粉末冶金原理-黃培云燒結(jié)這章思考題及答案.doc

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燒結(jié)這章思考題 1. 燒結(jié)理論研究的兩個基本問題是什么？為什么說粉體表面自由能降低是燒結(jié) 體系自由能降低的主要來源或部分？ 答：研究的兩個基本問題：①燒結(jié)為什么會發(fā)生？也就是燒結(jié)驅(qū)動力或熱力學的 問題。 ②燒結(jié)是怎樣進行的？燒結(jié)的機構(gòu)和動力學問題。 原因：首先體系自由能的降低包含表面自由能的降低和晶格畸變能的降低。 因為理論上，燒結(jié)后的低能位狀態(tài)至多是對應單晶體的平衡缺陷濃 度，而實際上燒結(jié)體總是具有更多熱平衡缺陷的多晶體，因此燒結(jié)過 程中晶格畸變能減少的絕對值，相對于表面能的降低仍然是次要的。 2. 粉末等溫燒結(jié)的三個階段是怎樣劃分的？實際燒結(jié)過程還包括哪些現(xiàn)象？ 答：①粘結(jié)階段：顆粒間接觸再通過成核，結(jié)晶長大等形成燒結(jié)頸。 特點：顆粒內(nèi)晶粒不發(fā)生變化，顆粒外形也基本未變，燒結(jié)體 不收縮，密度增加極微，強度和導電性有明顯增加（因 顆粒結(jié)合面增大） ②燒結(jié)頸長大階段：燒結(jié)頸長大，顆粒間形成連續(xù)空隙網(wǎng)絡。晶粒長大使晶 界掃過的地方空隙大量消失。 特點：燒結(jié)體收縮，密度和強度增加。 ③閉孔隙球化和縮小階段：閉孔量大增，孔隙球化并縮小。 特點：燒結(jié)體緩慢收縮（但主要靠小孔消失和孔隙數(shù)量的減少 來實現(xiàn)），持續(xù)時間可以很長，仍會殘留少量隔離小孔 隙。 還有可能出現(xiàn)的現(xiàn)象：①粉末表面氣體或水分的蒸發(fā)。 ②氧化物的還原的離解。 ③顆粒內(nèi)應力的消除。 ④金屬的回復和再結(jié)晶以及聚晶長大等。 3. 用機械力表示燒結(jié)驅(qū)動力的表達式是怎樣？式中的負號代表什么含義？簡述 空位擴散驅(qū)動力公式推導的基本思路和原理。 答：①機械力表示的燒結(jié)驅(qū)動力表達式：。（參考書上模型） ：作用在燒結(jié)頸上的應力。：表面張力。：曲率半徑。 式中負號表示作用在曲頸面上的應力是張力，方向朝頸外。 ②空位擴散驅(qū)動力公式推導思路： 熱力學本質(zhì)：在燒結(jié)頸上產(chǎn)生的張應力減小了燒結(jié)球內(nèi)空位生成能。 （意味空位在張力作用下更容易生成。）具體推導公式見書。 過?？瘴粷舛龋河捎诳瘴簧赡艿臏p小，燒結(jié)頸處比燒結(jié)體內(nèi)更容易生成大 量空位，由此產(chǎn)生了空位濃度差，即過?？瘴粷舛龋ㄌ荻龋? 。（公式推導見書） 空位擴散：過?？瘴粷舛忍荻仁篃Y(jié)頸的空位向內(nèi)部擴散，同時燒結(jié)體內(nèi)部 的原子會相反得擴散到燒結(jié)頸使燒結(jié)頸長大。 4. 應用空位體積擴散的學說解釋燒結(jié)后期空隙尺寸和形狀的變化規(guī)律。 