燒結(jié)理論1課件

1、粉末冶金原理 第四章 燒結(jié)理論 Theory of Sintering程繼貴jgcheng63 材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering8/1/20221 本章內(nèi)容4.1 概述4.2 燒結(jié)過(guò)程熱力學(xué)4.3 燒結(jié)機(jī)構(gòu)4.4 單元系燒結(jié)4.5 多元系固相燒結(jié)4.6 液相燒結(jié)4.7 熱壓和活化燒結(jié)School of Materials Science and Engineering8/1/20222一、基本概念（一） 燒結(jié)的定義 簡(jiǎn)單描述：燒結(jié)（Sintering）指粉末或粉末壓坯在適當(dāng)溫度、氣氛下受熱，借助于原子遷移實(shí)現(xiàn)顆粒間聯(lián)結(jié)的過(guò)

2、程。 定義：粉末或粉末壓坯在一定的氣氛中，在低于其主要成分熔點(diǎn)的溫度下加熱而獲得具有一定組織和性能的材料或制品的過(guò)程。 比較：燒結(jié)、燒成、煅燒、固相反應(yīng)的概念 第一節(jié) 概述School of Materials Science and Engineering8/1/20223 粉末也可以燒結(jié)（不一定要成形） 松裝燒結(jié)，制造過(guò)濾材料（不銹鋼，青銅，黃銅，鈦等）和催化材料（鐵，鎳，鉑等）等。對(duì)燒結(jié)定義的理解-1：School of Materials Science and Engineering8/1/20224 燒結(jié)的目的 依靠熱激活作用，使原子發(fā)生遷移，粉末顆粒形成冶金結(jié)合。Mechanic

3、al interlocking or physical bonging Metallurgical bonding 改善燒結(jié)體組織 提高燒結(jié)體強(qiáng)度 等性能對(duì)燒結(jié)定義的理解-2：School of Materials Science and Engineering8/1/20225 低于主要組分熔點(diǎn)的溫度* 固相燒結(jié) 燒結(jié)溫度低于所有組分的熔點(diǎn)* 液相燒結(jié) 燒結(jié)溫度低于主要組分的熔點(diǎn)， 但可能高于次要組分的熔點(diǎn)： WC-Co合金， W-Cu-Ni合金對(duì)燒結(jié)定義的理解-3：School of Materials Science and Engineering8/1/20226燒結(jié)的重要性1）粉末冶

4、金生產(chǎn)中不可缺少的基本工序之一 （磁粉芯和粘結(jié)磁性材料例外）2）對(duì)PM制品的性能有決定的影響（燒結(jié)廢品很難補(bǔ)救， 如鐵基部件的脫滲碳和嚴(yán)重的燒結(jié)變形）3）燒結(jié)消耗是構(gòu)成粉末冶金產(chǎn)品成本的重要組成部分 （設(shè)備、高溫、長(zhǎng)時(shí)間、保護(hù)氣氛）。4）納米塊體材料的獲得依 賴(lài)燒結(jié)過(guò)程的控制（二） 燒結(jié)的重要性School of Materials Science and Engineering8/1/20227（三） 燒結(jié)的分類(lèi)熱等靜壓粉末體燒結(jié)類(lèi)型不施加外壓力液相燒結(jié)固相燒結(jié)單相粉末多相粉末長(zhǎng)存液相瞬時(shí)液相超固相線燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)活化燒結(jié)強(qiáng)化燒結(jié)施加外壓力熱壓熱鍛液相熱壓反應(yīng)熱壓反應(yīng)熱等靜壓School of

