烧结理论.ppt

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1、Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结第一章第一章 概述概述1 1 烧结的定义与分类烧结的定义与分类2 2 烧结理论的研究范畴和目的烧结理论的研究范畴和目的3 3 烧结技术的发展烧结技术的发展Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结 烧结是指粉末或压坯在烧结是指粉末或压坯在低于主要组低于主要组分熔点分熔点的温度下借助于的温度下借助于原子迁移原子迁移实现实现颗颗粒间联结粒间联结的过程。的过程。1 1 烧结的定义与分类烧结的定义与分类Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结含含 义义1 1 粉末粉末 松装烧结，

2、制造过滤材料（不锈钢，青铜，黄铜，钛等）和催化材松装烧结，制造过滤材料（不锈钢，青铜，黄铜，钛等）和催化材料（铁，镍，铂等）料（铁，镍，铂等）Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结含含 义义2 2 低于主要组分熔点的温度低于主要组分熔点的温度*固相烧结固相烧结烧结温度低于所有组分的熔点烧结温度低于所有组分的熔点*液相烧结液相烧结烧结温度低于主要组分的熔点烧结温度低于主要组分的熔点 但高于次要组分的熔点但高于次要组分的熔点WC-CoWC-Co合金，合金，W-Cu-NiW-Cu-Ni合金合金Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧

3、结粉末烧结粉末烧结含含 义义3 3 烧结的目的烧结的目的 依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末颗粒形成冶金结合依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末颗粒形成冶金结合 Mechanical interlocking or physical bonging Mechanical interlocking or physical bonging Metallurgical bonding Metallurgical bonding 烧结体的强度烧结体的强度Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结分分 类类粉末烧结类型粉末烧结类型：加压烧结加压烧结 施加外压力施加外

4、压力(Applied pressure or (Applied pressure or pressure-assisted sintering)pressure-assisted sintering)热等静压热等静压 (hot(hot isostaticisostatic pressing HIP)pressing HIP)Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结无压烧结无压烧结 固相烧结固相烧结与与液相烧结液相烧结不施加外压力不施加外压力(Pressureless sintering)Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结

5、粉末烧结粉末烧结固相烧结固相烧结单元系固相烧结烧结单元系固相烧结烧结 单相（纯金属、化合物、固溶体粉单相（纯金属、化合物、固溶体粉末）末）烧结烧结单相粉末的固相烧结过程单相粉末的固相烧结过程多元系固相烧结烧结多元系固相烧结烧结 指两个或两个以上组元的粉末烧结指两个或两个以上组元的粉末烧结过程包括反应烧结等过程包括反应烧结等Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结固相烧结固相烧结无限固溶无限固溶系系Cu-NiCu-Ni、Cu-AuCu-Au、Ag-AuAg-Au等等有限固溶系有限固溶系Fe-Fe-C C、Fe-NiFe-Ni、Fe-CuFe-Cu、W-N

6、iW-Ni等等互不固溶互不固溶系系组元间既不溶解，也不形成化合物组元间既不溶解，也不形成化合物Ag-Ag-W W、Cu-WCu-W、Cu-CCu-C等等Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结液相烧结液相烧结在烧结过程中存在烧结过程中存在液相的烧结过程。在液相的烧结过程。Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结烧烧结结操操作作的的重重要要性性1 1 粉末冶金工艺两个基本加工步骤之一粉末冶金工艺两个基本加工步骤之一 磁粉芯和粘结磁性材料例外磁粉芯和粘结磁性材料例外2 2 决定了决定了P/MP/M制品的性能制品的性

7、能4 4 热处理，过程能耗大热处理，过程能耗大降低烧结温度是有意义降低烧结温度是有意义 （降低能耗和提高烧结炉寿命）（降低能耗和提高烧结炉寿命）5 5 纳米块体材料的获得必须依赖烧结过程的控制纳米块体材料的获得必须依赖烧结过程的控制3 3 烧结废品很难补救，如铁基部件的烧结废品很难补救，如铁基部件的 脱渗碳和严重的烧结变形脱渗碳和严重的烧结变形Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结烧结理论的研究目的：烧结理论的研究目的：研究粉末压坯在烧结过程中微观结研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的演化构的演化(microstructuralmicrostructu