答：在燒結(jié)后期，在閉孔周圍物質(zhì)內(nèi)，表面應力使空位的濃度增大，不斷向燒結(jié) 體外擴散，引起孔隙收縮。根據(jù)空位體積擴散學說，空位源（大量產(chǎn)生空位 的地方）包括燒結(jié)頸表面，小孔隙表面，凹面，及位錯?？瘴浑拢ㄎ湛瘴? 的地方）包括晶界，平面，凸面，大孔隙表面，位錯等。因此，當空位由內(nèi) 孔隙向顆粒表面擴散以及空位由小孔隙向大孔隙表面擴散時，燒結(jié)體就發(fā)生 收縮，小孔隙不斷消失和平均空隙尺寸增大。 5. 從晶界擴散的燒結(jié)機構(gòu)出發(fā)，說明燒結(jié)金屬的晶粒長大（再結(jié)晶）與孔隙借空 位向或沿晶界擴散的關系。 答：一句話：燒結(jié)金屬的晶粒長大（后面單元系固相燒結(jié)中有講，晶粒長大一般 在燒結(jié)后期才會發(fā)生，后期的孔隙度小于10%的時候）過程，一般 就是通過晶界移動和孔隙消失的方式進行的。 解釋：晶界可以作為空位肼或擴散通道。 ①孔隙周圍的空位向晶界（空位肼）擴散被其吸收，使孔隙縮小，燒 結(jié)體收縮。 ②晶界上孔隙周圍的空位沿晶界（擴散通道）向兩端擴散，消失在燒 結(jié)體之外，也使孔隙縮小，燒結(jié)體收縮，晶粒長大。 6. 如何用燒結(jié)模型的研究方法判斷某種燒結(jié)過程的機構(gòu)？燒結(jié)溫度，時間，粉末 粒度是如何決定具體的燒結(jié)機構(gòu)的？某一燒結(jié)機構(gòu)占優(yōu)勢是什么含義？ 答：①蒸汽壓高的粉末的燒結(jié)以及通過氣氛活化的燒結(jié)中，蒸發(fā)與凝聚不失為重 要的機構(gòu)；在較低溫度或極細粉末的燒結(jié)中，表面擴散和晶界擴散可能是 主要的；對于等溫燒結(jié)過程，表面擴散只在早期階段對燒結(jié)頸的形成與長 大以及后期對孔隙的球化才有明顯的作用。但僅靠表面擴散不能引起燒結(jié) 體收縮。晶界擴散一般不作為孤立機構(gòu)影響燒結(jié)過程，常伴有體積擴散出 現(xiàn)。等溫燒結(jié)后期，體積擴散總是占優(yōu)勢。粘性流動只適用于非晶體物質(zhì)， 塑性流動是對粘性流動理論的補充，建立在金屬微蠕變理論基礎上。 ②溫度:溫度低時機構(gòu)一般有表面擴散，晶界擴散。溫度升高，體積擴散逐 漸變明顯。對于蒸發(fā)與凝聚也需要較高的溫度。 時間：早期表面擴散和晶界擴散為主，后期體積擴散占優(yōu)勢。 粉末粒度：粉末越細，表面擴散越明顯，粉末越粗，表面擴散越難進行， 因為表面能降低了，此時體積擴散占優(yōu)。 ③某一燒結(jié)機構(gòu)占優(yōu)：上述各種機構(gòu)可能同時或交替地出現(xiàn)在某一燒結(jié)過程 中，如果在特定條件下一種機構(gòu)占優(yōu)，限制著整個燒結(jié)過程的速度，那么 它的動力學方程就可作為實際燒結(jié)過程的近似描述。 7. 簡要敘述粉末粒度和壓制壓力如何影響單元系固相燒結(jié)體系的收縮值？ 答：①壓制壓力越大，壓坯密度就越高，徑向和軸向的收縮值都會降低。 但當壓力過高時，燒結(jié)體會膨脹。 ②粉末越細，形狀越接近球形，壓坯燒結(jié)時收縮率會降低，反之會升高。 8. 