烧结实践与科学原理

　　本书首先结合烧结历史与科学，概述了烧结理论的演变，并从简单的概念出发阐明了基础科学的关键问题，介绍了烧结过程中的物理化学变化及其原理，内容包括烧结热力学、动力学、液相烧结、压力烧结、复合粉体烧结、纳米粉体烧结、快速烧结等，并描述了烧结过程的表征技术手段，进行了烧结实例讲解，实现了理论与实践的紧密结合。 本书可供材料、冶金等专业研究人员及高校教师阅读，亦可作为材料专业硕士生、博士生的参考用书。

　　Randall M.German教授是国际上享有盛誉的粉末冶金专家，圣地亚哥州立大学机械工程工程研究学院的教授兼前任副院长。German教授具有出类拔萃的学术水平和卓尔不群的个人能力，在事业上如日中天。他发表了990篇论文，出版了17本书，拥有25项专利，负责编撰了19本书。在担任主持教授的同时，他所领导的主要研究任务获得了5600万美元的赞助支持。此外，作为一个身体力行的科学践行者和MPIF的成员之一，他还获得了世界科学界的荣誉博士学位——特斯拉奖章，并且是三个科技团体的董事。贾成厂，北京科技大学教授、博士生导师。承担多项国家自然科学基金，国家支撑计划、863、973项目。获国家发明专利20余项。在国内外发表论文200余篇，其中被SCI检索76篇，被EI检索127篇。获教育部科技进步二等奖，中国冶金教育协会教材一等奖，中国有色金属学会期刊二等奖。主要从事粉末冶金领域的研究。

第1章绪论/001
1.1背景001
1.2展望002
1.3定义003
1.4烧结技术005
1.5基础数据006
1.6关键资源007
参考文献008

第2章烧结的历史/011
2.1里程碑011
2.2早期烧结产品012
2.2.1土陶012
2.2.2瓷013
2.2.3铁、铜、银015
2.2.4铂金坩埚017
2.2.5铁矿石硬结019
2.2.6钨灯丝021
2.2.7硬质合金模具023
2.2.8钨基合金防辐射盾牌026
2.2.9青铜轴承026
2.2.10汽车零部件027
2.2.11聚四氟乙烯028
2.2.12烧结磨料磨具029
2.3相互依存的发展029
2.4主要经验教训030
参考文献030

第3章基础构架的发展/034
3.1烧结的定性理论034
3.1.1早期的推测034
3.1.2Rhines和Lenel理论035
3.1.3Frenkel——表面能和黏性流动035
3.2定量烧结概念的出现036
3.3理论基础的发展038
3.3.1原子理论038
3.3.2表面能039
3.3.3原子运动040
3.3.4微观结构042
3.4实验设备及性能测量046
3.4.1温度测量046
3.4.2烧结炉046
3.4.3性能量化047
3.4.4表面积047
3.4.5压力的作用048
3.4.6新型设备048
3.5组织机构的发展048
3.6整合049
3.7烧结理论的现状051
参考文献052

第4章测量工具与实验观察/058
4.1烧结过程中材料的变化058
4.2颗粒黏结061
4.2.1烧结颈尺寸061
4.2.2烧结颈形状065
4.3力学性能068
4.3.1强度068
4.3.2硬度072
4.3.3弹性模量073
4.3.4其他力学性能074
4.4尺寸变化074
4.4.1收缩075
4.4.2膨胀080
4.4.3直接成像081
4.5密度、致密度、孔隙率084
4.6传导性086
4.7磁性能087
4.8表面积和气体渗透性087
4.9孔结构090
4.10微观组织094
4.10.1晶粒尺寸分布095
4.10.2晶界与孔隙的相互作用097
4.11热学性能099
4.12小结101
参考文献103

第5章早期的定量测量/108
5.1概述108
5.2烧结科学的开端108
5.3铜的烧结109
参考文献113

第6章烧结过程中的几何轨迹/116
6.1概述116
6.2烧结的几个阶段117
6.2.1烧结前——形成接触120
6.2.2初始阶段——烧结颈长大120
6.2.3中间阶段——孔隙球化122
6.2.4终阶段——孔隙闭合123
6.3界面曲率与能量124
6.3.1曲率梯度124
6.3.2界面能量变化127
6.4微观结构变化128
6.4.1晶粒尺寸与形状129
6.4.2晶粒尺寸分布131
6.4.3孔隙结构132
6.4.4孔径分布134
6.4.5孔隙附着晶粒边界137
6.5宏观结构的变化——尺寸与形状140
6.6表面积变化143
6.6.1表面积降低143
6.6.2表面积与烧结密度144
6.7小结145
参考文献146

第7章烧结热力学与动力学/149
7.1曲率梯度与应力149
7.2气氛中的反应150
7.3物质传输机制153
7.3.1黏性流动154
7.3.2表面扩散156
7.3.3体积扩散158
7.3.4晶界扩散161
7.3.5位错运动——攀移与滑移161
7.3.6蒸发-凝聚162
7.4动力学关系163
7.4.1初始阶段164
7.4.2中间阶段167
7.4.3终阶段172
7.5工艺过程变量173
7.5.1温度174
7.5.2时间175
7.5.3升温速率176
7.5.4颗粒尺寸176
7.5.5生坯密度177
7.6小结177
参考文献178

