1、77 工程材料科学与设计工程材料科学与设计（James P. SchafferJames P. Schaffer等著）等著）余永宁等翻译余永宁等翻译机械工业出版社机械工业出版社组织转变动力学与显微组织组织转变动力学与显微组织1 177 狭义的相变过程：相变仅限于同组成的两相之间的结构变化，即相变前后化学组成不发生变化，相变过程是个物理过程而不涉及化学反应，如液体蒸发、-石英与-磷石英间的转变。 广义的相变过程：包括过程前后相组成发生变化的情况，相变过程可能伴随化学反应发生。8.1引言2 277对于相变 转变是以什么过程开始的？ 这一过程进行的速度有多快？ 各种因素如温度、压力或存在的杂质对 转
2、变有什么影响？ 转变形成的相的稳定性如何？ 转变机制对微观组织和性质有何影响？按热力学分类根据相变前后热力学函数的变化，相变分为：按热力学分类根据相变前后热力学函数的变化，相变分为：一级相变、二级相变、三级相变一级相变、二级相变、三级相变按质点迁移的特征分类：按质点迁移的特征分类：1 1、扩散型、扩散型、2 2无扩散型无扩散型3 377在临界T、P时，两相的化学势相等，但化学势的一阶偏微熵不相等。21PPTT21TTPP21STPVPT特征：相变时体积V，熵S，热焓H发生突变。即：2121,VVSS1.一级相变4 477图8-1一级相变时两相的自由能,熵及体积的变化图8-2二级相变时的自由能,
3、熵及体积的改变5 57721特征：相变时体积V，热效应（S、H）无突变； CP、突变。21212121,21PPCCVVSS即：2. 二级相变图8-3 在二级相变中热容的变化6 677 相图隐含着一个假设：即所研究系统中的各相皆处于热力学平衡状态。 一般情况，材料无论在生产或者使用时，都并非处于平衡状态。 本章阐明相变的动力学。7 777 形核规律形核方式有两种： 一种是均匀形核，即新相晶核在母相内自发地形成；另一种是非均匀形核，即新相晶核在母相与外来夹杂的相界面处优先形成。 工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行，但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论基础，而
4、且也是研究固态相变的基础。8 8778.2 组织转变的基本特征Weight percentage copper9 977液体固体 不会发生应变或者对相变过程发生影响固体液体 相变阻力 对相变过程的了解，有阻于我们在适当的时间范围内获得最佳综合性能的热处理工艺。101077相变的驱动力（G）T.P 0 过程自发进行（G）T.P 0 过程自发进行EHTTGTemperatureFree energy111177两条假设 原子团与液体间界面的能量为各向同性 单位表面的界面能与固相尺寸无关。121277相的均匀形核相变过程中，自由能变化： G G 1 G 2 VG V AV 新相的体积 ；G V 单位
5、体积中旧相和新相之间的自由能之差G液G固；A 新相的总表面积； 新相的界面能。131377假设生成的新相晶胚呈球形，则：SL23434nrGnrGVnrTTHnrv2E3434式中：r 球形晶胚半径 ；n 单位体积中半径r的晶胚数（1）当热起伏小、r、T很小时， G 1 0，且随 r 增加而增加。 核胚 （2）当热起伏大、r大时， G 1占主导地位， G 随 r 增加而减小，当G 0时，形成的新相稳定 晶核 141477形核导致的能量变化与形成相半径的关系.151577 临界形核半径随着过冷度加大而减小THTrvESL)2(*r r* ，为晶核：可以稳定成长的新相区域2223*1316THTG
6、vESL 形核过程中的能垒1616772003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.171777晶胚的最大尺寸随过冷度增大而增大，临界晶核半径、晶胚尺寸与过冷度的关系金属的结晶倾向很大，液体金属不易达到很大的过冷度；T不大时,N很小，但达到有效形核温度时，N急剧上升，这个有效形核温度值约为0.2Tm(K)。图5-7晶核半径,晶胚尺寸,与过冷度的关系图5-8形核率与过冷度的关系1818778.2.4 相的非均匀形核使用
7、孕育剂控制相变 人工降雨 球墨铸铁 TiO2作为硅玻璃的形核晶体191977不同浸润特性的固液界面202077)()(coscos0homfGGhelLSMSLMLSMSLM212177与均匀形核表达式相比，可以看出，两者仅差一个系数在（0，）之间（2-3cos+cos3 ）恒小于1即非均匀形核功很小，在很小的T下即可形核。而且，角越小，润湿越好，则 越小。越易生核 。 总之，非均匀形核比均匀生核容易。 )4coscos32(3-均非GG2222772323778.2.5 基体/析出物的内界面 共格界面：结构材料Al/Li合金242477252577262677半共格界面：飞机铝合金和喷气发动
8、机的Ni基合金272777282877非共格界面：钢中析出Fe3C292977TypeType of of interfaceinterfaceInterfacial Interfacial energyenergyNucleation Nucleation processprocessLocation of Location of precipitatesprecipitatesNumber of Number of precipitates precipitates per unitper unit volumevolumeCoherentIncreasingHomogeneousThro
