粉末冶金原理-黃培云燒結這章思考題及答案.doc

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燒結這章思考題 1. 燒結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 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燒結為什么會發(fā)生？也就是燒結驅動力或熱力學的 問題。 ②燒結是怎樣進行的？燒結的機構和動力學問題。 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，而實際上燒結體總是具有更多熱平衡缺陷的多晶體，因此燒結過 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. 粉末等溫燒結的三個階段是怎樣劃分的？實際燒結過程還包括哪些現象？ 答：①粘結階段：顆粒間接觸再通過成核，結晶長大等形成燒結頸。 特點：顆粒內晶粒不發(fā)生變化，顆粒外形也基本未變，燒結體 不收縮，密度增加極微，強度和導電性有明顯增加（因 顆粒結合面增大） ②燒結頸長大階段：燒結頸長大，顆粒間形成連續(xù)空隙網絡。晶粒長大使晶 界掃過的地方空隙大量消失。 特點：燒結體收縮，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：燒結體緩慢收縮（但主要靠小孔消失和孔隙數量的減少 來實現），持續(xù)時間可以很長，仍會殘留少量隔離小孔 隙。 還有可能出現的現象：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顆粒內應力的消除。 ④金屬的回復和再結晶以及聚晶長大等。 3. 用機械力表示燒結驅動力的表達式是怎樣？式中的負號代表什么含義？簡述 空位擴散驅動力公式推導的基本思路和原理。 答：①機械力表示的燒結驅動力表達式：。（參考書上模型） ：作用在燒結頸上的應力。：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空位擴散驅動力公式推導思路： 熱力學本質：在燒結頸上產生的張應力減小了燒結球內空位生成能。 （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，燒結頸處比燒結體內更容易生成大 量空位，由此產生了空位濃度差，即過剩空位濃度（梯度） 。（公式推導見書） 空位擴散：過?？瘴粷舛忍荻仁篃Y頸的空位向內部擴散，同時燒結體內部 的原子會相反得擴散到燒結頸使燒結頸長大。 4. 應用空位體積擴散的學說解釋燒結后期空隙尺寸和形狀的變化規(guī)律。 答：在燒結后期，在閉孔周圍物質內，表面應力使空位的濃度增大，不斷向燒結 體外擴散，引起孔隙收縮。根據空位體積擴散學說，空位源（大量產生空位 的地方）包括燒結頸表面，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 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. 從晶界擴散的燒結機構出發(fā)，說明燒結金屬的晶粒長大（再結晶）與孔隙借空 位向或沿晶界擴散的關系。 答：一句話：燒結金屬的晶粒長大（后面單元系固相燒結中有講，晶粒長大一般 在燒結后期才會發(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 結體之外，也使孔隙縮小，燒結體收縮，晶粒長大。 6. 如何用燒結模型的研究方法判斷某種燒結過程的機構？燒結溫度，時間，粉末 粒度是如何決定具體的燒結機構的？某一燒結機構占優(yōu)勢是什么含義？ 答：①蒸汽壓高的粉末的燒結以及通過氣氛活化的燒結中，蒸發(fā)與凝聚不失為重 要的機構；在較低溫度或極細粉末的燒結中，表面擴散和晶界擴散可能是 主要的；對于等溫燒結過程，表面擴散只在早期階段對燒結頸的形成與長 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 體收縮。晶界擴散一般不作為孤立機構影響燒結過程，常伴有體積擴散出 現。等溫燒結后期，體積擴散總是占優(yōu)勢。粘性流動只適用于非晶體物質， 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某一燒結機構占優(yōu)：上述各種機構可能同時或交替地出現在某一燒結過程 中，如果在特定條件下一種機構占優(yōu)，限制著整個燒結過程的速度，那么 它的動力學方程就可作為實際燒結過程的近似描述。 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，燒結體會膨脹。 ②粉末越細，形狀越接近球形，壓坯燒結時收縮率會降低，反之會升高。 8. 由燒結線收縮率和壓坯密度計算燒結坯密度的公式為，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，且燒結體為立方體。 則燒結前質量 燒結后質量 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的因素。 答：多元系固相燒結實際上發(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對于互擴散系數不相等的組元，互擴散時會產生可肯達爾效 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，促進燒結進行，相反，如果空位聚集成微孔，反將阻礙 燒結過程。（Cu-Ni） 對于Cu-Ni無限互溶系： ①燒結溫度:溫度升高，合金化越迅速。 ②燒結時間：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：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. 互不溶系固相燒結的熱力學條件是什么？為獲得理想的燒結組織，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對于燒結體的收縮值， ,組元在相同條件下單獨燒結時的收縮值。 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，燒結后收縮偏大；當時，燒結收縮偏小。 11. 簡明闡述液相燒結的溶解-再析出機構及對燒結后合金組織的影響. 答:溶解-再析出機構： 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）。 此機構是通過液相進行的物質遷移過程。 對燒結后合金組織的影響： 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，可改善液相燒結效 果：因為粉末表面吸附氣體，雜質或有氧化膜，油污的存在，會降低表面 自由能，。 ④多數情況下，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 溫下進行轉化（部分燃燒），從而得到一種混合的轉化氣。 當用空氣轉化而空氣與煤氣比例較高時，轉化過程中反應放 出的熱量足夠維持轉化器的反應溫度，轉化效率較高，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燒結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. 活化燒結和強化燒結的準確含義有什么不同？簡單說明用Ni等過渡金屬活化 燒結鎢的基本原理和燒結機構。 答：區(qū)別：活化燒結是目的是降低燒結活化能Q,從而使燒結反應更容易進行。 而強化燒結，如熱壓，通過改善燒結粉末的接觸情況，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。（但現代觀點廣義強化燒結包含熱壓，液相燒結，活化 燒結等） 原理和燒結機構：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，和液相燒結時液相成為物質遷 移的載體有類似的地方；而固相燒結時，載體相并不熔化， 擴散的結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不相等，無顆粒表面層留下 大量空位，有助于物質遷移。當活化金屬層超過一定厚度 時，燒結致密化就會降低。鎳活化燒結鎢的燒結機構大都 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兩個工序一并完成，可以在較低壓力下迅速獲 得冷壓燒結所達不到的密度。 ②優(yōu)點：大大降低成型壓力和縮短燒結時間，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過程，降低 燒結溫度，改善晶粒結構，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）說明熱壓工藝參數對致密化的影響。 答：根據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，且粘性系數和擴散 系數，溫度晶粒大小有關。如硬質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。