Теория спекания и межфазового взаимодействия

C= C₀ ·exp()

д- напряжения на границах зерен

k- постоянная Больцмана

V₀- молярный объем вещества.

Механизмы процесса спекания

При спекании транспортировка вещества осуществляется путем действия следующих механизмов:

· перенос вещества через газовую фазу

· объемная диффузия

· поверхностная диффузия

· диффузионно-вязкое течение

· течение металла под действием внешних нагрузок

Механизм переноса вещества через газовую фазу

Из-за разности давлений на выпуклых и вогнутых поверхностях с выпуклых поверхностей частиц на вогнутые поверхности шеек. При протекании процесса внешне наблюдается только рост шейки и сфероидезация пор. Кинетику процесса роста шейки между частицами по механизму переноса вещества через газовую фазу. Гегузин рассмотрел для двух случаев:

1. когда длина свободного пробега молекулы л>>p

2. л<p

В первом случае в поре отсутствует давление и соударение молекул при их движении в зону конденсации шейки маловероятно. Во втором случае, когда давление в зоне присутствует, молекулы соударяются. При этом должны соблюдаться 2 условия:

· спекающиеся частицы должны находиться в замкнутом объеме, где поддерживается равновесное парциальное давление вещества;

· длина свободного пробега молекул определяется давлением, спекаемым в объеме.

При л»p- = ()^Ѕ · ()^3/2 · ф

M-масса частицы

d- плотность вещества в конденсированной фазе.

При л<p- =

д- параметр решетки

p`- давление инертного газа в спекаемом объеме

г- удельная поверхностная энергия

p- давление пара над плоской поверхностью.

Механизм объемной диффузии

Объемная диффузия- это диффузия, протекающая в объеме материала. В отличии от поверхностной диффузии и диффузии по границам зерен, объемной диффузии присущи существенно более низкие коэффициенты диффузии вследствие более высоких значений энергии активации.

Объемная диффузия - это самодиффузия. Источниками вакансий являются:

1. вогнутая поверхность шейки

2. границы поверхностей мелких пор

3. границы зерен

4. дислокации

Сток вакансий:

1` выпуклая поверхность частиц

2` поверхность крупных пор

3` границы зерен

4` дислокации

Исходя из рисунка:

1-1`- к усадке не приводит, но приводит к повышению площади контактов

1-3`- приводит к усадке и увеличивает площадь контактов

2-2`- приводит к усадке

3-3`- приводит к усадке и росту площади контактов

Механизм поверхностной диффузии

Поверхностная диффузия - это диффузия, протекающая на поверхности материала. Поверхностная диффузия идет быстрее, чем объемная диффузия и диффузия по границам зерен. В некоторых случаях происходит поверхностная диффузия элементов, не растворяющихся в данном материале, тогда миграцию следует рассматривать не как диффузию, а как растекание. Для исследования поверхностной диффузии широко применяют авторадиографию. Поверхностная диффузия играет существенную роль в процессах спекания при низких температурах и при спекании высокодисперсных порошков. Как правило, при рассмотрении поверхностной диффузии имеют ввиду приповерхностную диффузию, т.к. вследствие высокой дефектности приповерхностных слоев, коэффициент диффузии, вакансии и атомы значительно выше значений диффузии в объеме и эти значения практически равны коэффициенту диффузии на поверхности. Поверхностная диффузия обеспечивает, в основном, рост площади контакта припекания частиц. Поверхностная диффузия не приводит к уплотнению материала, действуя в начальный момент спекания, при этом изменение объема шейки можно записать в виде:

= j_sS

S= 2рxд_s

S- поверхность, через которую идет диффузия

д_S- толщина слоя, где идет диффузия

j_s- диффузионный ток.

Механизм вязкого течения

Вязкое течение - это течение вещества, при котором взаимодействие отдельных его частей приводит к рассеиванию энергии. Простейшим видом вязкого течения является ньютоновское течение жидкости, которое характеризуется зависимостью между движением и скоростью деформации. Коэффициент пропорциональности, связывающий скорость деформации и напряжение, зависит от свойств жидкости, ее температуры и давления и называется динамический коэффициент вязкости. При аналогии с жидкостями относительное движение многих аморфных тел (например, стекла) также описывается вязким ньютоновским течением с той лишь разницей, что эти тела характеризуются большими значениями коэффициента вязкости. Рассмотрение пористых и сыпучих тел как сплошной среды позволяет описывать их сопротивление при деформировании с помощью некоторых эффективных коэффициентов сдвиговой и объемной вязкости. Конкретные пороговые и непороговые механизмы высокотемпературной деформации твердых тел описывается в терминах различных дислокаций, диффузионных представлений, которые позволяют связать коэффициент вязкости твердого тела с его структурой и физическими параметрами. Представление о вязком течении широко используется для объяснения закономерностей и расчета кинетики процессов спекания реальных порошковых формовок. Полное решение задач о кинетике спекания требует знания зависимости коэффициента вязкости твердого тела от времени. Автор этой теории Фрэнкиль. Эффект Фрэнкиля заключается в образовании высокой пористости в зоне контакта двух тел вследствие неравенства коэффициентов и их взаимной диффузии. Согласно теории вязкое течение осуществляется путем кооперативного перемещения атомов под действием сил поверхностного натяжения, вызванных кривизной поверхности. При этом коэффициент вязкости материала остается постоянным. Данная теория хорошо описывает процесс деформации аморфных материалов, для которых коэффициент вязкости является постоянным. Для кристаллических тел коэффициент вязкости не постоянен и зависит от ряда факторов, поэтому вязкое течение путем кооперативного перемещения атомов не может описать их деформацию под действием указанных сил. Для кристаллических тел это процесс непороговой ползучести, который осуществляется путем диффузионной перестройки блоков мозаики или диффузии восхождения дислокаций. Вязкое течение приводит к росту площади контакта, к сближиванию центров между ними, а также усадки. Для вывода зависимости процесса роста площади контакта и изменения межцентрового расстояния считают, что на протяжении всего процесса спекания они сохраняют сферическую форму.

Размещено на Allbest.ru