉末原料：部分预合金化粉末降低扩散活化能垒， 升高 升高。 粉末原料：部分预合金化粉末降低扩散活化能垒，F升高。 杂质元素： 杂质易形成稳定氧化物， 杂质元素：Si,Mn杂质易形成稳定氧化物，阻碍元素扩散。 杂质易形成稳定氧化物 阻碍元素扩散。
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2011-8-10
影响Cu-Ni混合粉压坯过程因素合金化 混合粉压坯过程因素合金化 影响 烧结温度：温度升高，原子扩散速度增加，F升高。 烧结温度：温度升高，原子扩散速度增加， 升高。 烧结时间：元素扩散距离大长，t升高， F升高。 烧结时间：元素扩散距离大长， 升高， 升高。 粉末粒度：细粉末的活性高，扩散距离短 均匀化时间缩短 粉末粒度：细粉末的活性高，
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影响Cu-Ni混合粉压坯过程因素合金化 混合粉压坯过程因素合金化 影响 压坯密度：在粉末颗粒形状和粒度组成相同时， 压坯密度：在粉末颗粒形状和粒度组成相同时，压坯密度
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
粉末冶金中烧结分类
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟粉末冶金中烧结分类根据致密化机理或烧结工艺条件的不同，烧结可分为液相烧结、固相烧结、活化烧结、反应烧结、瞬时液相烧结、超固相烧结、松装烧结、电阻烧结、电火花烧结、微波烧结和熔浸等。
1 . 固相烧结：按其组元的多少可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。
单元系固相烧结纯金属、固定成分的化合物或均匀固溶体的松装粉末或压坯在熔点以下温度(一般为绝对熔点温度的2/3 一4/5)进行的粉末烧结。
单元系固相烧结过程大致分3 个阶段:(1)低温阶段(T 烧毛0.25T 熔)。
主要发生金属的回复、吸附气体和水分的挥发、压坯内成形剂的分解和排除。
由于回复时消除了压制时的弹性应力，粉末颗粒间接触面积反而相对减少，加上挥发物的排除，烧结体收缩不明显，甚至略有膨胀。
此阶段内烧结体密度基本保持不变。
(2)中温阶段(T 烧(0.4~。
.55T 动。
开始发生再结晶、粉末颗粒表面氧化物被完全还原，颗粒接触界面形成烧结颈，烧结体强度明显提高，而密度增加较慢。
(3)高温阶段(T 烧二0.5 一。
.85T 熔)。
这是单元系固相烧结的主要阶段。
扩散和流动充分进行并接近完成，烧结体内的大量闭孔逐渐缩小，孔隙数量减少，烧结体密度明显增加。
保温一定时间后，所有性能均达到稳定不变。
( 2 )多元固相烧结：组成多元系固相烧结两种组元以上的粉末体系在其中低熔组元的熔点以下温度进行的粉末烧结。
多元系固相烧结除发生单元系固相烧结所发生的现象外，还由于组元之间的相互影响和作用，发生一些其他现象。
对于组元不相互固溶的多元系，其烧结行为主要由混合粉末中含量较多的粉末所决定。
如铜一石墨混合粉末的烧。
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。
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图5—36的烧结收缩曲线表明：纯Cu粉或纯Ni粉单独烧结时，收 缩在很短时间内就完成；而它们的混合粉末烧结时，未合金化之前， 也产生较大收缩，但是随着合金均匀化的进行，烧结反出现膨胀， 而且膨胀与烧结时间的方根(
一、互溶系固相饶结 组分互溶的多元系固相烧结有三种情况：
(1)均匀(单相)固溶体粉末的烧结； (2)混合粉末的烧结； (3)烧结过程固溶体分解。
第一种情况属于单元系烧结，基本规律同前一节讲的相同。第三 种情况不常有，仅在文献中报导过铜汞齐的烧结实验，发现在750一 900℃时汞齐的分解对烧结有促进作用。下面只讨论混合粉末的烧结。
(4)二元合金中，根据组元、烧结条件和阶段的不同，烧结速度同两 组元单独烧结时相比，可能快也可能馒。例如铁粉表面包覆一层镍时， 由于柯肯德尔效应，烧结显著加快。
许多研究表明，添加过渡族元素(Fe，Co，Ni)，对许多氧化物和 钨粉的烧结均有明显促进作用，但是，Cu—Ni系烧结的速度反而减慢。 因此决定二元合金烧结过程的快慢不是由能否形成固溶体来判断，而取 决于组元互扩散的差别。如果偏扩散所造成的空位能溶解在晶格中，就 能增大扩散原子的活性，促进烧结进行；相反，如空位聚集成微孔，反 将阻碍烧结过程。
层之间的物质迁移和析出反应。但是，扩散总归是决定合金化的主要