由燒結(jié)線收縮率和壓坯密度計算燒結(jié)坯密度的公式為，試 推導其公式，假定一壓坯（相對密度68%）燒結(jié)后，相對密度達到87%，試計 算線收縮率是多少？ 答：設軸向，徑向線收縮率相同，為，且燒結(jié)體為立方體。 則燒結(jié)前質(zhì)量 燒結(jié)后質(zhì)量 二者相等得 當時，即線收縮率為7.9%。 9. 分析影響互溶多元系固相燒結(jié)的因素。 答：多元系固相燒結(jié)實際上發(fā)生的是合金均勻化過程，而影響合金均勻化的是原 子之間的互擴散，我們只要搞清影響互溶多元系擴散的機制，就可以分析出 影響多元系固相燒結(jié)的因素。 影響因素：①原子半徑相差越大，互擴散速度越大； ②間隙式擴散比置換式擴散快。 ③原子在體心立方中擴散比在面心立方中快。 ④在金屬中溶解度小的組元，擴散速度往往較大。 ⑤對于互擴散系數(shù)不相等的組元，互擴散時會產(chǎn)生可肯達爾效 應，擴散快的組元會留下過?？瘴?，然后聚集成微孔隙，從而 使合金膨脹，致密化速率減慢。 ⑥添加第三元素可顯著改變B在A中的擴散速度，如加 V,Si,Cr,Mo,Ti,W等形成碳化物的元素會顯著降低碳在鐵中的擴 散速度。元素周期表中，靠鐵左邊屬于形成碳化物元素，降低 擴散速度，靠鐵右邊屬于非碳化物形成元素，增大擴散速度。 ⑦如果偏擴散留下的空位能溶解在晶格中，就能增大原子的活 性，促進燒結(jié)進行，相反，如果空位聚集成微孔，反將阻礙 燒結(jié)過程。（Cu-Ni） 對于Cu-Ni無限互溶系： ①燒結(jié)溫度:溫度升高，合金化越迅速。 ②燒結(jié)時間：時間越長，合金化程度越高。 ③粉末粒度：合金化速度隨粒度減小而增加。 ④壓坯密度：增大壓力使壓坯密度增大，促進合金化。 ⑤粉末原料：用預合金粉或復合粉比完全使用混合粉的合金化 時間要短。 ⑥雜質(zhì)：阻礙擴散從而阻礙合金化。 對于Fe-C有限互溶系： ①其他合金元素影響著C在Fe中的擴散速度，溶解度和分布。 ②隨C在Fe中溶解，燒結(jié)過程加快。 ③石墨粉的粒度和均勻程度對這一過程影響較大。 ④冷卻越快，硬度和強度也越高，緩慢冷卻，可能加速石墨化 過程。 10. 互不溶系固相燒結(jié)的熱力學條件是什么？為獲得理想的燒結(jié)組織，還應滿足 怎樣的充分條件？ 答：①熱力學條件：，即A-B的比界面能必須小于A,B單獨存在的 比表面能之和。 ②對于燒結(jié)體的收縮值， ,組元在相同條件下單獨燒結(jié)時的收縮值。 全部為A-B接觸時的收縮值。 ,為A，B的體積濃度。 當時，體系處于最理想的混合狀態(tài)，當 時，燒結(jié)后收縮偏大；當時，燒結(jié)收縮偏小。 11. 簡明闡述液相燒結(jié)的溶解-再析出機構(gòu)及對燒結(jié)后合金組織的影響. 答:溶解-再析出機構(gòu)： 固體顆粒逐漸溶解于液相。小顆粒，及顆粒表面的棱角和凸起部位（曲率 較大）優(yōu)先溶解，因此小顆粒趨于減小。大顆粒飽和溶解度低，液相中一 部分飽和原子在大顆粒表面沉析出來，使大顆粒長大（在負曲率部位析出）。 此機構(gòu)是通過液相進行的物質(zhì)遷移過程。 對燒結(jié)后合金組織的影響： ①使顆粒外形逐漸趨于球形，小顆粒減小或消失，大顆粒更加長大。 ②經(jīng)過溶解-再析出階段，固相連成大的顆粒，被液相分隔成孤立的小島。 12. 分析影響熔浸過程的因素和說明提高潤濕性的工藝措施有哪些？為什么？ 答：影響熔浸過程的因素： 潤濕角越小，粘性系數(shù)越小，孔隙度越大，金屬液張力越大，熔浸速度就越 快，反之速度越小。此外熔浸時間越久，熔浸進行得越充分。（公式見書。） 提高潤濕性的工藝措施： 熱力學要求： :粘著功，越大，潤濕性越好。 ①升高溫度，或延長液-固接觸時間：能減小潤濕角，因為升高溫度有利于 界面反應，金屬對氧化物潤濕時，界面反應吸熱。延長時間有利于通過界 面反應建立平衡。 ②加表面活性元素，如Cu中加Ni，Ni中加少量Mo?？山档鸵?固界面能。 ③粉末燒結(jié)前用干氫還原，除去水分和還原表面氧化膜，可改善液相燒結(jié)效 果：因為粉末表面吸附氣體，雜質(zhì)或有氧化膜，油污的存在，會降低表面 自由能，。 ④多數(shù)情況下，氫氣和真空有利于消除氧化膜，改善潤濕性。 13. 當采用氫氣，一氧化碳作還原性燒結(jié)氣氛時，為什么說隨溫度升高氫氣的還 原性比一氧化碳強？ 答：用氫氣還原時： 用一氧化碳還原時： 隨溫度的升高，用書中圖可知道會增大，而是隨溫度 升高而減小的。我們知道分壓比越大的話，所允許的實際，即水分， 二氧化碳的分壓就越多，越容易還原。所以溫度越高，水分允許分壓越高， 二氧化碳允許分壓越小，因此氫氣比一氧化碳還原性更好。 14. 可控碳勢氣氛的制取原理是什么？如何控制該氣氛的各種氣體成分的比例？ 指出其中的還原性和滲碳性氣體成分。 答：制取原理： ①放熱型氣氛：碳氫化合物（甲烷，丙烷等）是天然氣，焦爐煤氣，石油 氣的重要成分。以這些氣體為原料，采用空氣或水蒸氣在高 溫下進行轉(zhuǎn)化（部分燃燒），從而得到一種混合的轉(zhuǎn)化氣。 當用空氣轉(zhuǎn)化而空氣與煤氣比例較高時，轉(zhuǎn)化過程中反應放 出的熱量足夠維持轉(zhuǎn)化器的反應溫度，轉(zhuǎn)化效率較高，這樣 的混合氣為放熱性氣體。 ②吸熱型氣氛：若空氣與煤氣比例較小，轉(zhuǎn)化過程放出的熱量不足以維持反 應所需的溫度而要從外部加熱轉(zhuǎn)化器，這樣的混合氣為吸熱 型氣氛。 如何控制比例：將空氣與甲烷按2-10比例混合時， ①若混合比為5.5-10，得到放熱性氣氛分為富，中，貧（混合比依次降低） 三類，富氣含氫氣體積8%-16%，含CO較高，但二氧化碳，水氣，氮氣 成分較低，貧氣含氫氣體積0-0.5%， ②當混合比為2-4時，得到的吸熱型氣氛分為富（氫氣37%-40%），貧（氫 氣30%-36%）兩類氣體。顯然吸熱型氣氛氫氣含量高，還原性強。 脫碳性氣氛：氫氣，二氧化碳,水蒸氣。 滲碳性氣氛：甲烷，CO。 還原性氣氛：氫氣。 15. 何謂碳勢？用天然氣的熱離解氣作燒結(jié)氣氛，其滲碳反應式是怎樣的？隨溫 度升高，哪一種反應使碳勢升高？為什么？ 答：碳勢：指該氣氛與含碳量一定的燒結(jié)燒結(jié)材料在某種溫度下維持平衡（不滲 碳，也不脫碳時），該材料的含碳量。 甲烷氣氛時滲碳反應式： 隨溫度升高，用滲碳的反應碳勢升高。