9、ughout the matrix1018/cm3SemicoherentHomogeneousMostly at dislocationsOrders of magnitude less than homogeneous nuceationNoncoherentHomogeneousAt grain boundariesOrders of magnitude less than homogeneous nucleationTABLE 8.2.-1 Pelationship among interfacial energy, the nature of thenucleation proces
10、s, and the precipitate.3030778.2.6 新相的长大3131773232773333778.3.1 8.3.1 钢中的相变钢中的相变 热处理：热处理：钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速度冷却到室温 ，以改变钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。 热处理的目的：热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。 热处理的过程：热处理的过程：任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，最高加热温度、保温时间、冷却最高加热温度、保温时间、冷却速度速度就成为热处理工艺的三大要素。8.3 8.3 相变在工程材料上的应用相变在工程材料上的应用343477三个要
11、素：1. 加热到预定的温度（最高加最高加热温度热温度）2. 在预定的温度下适当保温（保温时间保温时间），保温的时间与工件的尺寸和性能有关；3. 以预定的冷却速度冷却（冷冷却速度却速度）。冷却速度取决于所需的组织和性能。850温度空冷炉冷油冷时间(d,h，min)热处理工艺曲线的示意图3535771 常用的热处理分类 根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为三大类：普通热处理：退火、正火、淬火、退火、正火、淬火、回火回火表面热处理：表面淬火、化学热处理（渗碳、渗氮等）其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理、离子轰击热处理、激光热处理、电子束热处理等3636771 常用的热处理工艺
12、方法碳氮共渗渗氮渗碳化学热处理感应加热表面淬火火焰表面淬火表面淬火表面热处理回火淬火正火退火普通热处理热处理3737772. 钢在加热时的转变 钢在室温下的组织（即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况） ：加热目的：使钢发生同素异晶转变（得到奥氏体A，消除铁素体F） 对于亚共析钢 F+P 共 析 钢 P 过共析钢 P+ Fe3C383877过热度与过冷度 对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。 这个温差叫滞后度：加热转变 过热度 冷却转变 过冷度， 加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会
13、导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。 393977钢在加热和冷却时的相变临界点 实际相变温度与理论转变温度之间的关系 平衡状态相变线：A1、A3、Acm 加热实际相变线：Ac1、Ac3、Accm 冷却实际相变线：Ar1、Ar3、Arcm404077共析钢加热转变（奥氏体形成）过程温度： 室温 Ac1 F + Fe3C A结构： 体心 复杂 面心含碳量： 0.0218 6.69 0.77414177A形成过程组织转变示意图1 1、奥氏体形核、奥氏体形核 （在（在 F / FeF / Fe3 3C C相界面上形核）相界面上形核） A A 形形核核A A 长长大大2 2、奥氏体晶核长大、奥氏体
14、晶核长大 （F AF A晶格重晶格重构，构，FeFe3 3C C 溶解，溶解，C AC A中扩散）中扩散）残残余余FeFe3 3C C溶溶解解 3、残余Fe3C溶解A A 成成分分均均匀匀化化4、奥氏体均匀化424277亚共析钢和过共析钢加热（A形成）过程的转变珠光体的转变： 亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，此转变过程同共析钢同。先析相的溶解： 对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，PA；在AC1AC3的升温过程中，先析的F逐渐溶入A。即 P + F A + F A 对于过共析钢，平衡组织Fe3C+P，当加热到AC
15、1以上时，PA；在AC1ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。 即P + Fe3C A + Fe3C A 434377影响奥氏体形成速度的因素 1. 加热速度的影响 加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。2. 化学成分的影响 钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。 444477 钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新
