材料工程基礎(chǔ)講稿

材料工程基礎(chǔ)講稿第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1、粉末成形的基本理論粉末的堆積密度、粉末在壓力下的運動等是影響成形過程的重要因素。粉末堆積密度和在壓力下的運動情況是影響成形過程的重要因素。

1）粉體的堆積與排列尺寸均勻的球形顆?？梢赃M(jìn)行規(guī)則排列和堆積，各種堆積類型和堆積密度(以占粉末固體密度的百分比表示)及配位數(shù)表示。

第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

大小均勻的球形顆粒粉末倒入容器時，即使顆粒進(jìn)行面心立方或六方密堆排列堆積密度也低于74%。振動振實密度僅達(dá)到62.8%，平均配位數(shù)低于12。為提高堆積密度，在大顆粒間加入較小的顆粒。當(dāng)小顆粒粉末量增加時，表觀密度先增加然后降低。以松裝密度、振實密度及粉體的流動速率衡量粉末的堆積密度。松裝密度影響壓縮比。顆粒尺寸越小，松裝密度也越小—顆粒間摩擦力↑；形狀不規(guī)則或球形度低，密度↓。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

松裝密度↑→壓縮比↓，有利于成形工藝的控制。流動速率對成形的影響：當(dāng)顆粒尺寸小于44μm時，顆粒幾乎不流動，難以成形。與松裝密度相似，球形顆粒流動性↑↑；流動速率隨表面粗糙度↑→↓。

2）粉末在壓力下的運動行為松散粉末的模壓或等靜壓過程可分為三個階段：1）粉末顆粒發(fā)生重排，架橋現(xiàn)象被部分消除，顆粒間接觸增加；2）顆粒發(fā)生彈塑性變形，塑性變形的大小取決于粉末材料的延性。坯體密度與粉末的壓縮性能有關(guān)。3）顆粒斷裂。在壓制過程中產(chǎn)生加工硬化—脆化粉體，隨著施加壓力↑→脆性斷裂→較小的碎塊。實際上，這三個階段是相互交叉發(fā)生的。

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在壓制過程中，隨著壓力↑→粉體密度↑→氣孔率↓。對壓力與密度或氣孔率的關(guān)系進(jìn)行了大量研究：壓力與相對密度之間推導(dǎo)出定量的數(shù)學(xué)公式。黃培云壓制理論方程：(2-3)

式中：dm--致密金屬密度；do--壓坯原始密度；d--壓坯密度；p--壓制壓力；M--相當(dāng)于壓制模數(shù)；m--相當(dāng)于硬化指數(shù)的倒數(shù)。用等靜壓法及普通模壓法對各種金屬及碳化物粉末進(jìn)行成形試驗，證實了雙對數(shù)規(guī)律的正確性。表明該方程不僅實用于等靜壓，也適用于一般的單向壓制，且對硬、軟粉末適用效果均較好。第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2、壓力成形1）模壓成形將粉料填充到模具內(nèi)部后，單向或雙向加壓，將粉料壓制成所需形狀。操作簡便，生產(chǎn)效率高，易于自動化。但成形時，粉料易團(tuán)聚，坯體厚度大時，內(nèi)部密度不均勻，形狀可控精度差，模具質(zhì)量要求高，復(fù)雜形狀的部件模具設(shè)計較困難。模壓成形包括：原料準(zhǔn)備、裝模、加壓、保壓、脫模。

(1)粉末退火處理：使氧化物還原、降低碳和雜質(zhì)含量、提高粉末純度。消除加工硬化、穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)。一般要進(jìn)行退火。為防止超細(xì)金屬粉末自燃，退火處理使其表面鈍化。溫度一般選在金屬粉末熔點的0.5~0.6倍處。第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)粉末的混合：將兩種或兩種以上不同成分的粉末混合均勻的過程。有時也將成分相同而粒度不同的粉末進(jìn)行混合—合批。兩種方法：機(jī)械法和化學(xué)法，機(jī)械法應(yīng)用較多。機(jī)械法：可分為干混和濕混。濕混：在混合過程中加入液體分散介質(zhì)，常用的液體介質(zhì)有：水、酒精、汽油、丙酮等。濕混介質(zhì)的要求：不與物料發(fā)生反應(yīng)、沸點低易揮發(fā)、無毒性、來源廣泛、成本低廉等。化學(xué)法混料：將金屬或化合物粉末與金屬鹽溶液混合，或者是各組元全部以某種鹽的溶液形式混合后沉淀、干燥和還原等處理得到成分均勻分布的混合物。第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)制粒：用于成形的粉末粒度較細(xì)時，進(jìn)行制粒(造粒)——小顆粒的粉末制成大顆粒或團(tuán)粒的工序。目的：改善粉末的流動性，使粉末能順利地充填模腔。普通造粒法：將粉料加入適量的粘合劑，然后于研缽內(nèi)混勻后過篩——少量試料。批量造粒在相應(yīng)的設(shè)備上進(jìn)行，如滾筒制粒機(jī)、圓盤制粒機(jī)和擦篩機(jī)、震動篩等。加壓造粒：將混合了粘合劑的粉料預(yù)壓成塊，然后再粉碎過篩。特點是固體顆粒體積密度大，機(jī)械強(qiáng)度高，能滿足各種大型和異型制品的成形要求，常用的方法。第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月噴霧干燥法