5、 Materials Science and Engineering8/1/20228加壓燒結(jié)（有壓燒結(jié)） 施加外壓力 (Applied pressure or pressure-assisted sintering) ，熱等靜壓 HIP、熱壓HP等 無(wú)壓燒結(jié) (Pressureless sintering) 包括：固相燒結(jié)、液相燒結(jié)等 按燒結(jié)過(guò)程有無(wú)外加壓力School of Materials Science and Engineering8/1/20229單元系固相燒結(jié)：?jiǎn)蜗啵兘饘?、化合物、固溶體）粉末的燒結(jié)：燒結(jié)過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)、無(wú)新相形成、無(wú)物質(zhì)聚集狀態(tài)的改變。固相燒結(jié)：多元系固相燒

6、結(jié)： 兩種或兩種以上組元粉末的燒結(jié)過(guò)程，包括反應(yīng)燒結(jié)等。無(wú)限固溶系：Cu-Ni、Cu-Au、Ag-Au等有限固溶系：Fe-C、Fe-Ni、Fe-Cu、W-Ni等互不固溶系：Ag-W、Cu-W、Cu-C等按燒結(jié)過(guò)程有無(wú)液相出現(xiàn)School of Materials Science and Engineering8/1/202210在燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)液相的燒結(jié)。 包括：穩(wěn)定液相（長(zhǎng)存液相）燒結(jié) 不穩(wěn)定液相（瞬時(shí)液相）燒結(jié) 液相燒結(jié)School of Materials Science and Engineering8/1/202211二、燒結(jié)理論研究的目的、范疇和方法研究目的：研究粉末壓坯在燒結(jié)過(guò)程

7、中微觀結(jié)構(gòu)的演化(microstructure evolution)和物質(zhì)傳遞規(guī)律，包括 孔隙數(shù)量或體積的演化致密化晶體尺寸的演化晶粒的形成與長(zhǎng)大 （納米金屬粉末和硬質(zhì)合金）孔隙形狀的演化孔隙的連通與封閉孔隙尺寸及其分布的演化孔隙粗化、收縮和分布School of Materials Science and Engineering8/1/202212燒結(jié)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力燒結(jié)熱力學(xué)，即解決Why的問(wèn)題燒結(jié)動(dòng)力學(xué)燒結(jié)機(jī)構(gòu)，即解決How的問(wèn)題，即物質(zhì)遷移方式和遷移速度物質(zhì)遷移方式上述理論在典型燒結(jié)體系中的應(yīng)用研究范疇：School of Materials Science and Engineering

8、8/1/202213燒結(jié)幾何學(xué)燒結(jié)物理學(xué)燒結(jié)化學(xué)計(jì)算機(jī)模擬燒結(jié)模型：兩球模型、球-板模型物質(zhì)遷移機(jī)構(gòu)：擴(kuò)散、流動(dòng)組元間的反應(yīng)（溶解、形成化合物）及與氣氛間的反應(yīng)借助于建立物理、幾何或化學(xué)模型，進(jìn)行燒結(jié)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬（蒙特-卡洛模擬）研究方法：School of Materials Science and Engineering8/1/202214三、燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展 外力的引入（加壓同時(shí)燒結(jié)）： HP、HIP、超高壓燒結(jié)（納米晶材料）等 氣壓燒結(jié)8/1/2022158/1/202216第二節(jié) 燒結(jié)過(guò)程熱力學(xué)一、燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力 driving force for sintering 燒結(jié)過(guò)程中，粉末

9、系統(tǒng)自由能的降低是燒結(jié)進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)力。 單元系中粉末顆粒處于化學(xué)平衡態(tài)，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自系統(tǒng)過(guò)剩自由能的降低。 1. 單元系燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源8/1/202217系統(tǒng)的過(guò)剩自由能包括：1）總界面積和總界面能的減小 E=s.As+gb.Agb/2 （主要） As自由表面積, Agb晶界面積 單晶時(shí)Agb=0，則為總表面能減小2）粉末顆粒晶格畸變和部分缺陷（如空位,位錯(cuò)等）的消除 此部分能量的高低與粉末加工過(guò)程有關(guān)8/1/2022182. 多元系燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自體系的自由能降低： G = H-TS G0 且0此時(shí)體系自由能包括反應(yīng)自由能，體系自由能降低的數(shù)值遠(yuǎn)大于表面能的降低，表面