16、分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。3. 原始组织的影响 钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。4545773. 钢在冷却时的组织转变 过冷奥氏体高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体 。 冷却方式：等温冷却和连续冷却 。 冷却方式不同、冷却速度不同，组织转变的产物不同、钢的性能也不同。464677(a)6550C (b)6000C珠光体显微组织474777(c)5340C
17、(d)4870C珠光体显微组织484877共析合金在6800C保温时珠光体转变分数和时间的关系494977(a)4950C (b)4100C贝氏体显微组织505077共析钢过冷奥氏体等温冷却转变 515177(1)珠光体型转变（高温转变）珠光体型组成：F 和 Fe3C 片层的机械混合物转变温度范围与转变产物形态： A1650 ：珠光体 P 20HRc 650600 ：索氏体 S（细P） 600550 ：托氏体 T 40HRc （极细P又称屈氏体）珠光体性能： 珠光体片越细 HB，b且，k525277珠光体组织特征图(a)珠光体 (b) 索氏体(c)屈氏体535377(2)贝氏体转变（中温转变）
18、贝氏体组成：F 和针状的Fe3C的机械混合物转变温度与转变产物形态： 550350：上贝氏体（B上） 羽毛状组织 塑性差，40-45HRc 350230：下贝氏体（B下） 针片状组织 （Ms） 综合性能好，45-50HRc545477上贝氏组织特征图555577下贝氏体组织金相图565677(3)马氏体转变马氏体相变： 无扩散的相变； 相变取决于温度，与时间无关马氏体转变： 过冷A 单相 M（无渗碳体） - Fe - Fe马氏体组成：碳在- Fe中的过饱和固溶体 形态： 低碳 M（C1.0%) 片状 M 碳含量（0.21.0%）混合 M575777585877低碳板条状马氏体组织金相图5959
19、77高碳针片状马氏体组织金相图606077616177 Fe-1.8%C 合金过冷后的马氏体转变 240C626277 Fe-1.8%C 合金过冷后的马氏体转变 -600C636377 Fe-1.8%C 合金过冷后的马氏体转变 -1000C646477p硬度：主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体的含碳量） 低碳M（板条M）强而韧 高碳M（片状M）硬而脆p塑性和韧性： 低碳M 塑性、韧性好 高碳M 塑性、韧性差。马氏体性能656577666677含C 0.7%的钢回火后的马氏体（球化体）显微组织676777共析钢过冷奥氏体连连续续冷冷却却转变 686877696977 4 常见热处理工艺介绍
20、退火（annealing）和正火（normalizing）是生产上应用很广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。 钢的淬火（quenching）与回火（tempering）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。707077一、退火 将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。 常用的退火工艺有完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火等。 退火的主要目的在于调整和改善钢材的力学性能和工艺性能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提高塑性和韧性；消除内应力、为最终热处理做好组织准备 ），
21、减少钢材化学成分和组织的不均匀性（扩散退火）。 717177 把过共析钢加热到Ac1以上2030并保温后，以适当的方式冷却，使钢中的网状碳化物球化，这种热处理工艺称为球化退火。(从A中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出） 主要用于过共析钢及合金工具钢的退火。由于过共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状珠光体硬度低，节省刀具。727277过共析钢热处理前的显微组织T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 737377 扩散退火（又称为均匀退火）扩散退火（又称为均匀退火）将工件加热到Ac3以上150-200（1050-1150 ），
22、长时间保温（10-15h)后随炉缓冷。适用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般扩散退火仍需进行完全退火和正火。(a) 加热温度范围(b) 热处理工艺曲线747477二、正火 将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温后在空气中冷却得到珠光体基体组织的热处理工艺，称正火。 特点： a)冷却速度比退火快，周期短、能耗少。 b)组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。757577正火的主要目的:细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性（避免“粘刀”现象） 。对过共析钢进行正火，可减少或消除网