8、ral evolution)evolution)和物质变化规律和物质变化规律2 2 烧结理论的研究范畴和目的烧结理论的研究范畴和目的Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结孔隙数量或体积的演化孔隙数量或体积的演化致密化致密化晶粒尺寸的演化晶粒尺寸的演化晶粒长大（纳米金属晶粒长大（纳米金属 粉末和硬质合金）粉末和硬质合金）孔隙形状的演化孔隙形状的演化孔隙尺寸及其分布的演化孔隙尺寸及其分布的演化孔隙粗化、孔隙粗化、收缩和分布收缩和分布Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结研究范畴研究范畴:烧结过程的驱动力烧结过程

9、的驱动力烧结热力学，即解决烧结热力学，即解决WhyWhy的问题的问题烧结机构，即解决烧结机构，即解决HowHow的问题，的问题，也就是说物质迁移方式和迁移速度也就是说物质迁移方式和迁移速度物质迁移方式物质迁移方式Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结研究方法研究方法:烧结几何学烧结几何学双球模型双球模型烧结物理学烧结物理学原子迁移机构原子迁移机构,扩散机构扩散机构烧结化学烧结化学组元间的反应（溶解、形成组元间的反应（溶解、形成化合物）及组元与气氛间的化合物）及组元与气氛间的反应反应计算机模拟计算机模拟借助于建立物理、几何或化借助于建立物理、几何或化学

10、模型，进行烧结过程的计学模型，进行烧结过程的计算机模拟（蒙特算机模拟（蒙特-卡洛模拟卡洛模拟）Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结3 3 烧结技术的发展烧结技术的发展Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结快速烧结技术快速烧结技术 1 1 电固结工艺电固结工艺 2 2 快速热等静压快速热等静压(quick-HIP)(quick-HIP)3 3 微波烧结技术微波烧结技术 4 4 激光烧结激光烧结 5 5 等离子体烧结等离子体烧结 6 6 电火花烧结电火花烧结第二章二章 烧结热力学基础烧结热力学基础1 1 烧结

11、的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化3 3 烧结驱动力计算烧结驱动力计算2 2 烧结热力学烧结热力学4 4 粉末烧结活性（简介粉末烧结活性（简介）19Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结1 1 烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结三阶段烧结三阶段 粘结面的形成粘结面的形成 烧结颈（烧结颈（sintering necksintering neck）的形成与长大）的形成与长大 闭孔隙的形成和球化闭孔隙的形成和球化 21Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结一、粘

12、结面的形成一、粘结面的形成过程：在粉末颗粒的原始接触面，通过颗粒表过程：在粉末颗粒的原始接触面，通过颗粒表面附近的原子扩散，由原来的机械嚙合转变为面附近的原子扩散，由原来的机械嚙合转变为原子间的冶金结合原子间的冶金结合,形成形成晶界晶界23Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结u结果：结果：坯体的强度增加，表面积减小坯体的强度增加，表面积减小 金属粉末烧结体：导电性能提高金属粉末烧结体：导电性能提高 是粉末烧结发生的标志是粉末烧结发生的标志 而非出现烧结收缩而非出现烧结收缩24Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结

13、粉末烧结 为什么能形成接触面？为什么能形成接触面？范德华力范德华力:接触压力接触压力20-300Mpa20-300Mpa （接触距离为接触距离为0.2nm0.2nm时）时）静电力静电力金属键合力金属键合力:约为范德华力的约为范德华力的约为范德华力的约为范德华力的20202020倍倍倍倍电子作用力电子作用力附加应力（存在液相）附加应力（存在液相）金属键合力金属键合力电子作用力电子作用力电子云重叠，导致电子云密度增加电子云重叠，导致电子云密度增加26Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结p前期的特征前期的特征 形成连续的形成连续的孔隙网络孔隙网络，孔隙表

14、面光滑化，孔隙表面光滑化p后期的特征后期的特征 孔孔隙隙进进一一步步缩缩小小，网网络络坍坍塌塌并并且且晶晶界界发发 生迁移生迁移二、烧结颈（二、烧结颈（sintering necksintering neck）的形成与长大）的形成与长大(neck growth)(neck growth)28Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结为什么会导致颗粒间的距离缩短？为什么会导致颗粒间的距离缩短？原子的扩散，颗粒间的距离原子的扩散，颗粒间的距离缩短缩短烧结颈间形成了微孔隙烧结颈间形成了微孔隙微孔隙长大微孔隙长大聚合导致烧结颈间的孔隙结构坍塌聚合导致烧结颈间的孔