10、能的降低處于輔助地位8/1/202219對(duì)擴(kuò)散合金化（互溶多元系固相燒結(jié)） 合金元素的擴(kuò)散導(dǎo)致體系熵增S增大 G= -T S 0 若形成化合物 H 0， -TS 0 G0, 且絕對(duì)值很大8/1/202220 顆粒尺寸10m的粉末的界面能降低為1-10J/mol，而化學(xué)反應(yīng)的自由能降低一般為100-1000J/mol, 比前者大了兩個(gè)數(shù)量級(jí) 合金化可看成是一種特殊的化學(xué)反應(yīng)，其燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自于體系（反應(yīng)）自由能的降低例如：升高溫度也是降低反應(yīng)自由能的重要途徑之一手段！8/1/202221二、燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算（一）作用在燒結(jié)頸上的原動(dòng)力 (driving force for neck grow

11、th)（二）擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力(driving force for diffusion)（三）蒸發(fā)-凝聚物質(zhì)遷移動(dòng)力蒸汽壓差（四）燒結(jié)收縮應(yīng)力（補(bǔ)）宏觀燒結(jié)應(yīng)力包括：8/1/202222（一） 作用在燒結(jié)頸上的張應(yīng)力（燒結(jié)的機(jī)械應(yīng)力） （Driving force for neck growth）燒結(jié)頸（sintering neck）： 燒結(jié)時(shí)，兩相鄰顆粒間相互接觸并不斷長(zhǎng)大的區(qū)域。8/1/2022231. 燒結(jié)初期： 由Young-Laplace方程，彎曲表面（曲面）上某點(diǎn)的應(yīng)力： =(1/r1+1/r2) r1、r2 兩個(gè)主曲率半徑 表面張力則，燒結(jié)頸表 面上的應(yīng)力： =(1/x-1/) -/ （

12、x）8/1/202224 負(fù)號(hào)表示作用在頸部應(yīng)力指向頸外，為張 （拉）應(yīng)力； 張應(yīng)力導(dǎo)致燒結(jié)頸長(zhǎng)大，孔隙體積收縮； 隨著燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，的數(shù)值增 大，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力逐步減小。=(1/x-1/) - / （1）8/1/202225 此時(shí)孔隙網(wǎng)絡(luò)形成，燒結(jié)頸長(zhǎng)大。 有效燒結(jié)應(yīng)力Ps為： Ps =Pv-/ Pv為燒結(jié)氣氛的壓力，若在真空中，為0 真空燒結(jié)的優(yōu)勢(shì)！2. 燒結(jié)中期 （2）8/1/2022263. 燒結(jié)后期 孔隙網(wǎng)絡(luò)坍塌，形成孤立孔隙封閉的孔隙中的氣氛 壓力隨孔隙尺寸D（r）收縮而增大。 由氣態(tài)方程PvVp=nRT得： 孔隙中氣氛壓力：Pv = 6nRT/(D3)8/1/202227 此時(shí)的燒

13、結(jié)驅(qū)動(dòng)力（頸部張應(yīng)力）： =- 4/D = - 2/r 有效燒結(jié)應(yīng)力（驅(qū)動(dòng)力）： Ps =P v - 4/D = P v - 2/r 當(dāng)Ps=0，即封閉在孔隙中的氣氛壓力與燒結(jié)應(yīng)力 達(dá)到平衡， 孔隙收縮停止，最小孔徑為： D min= (Po/4)1/2 Do 3/（Po、Do 平衡氣氛壓力、壓坯孔隙尺寸） （3）8/1/202228 減小殘留孔隙的措施減小氣氛壓力（如真空）較小的Do（細(xì)粉末與粒度組成，較高的壓制壓力）提高（活化燒結(jié)等）8/1/202229（二） 燒結(jié)的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力空位濃度梯度 (Driving force for atom diffusion)處于平衡狀態(tài)時(shí)，平衡空位濃度：