23、状碳化物（二次渗碳体），为球化退火做准备；取代部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热处理。767677三、淬火与回火 钢的淬火（quenching）与回火（tempering）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。 通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度； 通过回火可以消除淬火钢的残余内应力、稳定钢的组织； 淬火和回火工艺是密不可分的。777777 淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。 目的：为了提高钢的硬度和耐磨性 。碳钢的淬
24、火温度范围787877 亚共析钢必须加热到Ac3以上，进行完全淬火。这是因为亚共析钢如果在Ac1 Ac3之间加热，必然淬火时有一部分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性。 而过共析钢必须在Ac1 Accm之间加热，进行不完全淬火，使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒，以提高耐磨性。当加热温度高于Accm时，淬火会得到粗大马氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬度和耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形甚至开裂。797977 加热时间（包括零件的升温时间和保温时间）也是影响淬火质量的因素之一。加热时间的确定受到加热速度、加热温度、钢
25、材成分、零件形状和尺寸、装炉方式的影响。在生产上有许多计算加热时间的方法，其中较常用的一种方法是当炉温到达淬火温度时，按工件单位有效厚度的加热时间乘上工件的有效厚度来计算。 例如：在箱式炉中，碳钢的单位有效厚度的加热时间为1-1.3min/mm;合金钢1.5-2min/mm808077生产中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）溶液和油。 （1）水的冷却能力很大，但易使工件变形和开裂，主要用于奥氏体稳定性较差的碳钢。 （2）盐（碱）水的冷却能力比水强，淬火后的工件硬度高而均匀、表面光洁，但极易使工件变形和开裂且锈蚀。常用于形状简单、硬度要求高、尺寸变形要求不严的碳钢零件。 （3）油冷却速度远小于水，
26、有利于减少工件的变形与开裂；但在650500冷却能力差，容易造成碳素钢中奥氏体分解而淬不透。所以，油类冷却介质主要应用于过冷奥氏体比较稳定的合金钢淬火。 818177常用淬火介质冷却能力比较淬火冷却介质冷却能力（C /S）650500 C300200 C水（18 C ）600270水（50 C ）100270WNaCl10%的盐水溶液（18 C ）1100300WNaOH10%的钠水溶液（18 C ）1200300肥皂水30200矿物机油（10号机油）15030828277 淬火钢一般不能直接使用。钢的淬火组织是淬火马氏体和残余奥氏体，都是不稳定组织，而淬火马氏体又极脆，并存在很大的内应力，若
27、不及时回火，会使工件发生变形甚至开裂。 回火是将淬火钢重新加热到Ac1点以下某一温度，保温后再冷却至室温的热处理工艺。838377根据回火温度的不同，回火方法主要有下列三种：1）低温回火（150250）：组织为回火马氏体，其目的是降低淬火应力和脆性，保持高硬度（HRC5564）和高耐磨性。常用于处理各种工模具以及渗碳淬火或表面淬火的工件。2）中温回火（350500）：组织为回火托氏体，硬度HRC3545。中温回火的目的是具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的韧性和抗疲劳性，多用于各种弹簧和锻模等。8484773）高温回火高温回火（500650）：组织为回火索氏体，硬度HRC2535。特点是在
28、保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧性。v调质处理：淬火加高温回火的热处理又称为调质处理，广泛用于处理各类重要零件，例如轴、齿轮、连杆、螺栓等。8585778.3.2 过饱和固溶体的脱溶Al-Cu相图和Al-4% Cu 合金在冷却过程中的微观结构转变2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.868677（a）Cu-Ti 合金中的魏氏组织( 420)；(b) Al-4% Cu合金慢冷中形成的连续析出相 ( 500
29、)；(c) 铜合金中在晶界处的析出相Pb( 500).878777Al-Cu合金时效处理2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.888877The magnesium-aluminum phase diagram is shown in Figure 11.11. Suppose a Mg-8% Al alloy is responsive to an age-hardening heat treatment.
