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“粉末冶金材料学”复习内容一、粉末冶金材料学概述1.简介粉末冶金的特点粉末冶金技术：是以金属粉末或非金属粉末或其混合物为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金材料：是用粉末冶金技术制得的近全致密或多孔材料（包括制品）特点:1)技术多样性；粉末制备技术,成形技术,烧结技术2)工艺复杂性；制粉,制备金属粉末、合金粉末、金属化合物粉末以及包覆粉末;成形,分加压成形和无压成形两类,其他加压成形方法有等静压成形、粉末轧制、粉末挤压等;烧结,单元系烧结和多元系烧结，其烧结温度都比所含金属与合金的熔点要低。烧结后处理,有精整、熔浸、机加工、热处理（淬火、回火和化学处理）和电镀等.3)性能优越性；材料具有特殊结构和性能,能制造性能更优的材料（与熔炼法比）粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀组织和稳定性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善4)零件复杂性；零件的孔隙度可控,零件的形状、结构复杂5)手段先进性；6)规模扩大性；7)成本低廉性。2.粉末冶金发展趋势与学科前沿发展趋势①辐射领域越来越广(研制新材料、开发新应用)；②新技术层出不穷（如喷射成形、注射成形等)；③多学科交叉（材料、化学、化工、冶金、物理、机械等）；④高致密化、高性能化、集成化和低成本化；⑤非平衡及超细材料和制品的制备，如非晶、微晶、纳米晶、准晶等；⑥具有独特组分的复合材料设计与制备。学科前沿①粉末制取新技术、新工艺及其过程理论。向超细、超纯、粉末特性可控方向发展。②建立以“近净成形”技术为中心的各种新型固结技术及其过程模拟理论，如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压成形、粉末锻造等。③建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程模拟技术。如热等静压、微波烧结、高能成形等。粉末冶金材料设计、表征和评价新技术。粉末冶金材料的孔隙特性、界面问题及强韧化机理的研究。3.粉末冶金的优缺点优点:1]致密度可控，如多孔材料、高密度材料等；2]晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析；3]近净成形，原材料利用率95%（表1）；4]少无切削，切削加工仅40~50%；5]材料组元可控，利于制备复合材料；6]利于难熔金属、陶瓷材料与核材料的制备。不足:1]原料粉末价格较贵；2]残余孔隙影响其性能，材料韧性较差；3]氧和杂质含量较高，制备高纯活性金属困难；4]制品大小和形状受到一定限制二、粉末冶金材料的孔隙特征及影响1.孔隙对粉末冶金材料力学性能的影响孔隙的共性影响①孔隙大小与形状：烧结后较大孔隙一般呈不规则形状，较小孔隙一般呈规则的球形或近球形形状，而不规则孔隙会使应力集中更加严重，从而使力学性能降低，孔隙大小与形状对冲击韧性和延伸率的影响尤其明显；②孔隙分布：孔隙分布越不均匀，越易发生聚集成为大孔隙或缺陷，从而引起应力集中，并使力学性能下降；③孔隙度：孔隙度越高，粉末冶金材料力学性能越低，材料磨损率越高，传导性越差，强度、塑性、冲击韧性、硬度、传导性与孔隙度均存在非线性关系。在上述三种影响因素中，孔隙度最为重要力学性能包括断裂韧性、静态强度、塑性、动态性能、硬度和弹性模量等粉末冶金材料的平面应变断裂韧性随着孔隙度的降低而增加粉末材料的静态强度包括抗拉、抗弯和抗压强度.它与孔隙度的关系大体可用下式表示：σb＝Kσ0f(θ)在粉末材料中，孔隙不会引起相当大的应力集中此公式可以解释同成分、同孔隙度材料，由于制造工艺不同所得的不同抗拉强度值塑性包括延伸率和断面收缩率粉末材料由于孔隙的存在，有利于裂纹的形成和扩张，所以表现出低拉伸塑性和脆性延伸率强烈地依赖于试样密度，它受孔隙度的强烈影响，并对孔隙形状很敏感主要包括冲击韧性和疲劳强度，它们强烈地依赖于材料的塑性，因而也象塑性一样强烈地依赖于孔隙度孔隙度为15％～20％的粉末材料的冲击韧性值很小，纤维材料的冲击韧性比粉末材料高得多。