15、隙结构坍塌银粉的烧结提供了相关证据银粉的烧结提供了相关证据30Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结三、闭孔隙的形成和球化三、闭孔隙的形成和球化孔隙管道被分隔成一系列的小孔隙，最后发孔隙管道被分隔成一系列的小孔隙，最后发展成孤立孔隙并球化展成孤立孔隙并球化处于晶界上的闭孔则有可能消失处于晶界上的闭孔则有可能消失有的则因发生晶界与孔隙间的分离现象而成有的则因发生晶界与孔隙间的分离现象而成为晶内孔隙（为晶内孔隙（intragranularintragranular pore pore），），并充并充分球化分球化孔隙结构演化孔隙结构演化32Part 2Pa

16、rt 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结2 2 烧结热力学烧结热力学u单元系单元系u粉末颗粒处于化学平衡态粉末颗粒处于化学平衡态u粉粉末末系系统统过过剩剩自自由由能能的的降降低低是是烧烧结结进行的驱动力进行的驱动力udriving force for sinteringdriving force for sintering33Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结 系统的过剩自由能包括：系统的过剩自由能包括：总界面积和总界面能的减小总界面积和总界面能的减小E=E=s s.A.As s+gbgb.A.Agbgb/2/2。（。（

17、主要）主要）A As s为自由表面积为自由表面积,A Agbgb为晶界面积为晶界面积 单晶时单晶时A Agbgb=0=0，则为总表面能减小则为总表面能减小粉粉末末颗颗粒粒晶晶格格畸畸变变和和部部分分缺缺陷陷(如如空空位位,位错等位错等)的消除的消除源于粉末加工过程源于粉末加工过程34Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结 多元系多元系烧结驱动力则主要来自体系的自由烧结驱动力则主要来自体系的自由能降低能降低G=H-TSG=H-TSG0 G0 且且0 0自由能降低的数值远大于表面能的自由能降低的数值远大于表面能的降低降低表面能的降低则属于辅助地位表面能的

18、降低则属于辅助地位35Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结扩散合金化扩散合金化合金元素的扩散导致体系熵增合金元素的扩散导致体系熵增S S增大增大G=-T S G=-T S 0 0形成化合物形成化合物H H 0 0-TS-TS 0 0G G 0,0,且且绝对值很大绝对值很大36Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结例如：例如：p颗颗粒粒尺尺寸寸1010 m m的的粉粉末末的的界界面面能能降降 低为低为1-10J/mol1-10J/molp化化学学反反应应的的自自由由能能降降低低一一般般为为100-100-1

19、000J/mol,1000J/mol,比前者大了两个数量级比前者大了两个数量级p合金化也是一种特殊的化学反应合金化也是一种特殊的化学反应37Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结3 3 烧烧结结驱驱动动力力（Driving Driving force force for sinteringfor sintering）计算计算一一、作作用用在在烧烧结结颈颈上上的的原原动动力力(driving(driving force for neck growth)force for neck growth)二二、烧烧结结扩扩散散驱驱动动力力(driving(dri

20、ving force force atom diffusion)atom diffusion)三、蒸发三、蒸发-凝聚物质迁移动力凝聚物质迁移动力蒸汽压差蒸汽压差四、烧结收缩应力（补）四、烧结收缩应力（补）-宏观烧结应力宏观烧结应力38Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结1 1 1 1、烧结初期：、烧结初期：、烧结初期：、烧结初期：由由由由Young-Young-Young-Young-LaplaceLaplaceLaplaceLaplace方方方方程程程程，颈颈颈颈部部部部弯弯弯弯曲曲曲曲面面面面上的应力上的应力上的应力上的应力为为为为 =(1/x

21、-1/)=(1/x-1/)=(1/x-1/)=(1/x-1/)-/-/-/-/（xxxx）作用在颈部的张应力指向颈外作用在颈部的张应力指向颈外作用在颈部的张应力指向颈外作用在颈部的张应力指向颈外导致烧结颈长大，孔隙体积收缩导致烧结颈长大，孔隙体积收缩导致烧结颈长大，孔隙体积收缩导致烧结颈长大，孔隙体积收缩随随随随着着着着烧烧烧烧结结结结过过过过程程程程的的的的进进进进行行行行，的的的的数值增大数值增大数值增大数值增大烧结驱动力逐步减小烧结驱动力逐步减小烧结驱动力逐步减小烧结驱动力逐步减小一一、作用在烧结颈上的拉应力、作用在烧结颈上的拉应力40Part 2Part 2Part 2Part 2：粉