30、 Design a heat treatment for the alloy.Design of an Age-Hardening Treatment2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Portion of the aluminum-magnesium phase diagram.898977SOLUTIONStep 1: Solution-treat at a temperature between th
31、e solvus and the eutectic to avoid hot shortness. Thus, heat between 340oC and 451oC.Step 2: Quench to room temperature fast enough to prevent the precipitate phase from forming.Step 3: Age at a temperature below the solvus, that is, below 340oC, to form a fine dispersion of phase.9090778.3.3 合金的凝固和
32、均匀化 晶内偏析：由于在实际生产中冷却速度较快(不能保证平衡态),原子扩散迁移滞后于结晶, 相化学成分的均匀性得不到保证.这时就会出现在一个晶粒内,各处成分的不均匀现象. 冷却速度的影响 晶粒尺寸919177 成分对非平衡共晶数量的影响（a）Al-2%Cu（b）Al-5%Cu929277冷却速度对铸态组织的影响Al-5%Cu（a）1oC/s（b）10oC/s939377 冷却速度对一组铝合金晶粒尺寸的影响9494778.3.4 回复和再结晶过程1 加工的分类 冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。 热加工：在再结晶温度以上的加工过程。（硬化、回复、 再结晶。） 2 热加工温度：T再
33、T热加工70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%） 最低温度。 高纯金属：T再(0.250.35)Tm。2 经验公式 工业纯金属：T再(0.350.45)Tm。 合金：T再(0.40.9)Tm。 注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。11411477再结晶温度T再（0.35-0.40）T熔 金属T再（0.25-0.35）T熔 高纯金属对形变金属,从受形变开始就获得储存能,它立刻就具有回复和再结晶的热力学条件,原则上就可发生再结晶. 温度不同,只是过程的速度不同罢了.所以,再结晶并没有一个热力学意义的明确临界温度.人为定义了一个”再结晶温度”:在一定时间内(
34、一小时)刚好完成再结晶的温度是一个动力学意义的温度11511577静态再结晶动态再结晶静态再结晶动态再结晶动态再结晶116116778.3.5 烧结 烧结过程是一门古老的工艺。现在，烧结过程在许多工业部门得到广泛应用，如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含有烧结过程。烧结的目的是把粉状材料转变为致密体。 研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化。研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化。对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得特别重要。特别重要。 11711777 一、烧结的定义 粉末成型体在低于熔点的高温作用下，产生颗粒间颗粒间的粘附的
35、粘附，通过物质传递迁移物质传递迁移，使成型坯体变成具有一定几何形状和性能，即有一定强度的致密体的过程，称为烧结烧结。注意烧结与烧成的差别烧成烧成：包括多种物理、化学变化，如：脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等，其包括范围宽。烧结烧结：仅质粉料经加热而致密化的简单过程，是烧成过程的一个重要部分。11811877二、烧结分类 按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类：固相烧结液相烧结烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程。有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下常有液相出现。近年来，在研制特种结构材料和功能材料的同时，产生了一些新型烧结方法。如热压烧结、放