材料对能量很大、次数很少的冲击抗力主要决定于材料的冲击韧性；对小能量、次数很多的冲击抗力主要决定于材料的强度多孔材料冲击韧性虽然很低，孔隙的存在使材料的弹性内耗很大，减震性能好，小能量多次冲击性能很好。烧结钢疲劳强度低的主要原因是孔隙起了断裂源的作用硬度对孔隙形状不敏感的性能，主要取决于材料的孔隙度。如烧结铁的HB硬度值对孔隙形状不敏感，主要依赖于孔隙度弹性模量表征着点阵中原子间的结合强度，是应力－应变曲线在弹性范围内直线段的斜率烧结多孔铁的弹性模量随孔隙度的增加而降低2.孔隙对粉末冶金材料断裂机理的影响孔隙对断裂机理的共性影响按照孔隙对材料断裂影响的机理不同，可将粉末冶金材料分为两大类：脆性粉末冶金材料和塑性粉末冶金材料。a)脆性粉末冶金材料包括硬质合金、金属陶瓷、难熔化合物等，塑性粉末冶金材料包括烧结金属、合金、多孔金属等；脆性粉末冶金材料断裂机理：孔隙引起强烈的应力集中，成为材料中的薄弱环节，使材料在较低的应力下断裂。在脆性粉末冶金材料中，能引起应力集中和强度下降的孔隙因素包括：孔隙度的增大、孔隙不规则程度的增加、孔隙曲率半径的减小、孔隙间距的减小和孔隙邻接度的增加等。b)塑性粉末冶金材料断裂机理：孔隙没有引起相当大的应力集中，主要是削弱了试样承载的有效断面，存在着应力在材料中的不均匀分布，从而使材料断裂；[高孔隙度烧结铁断裂机理：主要沿原始颗粒晶间断裂，由于孔隙的非均匀分布，原始颗粒之间的联结很弱，容易发生解理和分离，所以断裂在原始颗粒之间孔隙的连接处发生；低孔隙度烧结铁断裂机理：主要是穿晶断裂，细小孔隙在切应力作用下迅速长大，然后增殖、聚合，最后连接形成断裂。]三、材料的强韧化1.颗粒强化钢结硬质合金以钢为粘结剂，以硬质化合物作硬质相，其结构与硬质合金类似，但硬度、耐磨性能明显强于钢，故被称为钢结硬质合金。其组织特点是硬而耐磨的硬质相均匀分布于钢基体中，钢基体赋予合金广泛的工艺特性，而硬质相则使得合金的硬度和耐磨性能大幅提高。应用：工模具、耐磨零件与机器零件、刃具。强化颗粒对材料性能的影响因素复合材料的屈服强度与基体及第二相颗粒的本身性质有关，并与颗粒间距平方根成反比关系。第二相颗粒与基体之间存在界面，如颗粒存在尖角，则容易在界面尖角处形成应力集中，故作为第二相的强化颗粒理想的形态应为圆形或椭圆形，并且表面较光滑。当第二相颗粒含量一定时，粒子愈细则数量愈多，因而粒子间距也就愈小，材料强度也越高。当第二相颗粒大小一定时，其含量越高则粒子间距越小，材料强度也越高，但当颗粒含量达到某一比例时，由于颗粒聚集而产生的应力集中反而会使材料强度下降。CGb2G屈服强度第二相颗粒分布越均匀弥散，材料强度越高。颗粒增强铝基复合材料(PRAC)以铝或铝合金为基体，与颗粒增强体人工合成的复合材料，是最具发展潜力的金属基复合材料之一，其中以碳化硅、氧化铝颗粒增强铝基复合材料的发展最为迅猛。2.弥散强化弥散强化材料主要利用基体的强度，工作温度不能太高，使用温度通常为基体材料熔点的80％－85％;3.纤维强化纤维强化材料则是利用纤维的强度，它有可能在基体熔点附近的高温使用;将具有高强度的纤维或晶须加到金属（合金）基体中使金属得到强化，这样的材料称为纤维强化金属材料;纤维强化的机理纤维强化材料所用纤维均是具有高键合强度的硬质材料，硬质材料虽有高键合强度，但由于裂纹的存在，导致断裂强度大幅下降，使键合强度不能充分利用。与弥散强化相比，二者虽都是软硬两种材料掺和在一起，但强化机理是不同的。纤维强化主要依靠纤维本身承受主要负荷，在工作过程中，外力可能同时作用到基体和纤维上，作用到基体上的力，通过基体的范性流变将负荷转移到纤维上；弥散强化则主要利用硬的粒子阻碍位错的运动或增强加工硬化的作用，因而弥散粒子间距对强化极为关键4.弥散强化材料的性能弥散强化材料尽管有低延性的缺点，但其在性能上的优越性是主要的。主要有：•再结晶温度高，组织稳定。