密封體系中完成。把混合好粘合劑的粉料先制成料漿，分以下幾個階段：用噴霧器噴入造粒塔霧化；液滴群與加熱介質(zhì)相接觸，與另一路進(jìn)入塔內(nèi)的熱空氣會合而進(jìn)行干燥，霧滴中的水分受熱空氣的干燥作用在塔內(nèi)蒸發(fā)而成為干粉，然后經(jīng)旋風(fēng)分離器吸入料斗，回收備用?？梢缘玫搅鲃有院玫那驙顖F(tuán)粒，產(chǎn)量大，可連續(xù)生產(chǎn)，勞動強(qiáng)度低，易于自動化成形。但造粒質(zhì)量與料漿的粘度和噴嘴的壓力有關(guān)，粘度和壓力不當(dāng)，會使造出的團(tuán)粒出現(xiàn)各種缺陷。第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4)成形劑：在成形前，粉末混合料中添加能改善成形過程的物質(zhì)——成形劑。

潤滑劑：用來減小粉末顆粒與模腔及模沖間的摩擦力；

粘合劑：提高坯料成形時的流動性、增加顆粒間的結(jié)合力并提高坯體的機(jī)械強(qiáng)度、減小粉塵；

造孔劑：制備多孔材料時用于在燒結(jié)體中產(chǎn)生一定的孔隙。細(xì)顆粒粉末所需的成形劑加入量比粗顆粒粉末的量要多。成形的壓坯高度越高，所需成形劑的量越多。成形劑的加入量還影響壓坯密度和脫模壓力以及燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度。第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

成形劑的不足：降低了粉末的流動性；占一定體積，使密度減小，不利于制取高密度制品；壓制過程中由于成形劑的阻隔，粉末顆粒之間的相互接觸程度降低，從而降低了壓坯的強(qiáng)度；成形劑在燒結(jié)前或燒結(jié)中排除，因而可能損傷燒結(jié)體的外觀，排除的氣體可能影響爐子的壽命，污染空氣。某些成形劑容易和粉末起作用或遺留某種產(chǎn)物，改變產(chǎn)品的化學(xué)成分，降低產(chǎn)品的力學(xué)性能。第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

(5)加壓與脫模：有單向加壓和雙向加壓兩種。單向加壓受壓一端壓力大，離加壓端越遠(yuǎn)坯體密度越小。即在任何垂直截面上，上層密度比下層密度大。而在水平截面上，接近上模沖的截面的密度分布是兩邊大、中間小。遠(yuǎn)離上模沖的截面密度分布則是中間大，兩邊小。雙向加壓時兩端直接受壓密度大，中間密度較小。第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

成形壓力影響壓坯的燒結(jié)密度和燒結(jié)收縮率。成形壓力大，燒后產(chǎn)品收縮小、密度高。但壓力超過一定值時，燒結(jié)體密度提高很少。而且當(dāng)壓力過大時，坯體易出現(xiàn)裂紋、分層和脫模困難等現(xiàn)象。加壓速度不僅影響到粉末顆粒間的摩擦狀態(tài)和金屬粉末的加工硬化，且影響到空氣從粉末顆粒孔隙中的逸出。加壓速度↑→空氣逸出困難→坯體分層、坯體內(nèi)夾雜氣表面致密而中間松散等缺陷。通常的壓制過程均是以靜壓

