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4烧结-2剖析
2.4.4.1 烧结过程的三个阶段 烧结过程大体上可分为三个阶段,科学工作者也由此提出了三个动力学模型: 1.初期模型 — 描述球形料粒之间接 触面积的扩展及素坯收缩率为0一5% 阶段的模型; 2.中期模型 — 描述材料经过初期烧结 之后,管状气孔沿三叉晶界排出烧结 体的模型。这一阶段通常以气孔率降 到5%为标志; 3.后期模型 — 描述呈球形的气孔沿着 四叉晶界排出烧结体,最终烧结体致 密度达到或接近理论值阶段的模型。 The arrangement of grains during different sintering stages 固态素坯在开始烧结时,料粒之间的接触面扩大,素坯开始收缩。在该阶段,固态球形颗粒的表面与它的颈部(见图2.32)区域之间的化学位差值为物质传递提供了一个推动力。 ?表2.8 烧结初期阶段的各种传质途径 在高温下,相互接触的球形料粒之间可能的传质途径有多种,见图2.32和表2.8。 如果颗粒表面与其颈部之间有较大的蒸汽压差,传质可以以蒸发—凝聚的方式进行; 如果蒸汽压较低,则传质易通过固态进行,例如:表面扩散、晶界扩散或晶格扩散。 在这些传质过程中,传质速率最大的一种可看作初期烧结时的传质机理。 在各种以扩散为主的烧结中,扩散系数是影响烧结的重要因素之一。 无论哪一类机理为主的烧结,起始料粒的尺寸及其分布对烧结过程均有重要影响。 固态烧结的初期模型主要是描述相互接触的固体颗粒之颈部的生长特点。 对于扩散控制的中后期烧结,晶粒开始生长,晶界上的气孔数量逐步减小。关于各个阶段烧结模型的详情在此就不作进一步讨论了。图2.33为典型的后期烧结显微组织。 晶粒生长过程也就是晶界运动过程。大家知道,弯曲晶界的两侧的原子具有不同的自由能值, 如图2.34所示, 图中原子A的自由能大于原子B的自由能, 在这种情况下, 原子A就可能越过晶界而进入原子B所在的晶粒。这样才会使整个系统的自由能降低。即:弯曲晶界两侧的自由能差值,是晶界运动即晶粒长大的主要推动力。 随着烧结的进行,弯曲的晶界将向其曲率中心运动,在三叉晶界上,如果三个二面角均~120度, 晶界能最小, 此时晶界将停止运动。 对于单相系统, 原子从弯曲晶界的一侧进入另一侧,可以导出晶粒长大的动力学公式: G2 – G02 = ct (2.20) 式中c为常数, Go为起始晶粒平均尺寸,G为瞬时晶粒平均尺寸,该公式称为晶粒生长的抛物线规律。 上式是在假定晶界宽度在生长过程中不变的前提下推导的, 理由是晶界没有受到杂质或第二相的影响。 实际上, 晶界上的气孔及杂质在晶界处的偏析或第二相均会对晶界运动产生牵制作用。考虑到这些因素, 晶粒生长规律通常变为: G3 – G03 = ct (2.21) 在晶界上第二相的产生削弱了晶界运动的能量。当第二相产生的阻力等于弯曲晶界运动的驱动力时,晶界运动将停止, 即晶粒生长将保持在某一极限尺寸。晶粒的极限尺寸 Gf 与第二相所占的体积分数Vf及第二相尺寸d有如下关系: (a)Gf = 0.3d/Vf (第二相无规弥散) (2.22) (b)Gf = 0.6d2 /Vf(第二相完全在晶界上) (2.23)(c) Gf =1.05d/Vf (第二相无规弥散及在三叉晶界 上) (2.24) (d)Gf =1.86d3 /Vf (第二相完全在三叉晶界上) (2.25) 以上各式表明,当第二相尺寸减小而体积分数增大时, 晶粒极限尺寸将减小, 即第二相的影响将增强。 因此,人们有时利用第二相来控制晶粒生长, 使晶粒尺寸稳定在一定范围。 但是, 在有些情况下, 晶粒将突破极限尺寸范
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