36、电等离子体烧结、微波烧结等。11911977图1 热压炉图2 放电等离子体烧结炉（SPS）图3 气压烧结炉（GPS）图4 微波烧结炉12012077三、烧结温度和熔点的关系 泰曼指出，纯物质的烧结温度Ts与其熔点Tm有如下近似关系：金属粉末Ts（0.30.4）Tm 无机盐类Ts 0.57 Tm硅酸盐类Ts（0.80.9）Tm实验表明，物料开始烧结温度常与其质点开始明显迁移的温度一致。 12112177 烧结过程及机理 一、烧结过程 首先从烧结体的宏观性质随温度的变化上来认识烧结过程。 (一)烧结温度对烧结体性质的影响 图5是新鲜的电解铜粉(用氢还原的)，经高压成型后，在氢气气氛中于不同温度下烧
37、结2小时然后测其宏观性质：密度、比电导、抗拉强度，并对温度作图，以考察温度对烧结进程的影响。 12212277图5 烧结温度对烧结体性质的影响 1一比电导 2一拉力 3一密度比电导(-1cm-3)温度(C)拉力(kg/cm3)密度(g/cm2)12312377 结果与讨论结果与讨论： 1.随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。 2.曲线表明，在颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前)，颗粒接触处就已产生某种键合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故比电导和抗拉强度增大。 3.温度继续升高，物质开始向空隙传递，密度增大。当密度达到理论密度的9095后，其增加速度显著减小，且常规条件下很难达到完
38、全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是很难的。 12412477(二)烧结过程的模型示意图 根据烧结性质随温度的变化，我们可以把烧结过程用图6的模型来表示，以增强我们对烧结过程的感性认识。 12512577图6 粉状成型体的烧结过程示意图12612677a)烧结前 b)烧结后图7 铁粉烧结的SEM照片 6/1 12/2 12712777烧结烧结过程过程的三的三个阶个阶段段烧结初期烧结中期烧结后期坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固-气总表面积没有变化。传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密
39、度达到95%，制品强度提高。1281287712912977Chapter 8Nanjing University13013077二、烧结推动力 粉体颗料尺寸很小，比表面积大，具有较高的表面能，即使在加压成型体中，颗料间接面积也很小，总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理，它将自发地向最低能量状态变化，使系统的表面能减少。烧结是一个自发的不可逆过程，系统表面能降低是推动烧结进行的基本动力。 13113177再结晶和晶粒长大 在烧结中，坯体多数是晶态粉状材料压制而成，随烧结进行，坯体颗粒间发生再结晶和晶粒长大，使坯体强度提高。所以在烧结进程中，高温下还同时进行着两个过程，再结晶和晶粒长
40、大。尤其是在烧结后期，这两个和烧结并行的高温动力学过程是绝不对不能忽视的，它直接影响着烧结体的显微结构(如晶粒大小，气孔分布)和强度等性质。 13213277 影响烧结的因素 影影 响响 因因 素素烧结温度烧结时间物料粒度气氛压力添加物13313377实例1 在Al2O3烧结中，通常加入少量Cr2O3或TiO2促进烧结，就是因为Cr2O3与Al2O3中正离子半径相近，能形成连续固溶体之故。 当加入TiO2时促进烧结温度可以更低，因为除了Ti4+离子与Cr3+大小相同，能与Al2O3固溶外，还由于Ti4+离子与Al3+电价不同，置换后将伴随有正离子空位产生，而且在高温下Ti4+可能转变成半径较大
41、的Ti3+从而加剧晶格畸变，使活性更高；故能更有效地促进烧结。13413477 不同烧结条件下MgO的烧结致密度表 实例213513577实例313613677实例4通过添加剂，消除30-70nm范围的孔隙使得Al2O3陶瓷变成半透明137137778.3.6 氧化锆中的马氏体（位移）型转变13813877139139778.3.7 氧化物玻璃的脱玻（反玻璃化）1. 许多无机玻璃是将非晶体态经适当的高温热处理转化为晶态而制成。2. 脱玻的玻璃通常是不透明的，一般避免脱玻。3. 玻璃陶瓷-Corning公司4. 低熔化潜热的体系具有低的晶化驱动力5. 粘度越大，越容易形成玻璃。14014077玻
42、璃陶瓷（陶瓷玻璃）的生产（1）形核处理，加入TiO2等形核剂（2）加热到更高温度促进晶体相快速生长建材：微晶玻璃的应用建材：微晶玻璃的应用 由于微晶玻璃是透明、半透明和不透明等多相组成均匀分布的复合材料，射入微晶玻璃的光线，不仅从表面反射，光线从材料内部反射出来，显得柔和，而且具有深度，产生类似钻石般晶莹剔透、璀璨发亮的光学效果。 141141778.3.8 聚合物的结晶 聚合物中的晶体形成动力学与金属和陶瓷的非常相似。 C曲线14214277 Thank you for your attention!AcknowledgmentAcknowledgment The Science and Design of Engineering MaterialsNanjing University143143