动力学因素，因而凡是促进扩散的一切条件，均有利于烧结过程及获 得最好的性能。扩散合金化的规律可以概括为以下几点：
(1)金属扩散的一般规律是：原子半径相差越大，或在元素周期 表中相距越远的元素，互扩散速度也越大；间隙式固溶的原子，扩 散速度比替换式固溶的大得多；温度相同和浓度差别不大时，在体 心立方点阵相中，原子的扩散速度比在面心立方点阵相中快几个数 量级。在金属中溶解度最小的组元，往往具有最大的扩散速度(表 5—4)。
各种元素在铁中的扩散系数(表5—5)和溶解度(表5—6)，对于烧结 铁基制品中合金元素的选择有一定参考价值。可以看到：在
与 中溶解度大的元素，扩散系数反而小。
根据表5—5，在
和
中扩散系数不同的元素可分为四种类型：
1)氢在
以及
中扩散系数最大，属于间隙扩散；
2)硼、碳和氮在铁中也属于间隙扩散，但其扩散系数较小(仅为氢 的六百分之一)；
烧结合金化中最简单的情况是二元系固溶体合金。当二元混合粉末烧 结时，一个组元通过颗粒间的联结面扩散并溶解到另一组元的颗粒中 （如Fe—C材料中石墨溶于铁中），或者二组元互相溶解(如铜与镍)，产 生均匀的固溶体颗粒。
假定有金属A和B的混合粉末，烧结时在两种粉末的颗粒接触面
上，按相图反应生成平衡相AxBy，，以后的反应将取决于A、B组元
(5)烧结工艺条件(温度、时间、粉末粒度及须合金粉末的使用) 的影响将在下一段说明。
2．无限互溶系 属于这类的有Cu—Ni、Co—Ni、Cu—Au、Ag—Au、W—Mo、
Fe—Ni等。对其中的Cu—Ni系研究得最成熟，现讨论如下： Cu—Ni具有无限互溶的简单相图。用混合粉烧结(等温)，在一
定阶段发生体积增大现象，烧结收缩随时间的变化，主要取决于合金 均匀化的程度。
(3)添加第三元素可显著改变元素B在A中的扩散速度。例如在烧结铁 中添加V、Si、Cr、Mo、Ti、W等形成碳化物的元素会显著降低碳在铁 中的扩散速度和增大渗碳层中碳的浓度；添加4％Co使碳在7—Fe(1％的 碳原子浓度)中的扩散速度提高一倍；而添加3％Mo或1％W时，减小一 倍。添加第三元素对碳在铁中扩散速度的影响，取决于其在周期表中的 位置：靠铁左边属于形成碳化物的元素，降低扩散速度；而靠右边属非 碳化物形成元素，增大扩散速度。黄铜中添加2％Sn，使锌的扩散系数 增大九倍；添加3．5％Pb时，增大十四倍；加Si、A1、P、S均可增大 扩散系数。
1．一般规律 混合粉末烧结时在不同组分的颗粒间发生的扩散与合金均匀化过
程，取决于合金热力学和扩散动力学。如果组元间能生成合金，则烧结 完成后，其平衡相的成分和数量大致可根据相应的相图确定。但由于烧 结组织不可能在理想的热力学平衡条件下获得，要受固态下扩散动力学 的限制，而且粉末烧结的合金化还取决于粉末的形态、粒度、接触状态 以及晶体缺陷、结晶取向等因素，所以比熔铸合金化过程更复杂化，也 难获得平衡组织。
多元系固相烧结
多数粉末冶金材料是由几种组分(元素或化合物)的粉末烧结 而成的。烧结过程不出现液相的称为多元系固相烧结，包括组分 间不互溶和互溶的两类。
多元系固相烧结比单元系烧结复杂得多，除了同组元或异组 元颗粒间的粘结外，还发生异组元之间的反应、溶解和均匀化等 过程，而这些都是靠组元在固态下的互相扩散来实现的，所以， 通过烧结不仅要达到致密化，而且要获得所要求的相或组织组成 物。
3)镍、钻、锰、钥在铁中形成替换式固溶体，扩散系数仅为形成 间隙固溶体元素的万分之一到十万分之一；
4)氧、硅、铝等元素介于形成间隙式和替换式固溶体之间，由于 缺乏扩散系数的可靠数据，尚不能作结论。
(2)在多元系中，由于组元的互扩散系数不相等，产生柯肯德尔 (Kirkendall)效应，证明是空位扩散机构起作用。当A与B元素互扩散 时，只有当A原子与其邻近的空位发生换位的几率大于B原子自身的 换位几率时，A原子的扩散才比B原子快，因而通过AB相互扩散的A 和B原子的互扩散系数不等，在具有较大互扩散系数原子的区域内形 成过剩空位，然后聚集成微孔隙，从而使烧结合金出现膨胀。因此， 一般说在这种合金系中，烧结的致密化速率要减慢。
假若反应产物AB是能溶解于组元A或B的中间相(如电子化合 物)，那么界面上的反应将复杂化。例如AB溶于B形成有限固溶体， 只有当饱和后，AB才合金化过程将取决于反应生成相的性质、
生成次序和分布，取决于组元通过中间相的扩散，取决于一系列反应
通过反应产物AB(形成包覆颗粒表面的壳层)的互扩散。如果A能通过 AB进行扩散，而B不能，那么A原子将通过AB相扩散到A与B的界面 上再与B反应，这样AB相就在B颗粒内滋生。通常，A与B均能通过 AB相互扩散，那么反应将在AB相层内发生，并同时向A与B的颗粒内 扩展，直至所有颗粒成为具有同一平均成分的均匀固溶体为止。