22、末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结2 2、中期、中期孔孔隙隙网网络络形形成成，烧烧结结颈颈长长大大。有有效效烧结应力烧结应力PsPs为为 Ps Ps=P Pv v-/-/（P Pv v为为烧烧结结气气氛氛的压力，若在真空中，为的压力，若在真空中，为0 0）41Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结3 3、后期、后期孔隙网络坍塌，形成孤立孔隙孔隙网络坍塌，形成孤立孔隙封封闭闭的的孔孔隙隙中中的的气气氛氛压压力力随随孔孔隙隙半半径径r r收收缩缩而而增增大。大。由气态方程由气态方程P Pv v.V.Vp p=nRTnRT 气氛压力气氛压力P Pv v=6nR

23、T/(D=6nRT/(D3 3)此时的烧结驱动力此时的烧结驱动力=-4/D =-4/D 令令Ps=0Ps=0，即即封封闭闭在在孔孔隙隙中中的的气气氛氛压压力力与与烧烧结结应应力力达达到平衡到平衡孔隙收缩停止孔隙收缩停止最小孔径为最小孔径为D Dminmin=(P=(Po o/4)/4)1/21/2.D.Do o3/3/42Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结 减小残留孔径的措施减小残留孔径的措施减小气氛压力（如真空）减小气氛压力（如真空）较较小小的的D Do o（细细粉粉末末与与粒粒度度组组成成，较较高高的的压压制压力）制压力）提高提高（活化）活化

24、）43Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结二二、烧烧结结扩扩散散驱驱动动力力(driving(driving force force for for atom diffusion)atom diffusion)空位浓度梯度空位浓度梯度处于平衡状态时，平衡空位浓度处于平衡状态时，平衡空位浓度 C Cv vo o=exp(Sexp(Sf f/k).exp(-E/k).exp(-Ef fo o/kT/kT)exp(Sexp(Sf f/k/k)振振动动熵熵项项，S Sf f为为生生成成一一个个空空位位造造成系统熵值的变化成系统熵值的变化exp(-exp(-

25、E Ef fo o/kT/kT)空位形成能项空位形成能项44Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结E Ef fo o无无应应力力时时生生成成一一个个空空位位所所需需的的能量能量在烧结颈部因受到拉应力的作用在烧结颈部因受到拉应力的作用空位形成能降低空位形成能降低产生过剩空位浓度产生过剩空位浓度大于平衡空位浓度大于平衡空位浓度45Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结p应力作用时其值发生改变应力作用时其值发生改变 压缩应力压缩应力 E Ef f=E Ef fo o+拉伸应力拉伸应力 E Ef f=E Ef fo

26、 o 应力对空位所作的功应力对空位所作的功 46Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结对应空位浓度为对应空位浓度为颈部：颈部：C Cv v=exp(Sexp(Sf f/k).exp/k).exp-（E Ef fo o+)/kT+)/kT 由于由于kTkT，/kT0/kT0，即，即exp(-x)=1-xexp(-x)=1-xC Cv v=exp(Sexp(Sf f/k).exp/k).exp（-E Ef fo o/kT/kT）.（1-/kT1-/kT）C Cv v=C Cv vo o（1-/kT1-/kT）=C Cv vo o -C Cv vo o/k

27、T/kT又又=-/=-/，故故颈颈部部与与非非颈颈区区域域之之间间的的空空位位浓浓度差度差 C Cv v=C Cv vo o/（kTkT）47Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结考考虑虑在在烧烧结结颈颈部部与与附附近近区区域域（线线度度为为 ）空位浓度的差异空位浓度的差异 空空位位浓浓度度梯梯度度CvCv=CvCvo o/（kTkT2 2）可以发现可以发现（活化）活化）（细粉）细粉）均有利于提高浓度梯度均有利于提高浓度梯度48Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结三、蒸发三、蒸发-凝聚气相迁移动力凝聚气相