14、Cvo = exp (Sf / k )exp (-Efo / k T )Exp (Sf /k ) 振動(dòng)熵項(xiàng)，Sf 為生成一個(gè)空位造成系 統(tǒng)熵值的變化exp(-Efo/kT)空位形成能項(xiàng) 8/1/202230Efo無(wú)應(yīng)力時(shí)生成一個(gè)空位所需的能量 在燒結(jié)頸部因受到拉應(yīng)力的作用，空位形成能降低 產(chǎn)生過(guò)?？瘴粷舛?，使燒結(jié)頸處空位濃度大于平衡空位濃度有應(yīng)力存在時(shí)，空位形成能值發(fā)生改變： 壓縮應(yīng)力： E f = E f o - 拉伸應(yīng)力： E f = E f o + 應(yīng)力對(duì)空位所作的功 8/1/202231此時(shí)頸部空位濃度為： Cv = exp (Sf/k) exp-（Efo-) / k T = exp

15、(Sf/k) exp（-Efo/ k T） exp（ / k T） =Cv0 exp（ / k T）由于kT，/kT0，exp（ / k T)= 1+ / k T 所以： Cv= Cv0 + Cv0 / k T頸部空位濃度與平衡空位濃度之差為： Cv= Cv Cvo = Cv0 / k T又= -/（負(fù)號(hào)僅表示應(yīng)力性質(zhì)），故： Cv=Cvo/（kT） （0）8/1/202232 考慮在燒結(jié)頸部與附近區(qū)域（線度為 ）空位濃度的差異，有： 空位濃度梯度：Cv= Cvo/（kT2） 可以發(fā)現(xiàn)： （活化）、（細(xì)粉），均有利于提高空位濃度梯度，增加燒結(jié)的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力8/1/202233（三）蒸發(fā)-凝聚氣相

16、遷移動(dòng)力飽和蒸汽壓差 (Driving force for mass transportation by evaporation-condensation) 主要在三類(lèi)體系中起作用： 蒸汽壓較高材料：Mg、Zn、Cd、CdO等 高溫下: 接近燒結(jié)材料的熔點(diǎn) 化學(xué)活化：添加氯離子的燒結(jié)、納米粉末的燒結(jié)8/1/202234由Gibbs-Kelvin公式得曲面與平面的飽和蒸汽壓差： P=Po/(kTR) Po 平面的飽和蒸氣壓； R 曲面的曲率半徑。8/1/202235球面（顆粒表面）與平面的蒸汽壓差： Pa=2Po/(kTa) ，R=a/2（a顆粒半徑）燒結(jié)頸面表面與平面的蒸汽壓差： P=Po/(

17、kTR) ， R=-兩者間（顆粒表面與頸表面）壓差： P =Pa-P = Po/(kT)(2/a+1/) Po/(kT) （a）（0） 說(shuō)明物質(zhì)由顆粒表面蒸發(fā)，在燒結(jié)頸表面沉積 隨著燒結(jié)頸長(zhǎng)大，壓差8/1/202236第三節(jié) 燒結(jié)機(jī)構(gòu)一、概述（一） 內(nèi)涵 燒結(jié)機(jī)構(gòu) 研究燒結(jié)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題燒結(jié)機(jī)構(gòu)：燒結(jié)過(guò)程中物質(zhì)遷移的方式（transport way）和遷移速率（ transport rate）燒結(jié)機(jī)理：燒結(jié)過(guò)程中孔隙減少、物質(zhì)遷移的物理化學(xué)本質(zhì) （內(nèi)涵更廣）8/1/202237（二） 燒結(jié)機(jī)構(gòu)的分類(lèi)燒結(jié)機(jī)構(gòu)示意圖8/1/202238 表面遷移：SS 表面擴(kuò)散(surface diffusion)