根據(jù)書中圖，隨著溫度升高， 臨界分壓比值不斷減小，脫碳作用增強（因為允許的二氧化碳分、 壓小了，多余二氧化碳會使反應向脫碳方向移動），碳勢降低。而隨溫度升 高，臨界分壓比值也不斷減小，滲碳作用增強（反應向滲碳方向移 動），促進碳勢增長。 16. 活化燒結(jié)和強化燒結(jié)的準確含義有什么不同？簡單說明用Ni等過渡金屬活化 燒結(jié)鎢的基本原理和燒結(jié)機構(gòu)。 答：區(qū)別：活化燒結(jié)是目的是降低燒結(jié)活化能Q,從而使燒結(jié)反應更容易進行。 而強化燒結(jié)，如熱壓，通過改善燒結(jié)粉末的接觸情況，增大反應原子 碰撞的“頻率因素”，來促進反應，不涉及活化能的改變，嚴格來說， 不屬于活化。（但現(xiàn)代觀點廣義強化燒結(jié)包含熱壓，液相燒結(jié)，活化 燒結(jié)等） 原理和燒結(jié)機構(gòu)：首先鎳在鎢顆粒表面形成所謂的“載體相”，然后鎢原子 通過該相向鎳中不斷擴散，和液相燒結(jié)時液相成為物質(zhì)遷 移的載體有類似的地方；而固相燒結(jié)時，載體相并不熔化， 擴散的結(jié)果使鎢的顆粒不斷靠攏，粉末坯體不斷收縮，由 于鎢與鎳等金屬的互擴散系數(shù)不相等，無顆粒表面層留下 大量空位，有助于物質(zhì)遷移。當活化金屬層超過一定厚度 時，燒結(jié)致密化就會降低。鎳活化燒結(jié)鎢的燒結(jié)機構(gòu)大都 認為是體積擴散。 17. 熱壓工藝的基本特點是怎樣的？它與熱等靜壓有什么異同點？ 答：特點：①熱壓可將壓制和燒結(jié)兩個工序一并完成，可以在較低壓力下迅速獲 得冷壓燒結(jié)所達不到的密度。 ②優(yōu)點：大大降低成型壓力和縮短燒結(jié)時間，可以制得密度極高和晶 粒極細的材料。 ③缺點：對壓膜要求高，難以選擇，而卻壓膜壽命短，耗費大； 單件生產(chǎn)效率低； 電能和壓膜消耗多，效率低，制品成本高； 制品表面粗糙，精度低，一般需要清理和機加工。 與熱等靜壓的相同點：兩者都通過加壓和高溫來強化壓制與燒結(jié)過程，降低 燒結(jié)溫度，改善晶粒結(jié)構(gòu)，提高材料致密度和強度。 與熱等靜壓不同點：①熱等靜壓壓力比熱壓高很多，熱等靜壓壓力到了 100MPa左右，而熱壓一般最多20-30MPa. ②同一種制品熱等靜壓制取的制品密度要比熱壓制取的 制品高。 ③同一制品熱等靜壓的溫度要比熱壓低。 ④熱等靜壓對粉末坯施加的力屬于氣靜壓力，各個方向 力大小相同，而熱壓僅是軸向壓力。因此熱等靜壓可 以壓制些形狀復雜的材料。 18. 用塑性流動理論（默瑞方程為代表）說明熱壓工藝參數(shù)對致密化的影響。 答：根據(jù)默瑞的熱壓致密化方程 ①當熱壓溫度不變，增大熱壓壓力P可提高密度； ②當壓力不變時，溫度升高，屈服極限降低，密度也提高。 19. 擴散蠕變的理論要點是什么？簡單說明晶粒長大（再結(jié)晶）與致密化的關系. 答：理論要點：擴散蠕變考慮了晶界作用和晶粒大小的影響，且粘性系數(shù)和擴散 系數(shù)，溫度晶粒大小有關。如硬質(zhì)粉末熱壓的后期認為是受擴散 控制的蠕變過程。 關系：晶粒長大使致密化速度降低。達到終極密度后，致密化過程完全停止。 這是熱壓致密化過程的第三階段。