28、迁移动力蒸汽压差蒸汽压差(driving force for mass transportation(driving force for mass transportation by evaporation-condensation)by evaporation-condensation)三类体系：三类体系：蒸气压较高：蒸气压较高：Mn,ZnMn,Zn，Cd,CdOCd,CdO等等 高温高温:接近烧结材料的熔点接近烧结材料的熔点 化学活化：添加氯离子的烧结化学活化：添加氯离子的烧结 纳米粉末的烧结纳米粉末的烧结49Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧

29、结由由Gibbs-KelvinGibbs-Kelvin公式得到蒸气压差公式得到蒸气压差 P=P=P Po o/(kTR/(kTR)P Po o 平面的饱和蒸气压；平面的饱和蒸气压；R R曲面的曲率半径。曲面的曲率半径。50Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结在球面：在球面：P Pa a=2P=2Po o/(kTa)R=a/2/(kTa)R=a/2在烧结颈部：在烧结颈部：P P=P Po o/(kTR/(kTR)R=-)R=-两者间压差两者间压差 P=Pa-PP=Pa-P =P=Po o/(kT).(2/a+1/)/(kT).(2/a+1/)（aa）

30、细粉具有较高的压力差细粉具有较高的压力差烧结长大以后，压差烧结长大以后，压差51Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结四、烧结收缩应力（补）四、烧结收缩应力（补）-宏观烧结应力宏观烧结应力烧结系统总的过剩自由能烧结系统总的过剩自由能 E=E=s s.A.As s+gbgb.A.Agbgb/2/2 p s s.A.As s表面能项表面能项p gbgb.A.Agbgb/2/2晶界能项晶界能项52Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结引入自由表面积分数引入自由表面积分数A=AA=As s/（A As s+A+Ag

31、bgb）定义定义/G=(/G=(A As s+A+Agbgb)/V)/Vm m V Vm m-晶粒体积晶粒体积-形状因子形状因子G-G-晶粒尺寸，晶粒尺寸，取取6 6E=6E=6s sA+A+gbgb(1-A)/2V(1-A)/2Vm m/G/G53Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结 对对于于具具体体的的粉粉末末烧烧结结体体系系，能能量量平平衡衡，则则:K=COS(/2)=K=COS(/2)=gbgb/2/2s sE=6E=6s sVVb bK+A(1-K)/G K+A(1-K)/G 为烧结进行过程中的密度为烧结进行过程中的密度对对V Vb b微

32、分，得致密化压力微分，得致密化压力 P Pd d=6=6s s(1-)(1-)2 2(1-K)/G(1-(1-K)/G(1-o o)2 2 o o为坯块的起始密度为坯块的起始密度54Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结对对G G进行微分，晶粒长大的驱动力进行微分，晶粒长大的驱动力P Pg g=36=36s s2 22 2M(1-K)K+A(1-K)VM(1-K)K+A(1-K)Vb b/G/G3 3(1-(1-o o)M=M=坯块质量坯块质量55Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结4 4 粉末烧结活性（

33、简介）粉末烧结活性（简介）粉末烧结活性可由体扩散系数粉末烧结活性可由体扩散系数DvDv与与粉末粒度粉末粒度2a2a共同表征共同表征 若要在适当的烧结时间内获得充若要在适当的烧结时间内获得充分的致密化，必须满足分的致密化，必须满足 Dv/(2a)Dv/(2a)3 31156Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结例如例如金属的金属的 DvDv为为1010-12-12cmcm2 2/s,/s,粉末粒度为粉末粒度为1 1微米微米共价键晶体共价键晶体DvDv为为1010-14-14cmcm2 2/s/s，粒度在，粒度在0.50.5微米微米57Part 2Par

34、t 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结第三章第三章 烧结机构烧结机构 Sintering mechanismsSintering mechanisms1 1 烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类2 2 烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤3 3 烧结几何模型烧结几何模型4 4 烧结动力学方程烧结动力学方程5 5 烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程6 6 烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献58Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结1 1 内涵：内涵：物质迁移方式（物质迁移方式（mas

35、s transport pathmass transport path）迁移速率迁移速率 烧结动力学烧结动力学1 1 烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类59Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结2 2 烧结机构的分类烧结机构的分类描述物质迁移通道和过程进行速度描述物质迁移通道和过程进行速度60Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结烧结机构示意图烧结机构示意图61Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结l表面迁移：表面迁移：表面迁移：表面迁移：S SS S表面扩