18、：顆粒表面層原子向頸部擴(kuò)散。 蒸發(fā)-凝聚(evaporation-condensation)： 顆粒表面層原子向空間蒸發(fā)，借蒸汽壓差通過(guò)氣相向頸部空間擴(kuò)散，沉積在頸部。8/1/202239宏觀遷移：VV 體積擴(kuò)散(volume or lattice diffusion)：借助于空位運(yùn) 動(dòng)，原子等向頸部遷移。 粘性流動(dòng)(viscous flow)：非晶材料，在剪切應(yīng)力作用下， 產(chǎn)生粘性流動(dòng)，物質(zhì)向頸部遷移。 塑性流動(dòng)(plastic flow)：燒結(jié)溫度接近物質(zhì)熔點(diǎn)，當(dāng)頸部 的拉伸應(yīng)力大于物質(zhì)的屈服強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生塑性變形，導(dǎo) 致物質(zhì)向頸部遷移。 晶界擴(kuò)散(grain boundary diffus

19、ion)：晶界為快速擴(kuò)散通 道。原子沿晶界向頸部遷移。 8/1/202240 建立簡(jiǎn)單的幾何模型，如兩球模型； 選定表征燒結(jié)過(guò)程的可測(cè)的幾何參數(shù)，如燒結(jié)頸尺寸，中心距； 假定某一物質(zhì)遷移方式，建立物質(zhì)流的微分方程； 根據(jù)具體邊界條件求解微分方程解析式（可測(cè)參數(shù)與時(shí)間關(guān)系）； 模擬燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所得函數(shù)關(guān)系確定該物質(zhì)遷移機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性.（三）燒結(jié)機(jī)構(gòu)研究方法與步驟8/1/202241（四） 燒結(jié)幾何模型燒結(jié)幾何模型的引入為燒結(jié)機(jī)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)1. 雙球幾何模型 兩球相切模型（第一模型）兩球相切，兩球中心距不變。幾何關(guān)系： = x2/2a A = 2x3/a V =x4/a兩球相切a-

20、顆粒半徑 x-燒結(jié)頸半徑 燒結(jié)頸曲率半徑 8/1/202242 兩球相交（貫穿）模型 （第二燒結(jié)模型） 燒結(jié)過(guò)程中兩球中心距縮小 幾何關(guān)系： = x2/4a A = x3/2a V =x4/4a兩球貫穿8/1/202243 球-平板模型 幾何關(guān)系關(guān)系與兩球相切模型相同： = x2/2a A = 2x3/a V =x4/a問(wèn)題：經(jīng)典燒結(jié)模型的有無(wú)局限性？8/1/202244二、不同燒結(jié)機(jī)構(gòu)的特征方程（動(dòng)力學(xué)方程）（一）粘性流動(dòng)燒結(jié)機(jī)構(gòu) 粘性流動(dòng)：在小的應(yīng)力作用下，應(yīng)變速度開(kāi)始隨時(shí)間變化（降低）很快，但隨時(shí)間延長(zhǎng)，最后趨于一個(gè)常數(shù)。 粘性流動(dòng)機(jī)構(gòu)由Freckle、Kuczynski分別提出Fren

21、kle所作的兩個(gè)假設(shè)：a. 燒結(jié)體是不可壓縮的牛頓粘性流體b. 流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力是表面能對(duì)它做功，并以摩擦功形式 散失8/1/202245單位時(shí)間內(nèi)，單位體積內(nèi)散失的能量為，表面降低對(duì)粘性流動(dòng)做的體積功為.d A/d t 則：V=d A/d t經(jīng)幾何變換和微分處理，得特征方程： x2/a = (3/2)/.t 或： (x/a)2 = (3/2)/(a).t x2 與 t成線性關(guān)系 2ln(x/a) = A + ln t簡(jiǎn)單的處理：8/1/202246以ln(x/a)作縱坐標(biāo)、 ln t作橫坐標(biāo)繪制實(shí)驗(yàn)測(cè)定值直線，若其斜率為1/2則粘性流動(dòng)為燒結(jié)的物質(zhì)遷移機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：8/1/202247Kac