(緩慢加壓)狀態(tài)進(jìn)行的。第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

沖擊成形，屬于動壓范疇。壓制速度由每秒幾米增加到2OOm/S以上。粉末冶金用的沖擊壓力機(jī)，加壓速度相當(dāng)于鍛造速度，約6.1~18.3m/s。壓制的鐵基、銅基以及混合金屬粉零件。鐵粉沖擊成形的相對密度可達(dá)97%以上，銅粉可達(dá)98%，混合粉可達(dá)93~96%。高速沖壓成形壓坯密度分布比緩慢加壓更加均勻。是因為成形時的動量大，速度快使粉體變形不受加工硬化的影響。同時，粉體是以大量的點接觸為主。當(dāng)受到外力沖擊時，接觸區(qū)因迅速變形而放出大量的熱，使接觸部分溫度升高，從而使粉末的塑性增加而易于變形。第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

在壓制過程中，常在某一特定壓力下保持一段時間，特別是對形狀復(fù)雜或休積較大的制品。原因：保壓使壓力傳遞得更充分，有利于壓坯中各部分的密度均勻；使粉末中的空氣有足夠的時間通過模壁和模腔，或模沖和芯桿之間逸出；可以給粉末之間的機(jī)械嚙合和變形以時間，有利于應(yīng)變弛豫地進(jìn)行。對于形狀簡單、體積小的制品通常不采取保壓。第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

把坯體從模具中卸出所需的壓力——脫模壓力。脫模壓力受壓制壓力、壓坯密度、粉末特性、壓坯尺寸、模壁狀況以及潤滑條件等一系列因素的影響。對于金屬粉末脫模壓力與壓制壓力成線性關(guān)系：

p脫≤p壓ζμ，

ζ-摩擦系數(shù)，μ-泊松比。陶瓷粉末的脫模壓力和壓制壓力不是簡單的線性關(guān)系。一般壓制壓力小于或等于300~400MPa時，脫模壓力不超過壓制壓力的0.3倍。實驗表明，潤滑性好的成形劑可成倍甚至幾十倍地降低脫模壓力。

(6)側(cè)壓力、外摩擦力和彈性后效：第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

(7)溫壓成形：提高粉末冶金件密度→性能↑。提高坯體密度的一種新方法。實際上是對一次壓制/燒結(jié)工藝的改進(jìn)，即將預(yù)混合粉末在一定溫度下壓制，然后常規(guī)燒結(jié)，以獲得較高的產(chǎn)品密度。關(guān)鍵技術(shù)：預(yù)混合粉末的制備和溫壓系統(tǒng)的設(shè)計。溫壓工藝如下：金屬粉末(鐵粉等)+聚合物粉末→混合→預(yù)處理→添加高溫潤滑劑→溫壓→燒結(jié).在壓制過程中，壓制系統(tǒng)將粉末加熱、粉末傳輸和壓機(jī)的模具加熱結(jié)合在一起，粉末加熱到所需溫度，控溫的傳輸與進(jìn)料系統(tǒng)就將粉末送進(jìn)模腔中。溫壓成形工藝主要用于制造高強(qiáng)度、高性能零件。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3、增塑成型1）擠壓成形利用壓力把具有塑性的粉料通過模具擠出來成形的，模具的形狀就是成形坯體的形狀。用于柱狀、纖維狀、空心解狀體及厚板狀坯體等沿擠出方向外形平直的制品。要求粉料具有可塑性—受力時有良好的形變能力，而且要求成形后粉料能保持原形或變形很小。粘土質(zhì)陶瓷材料很適合這種方法成形。對非粘土質(zhì)陶瓷粉料或金屬粉料可通過引入各種有機(jī)塑性粘接劑(增塑劑)而獲得可擠壓性。生產(chǎn)效率高、產(chǎn)量大、操作簡便，擠壓制品的長度不受擠壓設(shè)備的限制，能擠壓出壁很薄(0.Olmm)、直徑很細(xì)(lmm)的小管，但不適宜三維復(fù)雜形狀制品，且對二維制品還要求外形平直。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月與熔鑄軋制相比，粉末軋制的優(yōu)點是：①能夠生產(chǎn)常規(guī)軋制法難于或無法生產(chǎn)的板帶材，如各種雙金屬或多層金屬帶材，難熔金屬及其化合物的板帶材，磁性材料、減摩材料、多孔材料、電觸頭材料以及超導(dǎo)材料等的帶材。②能夠軋制成分比較均勻的帶材。③粉末軋制的板帶材具有各向同性的特點。第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月④粉末軋制工藝過程短，節(jié)約能源。⑤粉末軋制法的成材率高，一般可達(dá)80~90%，而熔鑄軋制法僅為60%或者更低。金屬粉末軋制與模壓相比：零件長度上不受限制，軋制的制品密度比較均勻。但粉末軋制法生產(chǎn)的帶材厚度受軋輥直徑的限制(一般不超過l0mm)，寬度也受到軋輥尺寸的限制。只能制備形狀較簡單的板帶材以及直徑與厚度比值很大的襯套。第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3)注射成形借鑒塑料的注射成形工藝，但比成形復(fù)雜。也用于高溫工程陶瓷成形。近年來發(fā)展較快把粉料與熱塑性樹脂等有機(jī)物混合料，以一定溫度和壓力下高速注入模具，迅速冷凝后脫模取出坯體。成形時間為數(shù)十秒，經(jīng)脫脂可得到致密度達(dá)60%的素坯體。原料：物料和有機(jī)物的混合物壓碎、造粒后成形，壓力高達(dá)1300kg/cm2；注射成形機(jī)可分為活塞式和螺旋棒式兩類，由于螺旋棒式具有計量性好、可塑化的均一性高、成形速度快、注入壓力損失小、制品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，應(yīng)用較多。