36、散表面扩散表面扩散表面扩散(surface diffusion)(surface diffusion)(surface diffusion)(surface diffusion)：球表面层原子向颈球表面层原子向颈部扩散。部扩散。蒸发蒸发蒸发蒸发-凝聚凝聚凝聚凝聚(evaporation-condensation)(evaporation-condensation)(evaporation-condensation)(evaporation-condensation)：表面层原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。散，沉积

37、在颈部。l宏观迁移：宏观迁移：宏观迁移：宏观迁移：V VV V体积扩散体积扩散体积扩散体积扩散(volume or lattice diffusion)(volume or lattice diffusion)(volume or lattice diffusion)(volume or lattice diffusion)：借助于借助于空位运动，原子等向颈部迁移。空位运动，原子等向颈部迁移。62Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结l粘性流动粘性流动粘性流动粘性流动(viscous flow)(viscous flow)(viscous flow)

38、(viscous flow)：非晶材料，在剪切应力非晶材料，在剪切应力作用下，产生粘性流动，物质向颈部迁移。作用下，产生粘性流动，物质向颈部迁移。l塑性流动塑性流动塑性流动塑性流动(plastic flow)(plastic flow)(plastic flow)(plastic flow)：烧结温度接近物质熔点，烧结温度接近物质熔点，当颈部的拉伸应力大于物质的屈服强度时，发生塑当颈部的拉伸应力大于物质的屈服强度时，发生塑性变形，导致物质向颈部迁移。性变形，导致物质向颈部迁移。l晶界扩散晶界扩散晶界扩散晶界扩散(grain boundary diffusion)(grain boundary

39、diffusion)(grain boundary diffusion)(grain boundary diffusion)：晶界为快晶界为快速扩散通道。原子沿晶界向颈部迁移。速扩散通道。原子沿晶界向颈部迁移。l位错管道扩散位错管道扩散位错管道扩散位错管道扩散(dislocation pipe diffusion(dislocation pipe diffusion(dislocation pipe diffusion(dislocation pipe diffusion）：）：）：）：位位错为非完整区域，原子易于沿此通道向颈部扩散，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。导

40、致物质迁移。63Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结l建立简单的几何模型，如烧结球模型；建立简单的几何模型，如烧结球模型；l选定表征烧结过程的可测的几何参数，如烧结颈尺选定表征烧结过程的可测的几何参数，如烧结颈尺寸，中心距；寸，中心距；l假定某一物质迁移方式，建立物质流的微分方程；假定某一物质迁移方式，建立物质流的微分方程；l根据具体边界条件求解微分方程根据具体边界条件求解微分方程解析式（可测参解析式（可测参数与时间关系）；数与时间关系）；l模拟烧结实验，由实验数据验证所得涵数关系模拟烧结实验，由实验数据验证所得涵数关系确确定该物质迁移机构是具体烧

41、结体系的烧结机构定该物质迁移机构是具体烧结体系的烧结机构.2 2 烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤64Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结相相切切模模型型3 3 烧结几何模型烧结几何模型l双球体几何模型双球体几何模型 相切模型相切模型 两球中心距不变两球中心距不变 两球相切两球相切 几何关系：几何关系：(a+)2=(x+)2+a2(a+)2=(x+)2+a2 =x2/2a =x2/2a（近似）（近似）65Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结l贯穿模型贯穿模型 中心距缩短中心距缩短 烧结初

42、期发生大量物质迁移烧结初期发生大量物质迁移 几何关系：几何关系：(a-2)(a-2)2 2+x+x2 2=a=a2 2 =x =x2 2/4a/4a（近似）（近似）66Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结4 4 烧结动力学方程烧结动力学方程1 1粘性流动粘性流动 由由FrenkleFrenkle、KuczynskiKuczynski分别提出分别提出FrenkleFrenkle两个假设两个假设.烧结体是不可压缩的牛顿粘性流体烧结体是不可压缩的牛顿粘性流体.流体流动的驱动力是表面能对它做功，流体流动的驱动力是表面能对它做功，并以摩擦功形式散失并以摩擦功

43、形式散失67Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结单位时间内，单位体积内散失的能量为单位时间内，单位体积内散失的能量为，表面表面降低对粘性流动做的体积功为降低对粘性流动做的体积功为.d A/d t.d A/d t 则则 V=.d A/d t V=.d A/d t V=.d A/d t V=.d A/d t经一系列几何和微分处理后，得烧结特征方程经一系列几何和微分处理后，得烧结特征方程 x x x x2 2 2 2/a=(3/2)/.t/a=(3/2)/.t/a=(3/2)/.t/a=(3/2)/.t或或 (x/a)(x/a)(x/a)(x/a)2 2