22、zynski處理： =d/d t，且與成正比， d/d t與d x/d t成正比 有：/=Kd x/(d t)考慮到=x2/2a 有： x2/a = k/t （與Frenkle結(jié)論相同） 由粘性流動(dòng)造成球形孔隙收縮速率為 d r/d t=-3/(4) （均勻收縮）8/1/202248孔隙消除所需時(shí)間為： t=4/(3)Ro （Ro為孔隙初始半徑）在時(shí)刻t孔隙尺寸R為： Ro-R=2/t燒結(jié)特征方程符合：x m/an =F(T)t8/1/202249蒸發(fā)-凝聚：由于飽和蒸汽壓差的存在，使物質(zhì)由表面蒸汽壓較高的顆粒表面蒸發(fā)，再在燒結(jié)頸表面冷凝沉積。燒結(jié)頸對(duì)平面的蒸汽壓差：P=-P o /(KT)當(dāng)

23、球徑比燒結(jié)頸半徑大很多時(shí)，球表面與平面的蒸汽壓差P=Pa-P o可以忽略不計(jì)。（二）蒸發(fā)-凝聚燒結(jié)機(jī)構(gòu)8/1/202250故燒結(jié)頸與球表面的蒸汽壓差為： P= - P a /(KT) （P o用Pa代替）單位時(shí)間內(nèi)凝聚在燒結(jié)頸表面的物質(zhì)量由Langmuir公式計(jì)算： m=P(M/2RT)1/2（M為原子量）頸長(zhǎng)大速度： dV / dt = A (m / d) A頸表面積；d物質(zhì)密度經(jīng)幾何計(jì)算、變換和積分，得： x3/a=3M(M/2RT)1/2P a /(d2RT)t注意：M=N d 及k=KN x3/a = kt8/1/202251（三）體積擴(kuò)散（volume diffusion）燒結(jié)機(jī)構(gòu)8

24、/1/202252體積擴(kuò)散：由于空位或原子濃度梯度而導(dǎo)致的物質(zhì) 遷移。 燒結(jié)動(dòng)力學(xué)特征方程推導(dǎo)：燒結(jié)頸長(zhǎng)大是頸表面附近的空位向球體內(nèi)擴(kuò)散， 球內(nèi)部原子向頸部遷移的結(jié)果 8/1/202253頸長(zhǎng)大的連續(xù)方程： d v/d t=J v.A. J v單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)頸的單位面積空位個(gè)數(shù)，即空位流速率由Fick第一定律： J v=D vC v= D v C v/ D v/空位擴(kuò)散系數(shù)8/1/202254 用體積來(lái)表示原子擴(kuò)散系數(shù)，即 ： D v = D v/C v o =D v o.e x p(-Q/RT) dv/dt = A D v.C v/其中A=(2x).(2) = 2x3/a V=x2.2= x

25、4/a， 由=x2/2a 有：x5/a2=20Dv/kTt （1）按Kingery-Berge方程：=x2/4a x5/a2 = 80Dv/kT t （2）（1）、（2）式即為體積擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)方程8/1/202255 孔隙收縮動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)： 孔隙表面的過(guò)?？瘴粷舛龋?Cv = Cvo /（k T r）若孔隙表面至晶界的平均距離與孔徑處于同一數(shù)量級(jí)， 則空位濃度梯度： C v=C v o /（kTr2）由Fick第一定律： d r/d t= D vC v = D v /（kTr2）分離變量并積分： ro3-r3 = 3/（k T）D v t8/1/202256線收縮率動(dòng)力學(xué)方程：由第二燒結(jié)幾