第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

特點：適合批量生產(chǎn)，成本低，成品尺寸可控、一般不必再修整，易于制作不規(guī)則表面、孔道等復(fù)雜形狀制品。但存在脫脂時間長，澆口封凝后內(nèi)部不均勻性等。通過在注射噴嘴與模具的澆口之間聯(lián)接一個振動頻率可調(diào)的活塞來解決。第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章粉末燒結(jié)

粉末成形后，粉末顆粒之間多數(shù)為機(jī)械咬合，強(qiáng)度↓，粉末顆粒表面能的驅(qū)動力↑→借助高溫激活粉末中原子、離子等的運動和遷移→粉末顆粒間增加粘結(jié)面，降低表面能，形成穩(wěn)定的、所需強(qiáng)度的塊體材料(制品與坯錠)——陶瓷、金屬粉末冶金中的高溫?zé)Y(jié)技術(shù)。1、燒結(jié)原理燒結(jié)：在高溫作用下，坯體發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，由松散狀態(tài)逐漸致密化→機(jī)械強(qiáng)度↑的過程。燒結(jié)中的物理化學(xué)變化:

有機(jī)物的揮發(fā)、坯體內(nèi)應(yīng)力的消除、氣孔率的減少；在燒結(jié)氣氛作用下粉末顆粒表面氧化物的還原、原子的擴(kuò)散、粘性流動和塑性流動；燒結(jié)后期還可能出現(xiàn)二次再結(jié)晶過程和晶粒長大等；生成液相時，還可能發(fā)生固相的溶解與析出。根據(jù)燒結(jié)過程中有無液相產(chǎn)生，可以將燒結(jié)分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。

第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月單元系燒結(jié)：純金屬或化合物及均勻單相固溶體的燒結(jié)。多元系燒結(jié)：多種粉末的燒結(jié)。兩種情況：①混合粉末，多組分、多物相混合的粉末；②燒結(jié)過程中固溶體分解。使用混合粉末進(jìn)行燒結(jié)——實現(xiàn)合金化。采用混合粉末有以下優(yōu)點：容易調(diào)整成分和壓制成形，有較高的壓坯強(qiáng)度等。與燒結(jié)類型無關(guān)，燒結(jié)驅(qū)動力、傳質(zhì)機(jī)理是一致的。第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月燒結(jié)時的遷移機(jī)制：體積擴(kuò)散。復(fù)雜燒結(jié)機(jī)理研究內(nèi)容：粉末壓坯的收縮動力學(xué)、壓力下的燒結(jié)、強(qiáng)化燒結(jié)等。

1）燒結(jié)驅(qū)動力結(jié)塊是粉體特有的現(xiàn)象，細(xì)粉在室溫下就有結(jié)塊的傾向。粉體比塊狀材料的穩(wěn)定性差，即粉體處于高能狀態(tài)。燒結(jié)驅(qū)動力——體系的表面能和缺陷能。第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