44、 2 2=(3/2)/(a).t=(3/2)/(a).t=(3/2)/(a).t=(3/2)/(a).t 2ln(x/a)=A+l n t 2ln(x/a)=A+l n t 2ln(x/a)=A+l n t 2ln(x/a)=A+l n t简单处理过程：简单处理过程：68Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结以以l l n(xn(x/a)/a)作纵坐标、时间作横坐作纵坐标、时间作横坐标标绘制实验测定值直线绘制实验测定值直线其斜率为其斜率为1/21/2则粘性流动为烧结的物质迁移机构则粘性流动为烧结的物质迁移机构 实验验证实验验证69Part 2Part

45、 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结KuczynskiKuczynski处理：处理：=d/d t=d/d t且且与与成正比，成正比，d/d td/d t与与d d x/(x.d t)x/(x.d t)成正比成正比/=K.d x/(x.d t)/=K.d x/(x.d t)考虑到考虑到=x=x2 2/2a/2ax x2 2/a=K/.t/a=K/.t由粘性流动造成球形孔隙收缩为由粘性流动造成球形孔隙收缩为d r/d t=-3/(4)d r/d t=-3/(4)（均匀收缩）均匀收缩）70Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结孔隙

46、消除所需时间为孔隙消除所需时间为t=4/(3).Rt=4/(3).Ro o （R Ro o为孔隙初始半径）为孔隙初始半径）在时刻在时刻t t孔隙尺寸孔隙尺寸R R为为R Ro o-R=2/.t-R=2/.t烧结特征方程：烧结特征方程：x x m m/a/an n=F(T).t=F(T).t71Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结烧结颈对平面的蒸汽压差烧结颈对平面的蒸汽压差P=-P P=-P o o/(KT)/(KT)当球径比烧结颈半径大很多时，球表面的当球径比烧结颈半径大很多时，球表面的蒸汽压差蒸汽压差P=PP=Pa a-P-P o o可以忽略不计

47、。可以忽略不计。2 2 蒸发蒸发-凝聚凝聚72Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结P P o o可由可由P Pa a代替代替P=-P P=-P a a/(KT)/(KT)单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由LangmuirLangmuir公式计算公式计算m=P(M/2RT)m=P(M/2RT)1/21/2 M M为原子量为原子量73Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结颈长大速度颈长大速度d V/d t=d V/d t=A(m/dA(m/d)A=A=颈表面积；颈表面积；

48、d=d=物质密度物质密度经几何计算、变换和积分后经几何计算、变换和积分后x x3 3/a=3M(M/2RT)/a=3M(M/2RT)1/21/2P Pa a/(d/(d2 2RT).tRT).t注意：注意：M=N d M=N d 及及k=KNk=KN74Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结l 烧结动力学方程烧结动力学方程 烧结颈长大是颈表面附近的空位向球体内扩散烧结颈长大是颈表面附近的空位向球体内扩散 球内部原子向颈部迁移的结果球内部原子向颈部迁移的结果 颈长大的连续方程颈长大的连续方程 d d d d v v v v/d t=J/d t=J/d

49、t=J/d t=J v v v v.A A A A.3 3 体积扩散体积扩散 volume diffusionvolume diffusion75Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结J J v v=单位时间内通过颈的单位面积空位个数单位时间内通过颈的单位面积空位个数即空位流速率即空位流速率 由由FickFick第一定律第一定律 J J v v=D=D v.Cv.C v=D v=D v.Cv.C v/v/D D v v=空位扩散系数（个数）空位扩散系数（个数）76Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结 若用

50、体积表示原子扩散系数，若用体积表示原子扩散系数，即即 D D v v=D=D v vC C v v o o=D=D v v o o.e x p(-Q/RT).e x p(-Q/RT)d v/d t=A D d v/d t=A D v v.C v/.C v/其中其中A=(2X).(2)A=(2X).(2)V=X V=X2 2.2.2 =X =X2 2/2a/2axx5 5/a/a2 2=20D=20Dv v/KT.t/KT.t77Part 2Part 2Part 2Part 2：粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结p KingeryKingery-Berge-Berge方程：方程：=X=X2 2/4