26、何模型：a/a=1-Cos=2Sin2(/2) =2(/2)2 =x/a很小 =x2/2a2 = L/L 與Kingery-Berge燒結(jié)動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立 L/L o =(20Dv/21/2kT)2/5t2/5 L/L o可用膨脹法測(cè)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證： lnL/Lolnt作曲線，斜率為2/58/1/202257（四）表面擴(kuò)散（Surface diffusion）燒結(jié)機(jī)構(gòu)表面擴(kuò)散：原子或空位沿顆粒表面進(jìn)行遷移基本觀點(diǎn)： 低溫時(shí)，表面擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，而在高溫下，讓位于體積擴(kuò)散 細(xì)粉末的表面擴(kuò)散作用大 燒結(jié)早期孔隙連通，表面擴(kuò)散的結(jié)果導(dǎo)致小孔隙的縮小與消失，大孔隙長(zhǎng)大 燒結(jié)后期表面擴(kuò)散導(dǎo)致孔隙球化 金屬粉末

27、表面氧化物的還原，提高表面擴(kuò)散活性8/1/202258 表面擴(kuò)散與體積擴(kuò)散的擴(kuò)散激活能差別不大，但D v oD so，故D vDs燒結(jié)動(dòng)力學(xué)方程：Kuczynski: x7/a3=(56Ds4/k T)tRocland: x7/a3=(34Ds4/k T )tCabrera：x6/a2 = k/t 為表面層厚度，采用強(qiáng)烈機(jī)械活化可提高有效表面活性的厚度，從而加快燒結(jié)速度。8/1/202259（五）晶界擴(kuò)散（GB diffusion）晶界擴(kuò)散：原子或空位沿晶界進(jìn)行遷移 晶界是空位的“阱”（Sink），對(duì)燒結(jié)的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在： 晶界與孔隙連接，易使孔隙消失 晶界擴(kuò)散激活能僅為體積擴(kuò)散的一半，D gbD

28、v 細(xì)粉燒結(jié)時(shí)，在低溫起主導(dǎo)作用，并引起體積收縮動(dòng)力學(xué)方程 x6/a2 = (960Dgb4/k T) t （=晶界寬度）8/1/202260 （六）塑性流動(dòng)（Plastic flow）機(jī)構(gòu)塑性流動(dòng)：基于位錯(cuò)移動(dòng)的物質(zhì)遷移機(jī)構(gòu) 塑性流動(dòng)與粘性流動(dòng)的比較：粘性流動(dòng)塑性流動(dòng)特征方程=d/dt-y=d/dt變形應(yīng)力較小較大，需大于y物質(zhì)遷移機(jī)構(gòu)空位擴(kuò)散為主位錯(cuò)移動(dòng)為主適應(yīng)材料非金屬金屬d/dt粘y塑8/1/202261 塑性流動(dòng)致密化（動(dòng)力學(xué)）方程 ： F.V. Lenel 等采用金屬高溫蠕變理論進(jìn)行研究： 1）金屬的高溫蠕變是恒定應(yīng)力下的微蠕變過(guò)程， 粉末在表面張力下的流動(dòng)類(lèi)似于微蠕變； 2）燒結(jié)

29、早期，表面張力較大，塑性流動(dòng)可通過(guò) 位錯(cuò)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而燒結(jié)后期，表面張力較小， 以擴(kuò)散機(jī)構(gòu)為主；3）根據(jù)第二燒結(jié)模型，推導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)方程： x9/a4.5 = k t8/1/202262三、各燒結(jié)機(jī)構(gòu)比較和綜合作用燒結(jié)理論（一）不同燒結(jié)機(jī)構(gòu)的比較1. 動(dòng)力學(xué)方程的比較都符合通式： Xm/an = F(T)t Xm/an與t成線性關(guān)系 m、n常數(shù)，但 對(duì)不同機(jī)構(gòu)取不同值 F（T）與溫度有關(guān)的常數(shù)8/1/202263Sintering mechanismTransport pathmnViscous flowInterior of the sphere to neck21Surface diffusionSphere surface near the neck to neck62Evaporation-condensationSphere surface to neck31Volume diffusionsphere to neck52Grain boundary diffusion