粉料尺寸↓→表面積↑→表面能↑；新生態(tài)物質(zhì)的缺陷濃度較高→缺陷能↑。缺陷能：晶格畸變或空位缺陷貯存的能量。粉末粒度、粉末表面的凹凸，以粉末顆粒中的孔隙——影響粉末的表面積。原料越細(xì)——活性↑，燒結(jié)驅(qū)動力↑。

燒結(jié)過程：體系表面能和缺陷能降低的過程。體系能量的降低依賴于高溫下的物質(zhì)傳遞過程。第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月燒結(jié)原動力：燒結(jié)頸部與粉末顆粒其它部位之間存在化學(xué)位差。有三種表現(xiàn)形式：

①表面張力造成的一種機(jī)械力，它垂直作用于燒結(jié)頸曲面上，使燒結(jié)頸向外擴(kuò)大，最終形成孔隙網(wǎng)。此后孔隙中的氣體會阻止孔隙收縮和燒結(jié)頸的進(jìn)一步長大，少量閉氣孔僅靠延長燒結(jié)時間是不能消除的；

②過?？瘴粷舛忍荻葘⒁馃Y(jié)頸表面下微小區(qū)域內(nèi)的空位向粉末顆粒內(nèi)擴(kuò)散，從而造成原子在相反方向上的遷移，使頸部得以長大；

③燒結(jié)頸表面與顆粒表面之間存在的蒸氣壓之差，將導(dǎo)致物質(zhì)向燒結(jié)頸遷移。第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2）燒結(jié)時的物質(zhì)遷移燒結(jié)過程傳質(zhì)機(jī)理：①粘塑性流動過程；②擴(kuò)散過程，包括體積、表面和界面的擴(kuò)散；

③蒸發(fā)--凝結(jié)過程；④溶解--沉析過程。坯體的燒結(jié)從物相傳質(zhì)的角度有固相和液相燒結(jié)兩種。四種傳質(zhì)機(jī)理在不同的情況下出現(xiàn)。固相燒結(jié)過程，主要出現(xiàn)②、③過程；在固一液相燒結(jié)中主要出現(xiàn)①、④過程；在復(fù)雜的燒結(jié)中，則四種情況并存。第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

燒結(jié)時的物質(zhì)遷移可分為表面遷移和體積遷移兩類。表面遷移：由物質(zhì)在顆粒表面流動而引起的。表面擴(kuò)散和蒸發(fā)-凝聚是主要的表面遷移機(jī)制。燒結(jié)發(fā)生表面遷移時，燒結(jié)體的基本尺寸不發(fā)生變化，密度也還保持原來的大小。體積遷移：包括體積擴(kuò)散、塑性流動以及非晶物質(zhì)的粘性流動。引起燒結(jié)體基本尺寸的變化。體積遷移過程主要發(fā)生在燒結(jié)后期。第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

不同的燒結(jié)機(jī)制對燒結(jié)的貢獻(xiàn)與材料類型、粉末粒度、燒結(jié)溫度以及工藝條件相關(guān)。何種機(jī)制起主導(dǎo)作用——由具體情況而定。細(xì)粉末顆粒燒結(jié)時，表面擴(kuò)散機(jī)制可能起著決定作用。高溫?zé)Y(jié)時，主要是體積擴(kuò)散機(jī)制。某些易蒸發(fā)的金屬粉(如鋅)燒結(jié)時，可能蒸發(fā)--凝聚過程起著十分重要的作用。加壓燒結(jié)時，則起主要作用的是塑性流動機(jī)制。

3）燒結(jié)的基本過程坯體經(jīng)燒結(jié)后，由于粉末顆粒之間的粘結(jié)而強(qiáng)度升高。按燒結(jié)機(jī)理，粉末坯體的高溫?zé)Y(jié)過程大致可分為三個階段。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)初期燒結(jié)頸形成階段：通過形核、長大的原子遷移過程，顆粒間的原始接觸點或面→晶粒結(jié)合→形成燒結(jié)頸。燒結(jié)頸的長大速度與物質(zhì)遷移機(jī)制有關(guān)，燒結(jié)頸部變化與燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間的關(guān)系可表示為：

（3-1）

x—燒結(jié)頸半徑；R—粉末顆粒半；t—燒結(jié)時間；F(T)—與燒結(jié)溫度有關(guān)的常數(shù)；m、n—與燒結(jié)機(jī)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月可以看出：較細(xì)的粉末顆粒可以得到較快的燒結(jié)；燒結(jié)溫度對燒結(jié)頸長