•屈服强度和抗拉强度高。•随温度提高硬度下降得少。•高温蠕变性能好。•疲劳强度高。传导性高5.金属陶瓷性能及其影响因素金属陶瓷利用金属硬质化合物相的高温强度与金属的塑性而用作耐热材料金属陶瓷包括：氧化物基金属陶瓷；碳化物基金属陶瓷；其他难熔金属化合物（氮化物、硼化物、硅化物）基金属陶瓷等以碳化钛基金属陶瓷为例，讨论其性能及其影响因素•粘结剂含量极大地影响金属陶瓷的密度、硬度和强度。随着粘结剂含量的增加，密度和抗弯强度是增加的，而硬度是降低的。•金属陶瓷一般具有较好的抗氧化性，材料的抗氧化能力取决于表面氧化物的特征，致密的表面氧化层抗氧化能力较高。•抗热震性是材料抵抗由于环境温度突然变化而产生的热应力导致破坏的能力。材料的抗拉强度要大于热应力，材料才不致破坏。一般说来，金属陶瓷的热震性是比较差的，需要注意改善抗热震性的研究四、粉末冶金减摩耐磨材料1.粉末冶金减摩耐磨材料的特点粉末冶金减磨耐磨材料是指用粉末冶金方法制造的、具有低摩擦系数和高耐磨性能的金属材料或金属与非金属的复合材料，通常由具有一定强度的金属基体和起减摩耐磨作用的润滑组元所组成。基体应保证减摩零件的强度，以便承受使用条件下外力对接触表面的载荷。均匀分布在基体孔隙中的润滑油或固体润滑组元能起到减摩作用，它们在摩擦表面形成稳定而连续的油膜或固体润滑膜，而使摩擦系数大大降低。这种由材料内部提供润滑源的方式称为“自润滑”，其作用是使减摩耐磨材料在有限外供油的条件下和在干摩擦条件下仍能正常工作。用粉末冶金方法制成的减摩耐磨材料具有以下特点：•可利用烧结金属的多孔性，以浸渍和储存润滑油；•能充分利用各种粉末状的固体润滑剂，也可在制造过程中形成新的固体润滑相；•可在较宽成分范围内组合各种金属和非金属物质，制造出不同组织和结构的复合材料，满足各种摩擦条件的需要；•材料的润滑性能稳定，磨损小，磨合性、抗卡性良好，从而可靠性高，使用寿命长。•由于粉末冶金方法可在较大范围内调整基体和减摩润滑组元的成分及含量,这种材料具有良好的自润滑性能，因而应用范围比一般铸造金属或塑料减摩材料广泛，能在缺油甚至无油润滑的干摩擦条件下，或在高速、高载荷、高温、高真空等极限润滑条件下工作，使用寿命较长和可靠性较高•作为一类新型润滑材料，粉末冶金减摩耐磨固体自润滑材料在性能上极大地突破了传统材料的使用极限，这就为解决现代高技术机械急需解决的超低温、超高真空、强辐射、高速高负载、特殊介质等典型特殊工况条件下的摩擦磨损问题提供了强有力的技术支持，同时也为提高机械的稳定性和可靠性奠定了重要的基础。2.多孔含油轴承•多孔含油轴承是一种具有直接储存润滑油进行自润滑特点的轴承。这种材料是多孔结构的，孔隙约占体积的10-35%。它的基体被加工成为多孔的组织结构，具有一定渗透性；制成后用适当的润滑剂(一般用润滑油)加以浸渍，使润滑剂充填到基体的孔隙中储存起来。利用烧结体多孔性的浸油特性，工作状态下能实现在自行供油的滑动支承称为多孔含油轴承。轴承运转时，由于轴颈转动的抽吸作用及轴承发热时油的膨胀作用，这些润滑剂会从孔隙中渗出，润滑工作表面；停止运转时，因毛细管作用，润滑剂又重缩回到多孔基体中储存起来。润滑剂的流失量一般甚少，故在相当长时间内，即使不加润滑油仍能很好地工作。如果定期给以供油，则使用效果更佳。但由于其韧性较小，故宜用于平稳无冲击载荷及中低速度情况。•多孔含油轴承的最大优点是结构简单，使用方便。在其尺寸公差、多孔率和表面粗糙度得到可靠控制后,具有较低的加工成本和较好的性能,已在汽车电气设备、音响设备、家电产品等领域得到广泛的应用。•由于轴承中的储油空间是用材料换取来的，因而牺牲了部分机械的强度，含油轴承的强度比实体轴承低，不适于重载和有冲击载荷的工况。尽管如此，含油轴承与固体润滑的轴承相比，磨擦系数低5倍以上，并且具有工作噪音低和占用空间小的优点。含油轴承另外一个优点是成本低廉。由于制造过程无切削，材料利用率高，适于大批量规模化生产，从而广泛应用于各个行业。我国已有专门制造含油轴承的工厂，需用时可根据设计手册选用。3.钢背双金属减摩材料•钢背双金属减摩材料不仅赋予材料良好的减摩性能和较