第8章微观组织的粗化/183
8.1概述183
8.1.1特性183
8.1.2重要性185
8.1.3相互作用186
8.2晶粒粗化187
8.2.1晶粒长大速率187
8.2.2孔隙率、液相与气相的影响189
8.2.3稳定的晶粒形状191
8.2.4稳定的分布192
8.3孔隙结构变化193
8.4粗化过程中的相互作用194
8.5小结196
参考文献196

第9章液相烧结/201
9.1概述201
9.2相关概念的发展202
9.3微观组织的发展206
9.3.1典型的微观组织206
9.3.2接触角与二面角207
9.3.3体积分数209
9.3.4孔隙、孔径和孔位置210
9.3.5晶粒形状213
9.3.6粒度分布214
9.3.7晶粒间距、数量和界面面积216
9.3.8烧结颈尺寸与形状217
9.3.9固相骨架的测量218
9.3.10分析中的敏感因素219
9.4预烧结阶段220
9.4.1化学作用220
9.4.2微观组织变化221
9.5液相形成222
9.5.1固相黏结分离222
9.5.2晶粒重排224
9.6溶解-析出225
9.6.1颗粒形状改变225
9.6.2致密化227
9.6.3烧结颈生长与烧结体收缩229
9.6.4聚结230
9.6.5晶粒生长232
9.6.6孔隙填充232
9.7终固相骨架烧结阶段234
9.8瞬态液相烧结234
9.9超固相线烧结235
9.9.1致密化机理236
9.9.2颗粒属性238
9.9.3致密化模型238
9.10反应性液相239
9.11熔浸烧结241
9.12活化液相烧结242
9.13实践方面242
9.14小结243
参考文献243

第10章加压烧结/249
10.1外加压力的作用249
10.2热软化252
10.3压力效应253
10.3.1应力集中253
10.3.2塑性流动255
10.3.3颗粒加工硬化256
10.4扩散与蠕变256
10.4.1体积扩散蠕变258
10.4.2晶界扩散蠕变259
10.4.3位错攀移和幂律蠕变260
10.4.4液相和黏滞相261
10.4.5反应和放热过程262
10.4.6电场263
10.5多种机制控制的致密化速率264
10.6密度与机理图266
10.7微观组织演化267
10.8加压技术270
10.8.1应力状态和应变速率270
10.8.2单轴热压274
10.8.3热等静压275
10.8.4三轴加压277
10.8.5放电烧结278
10.8.6热锻279
10.8.7气体锻造281
10.8.8粉末挤压282
10.8.9冲击波固结282
10.9致密化的限制283
参考文献284

第11章混合粉末与复合材料/289
11.1重要性289
11.2物理作用290
11.3化学作用295
11.4溶解度的角色295
11.4.1均质化296
11.4.2膨胀299
11.4.3强化301
11.4.4复合304
11.5共烧、层状复合和两相材料烧结307
11.6小结309
参考文献309

第12章快速烧结/315
12.1概述315
12.2早期的示范317
12.3纳米粉末快速烧结319
12.4快速加热技术321
12.4.1放热反应321
12.4.2电流加热322
12.4.3等离子体放电加热322
12.4.4微波加热324
12.4.5激光和红外加热327
12.4.6感应加热329
12.5辅助压力330
12.6前景332
参考文献332

第13章纳米尺度烧结/337
13.1概述337
13.2颗粒尺寸的作用340
13.3烧结温度343
13.4不变的热力学344
13.5时间-温度-颗粒尺寸344
13.6模型和实验344
13.7解决方案345
13.8两步烧结348
13.9展望349
参考文献349

第14章计算机模型/354
14.1概述354
14.1.1模拟的基本架构355
14.1.2模拟的必要条件355
14.2程序358
14.3数据要求360
14.4原子计算362
14.4.1能量的计算方法362
14.4.2模拟程序363
14.5重塑模型365
14.6物理事件模型367
14.7蒙特卡罗法371
14.8连续介质模型与有限元分析法371
14.9离散元模型375
14.10综合烧结曲线375
14.11神经网络模型377
14.12小结377
参考文献378

第15章烧结实践/383
15.1关键参数383
15.1.1尺寸控制383
15.1.2成分控制386
15.1.3缺陷的避免390
15.2参数的控制391
15.3烧结气氛392
15.3.1反应392
15.3.2氧含量的控制395
15.3.3碳含量的控制397
15.3.4密度的变化398
15.4设备399
15.5烧结工艺过程401
15.6成本401
15.7实例401
15.7.1氧化铝402
15.7.2铝402
15.7.3黄铜和青铜403
15.7.4硬质合金404
15.7.5铜404
15.7.6金刚石405
15.7.7钢铁406
15.7.8稀土永磁体407
15.7.9碳化硅408
15.7.10氮化硅409
15.7.11不锈钢409
15.7.12钛411
15.7.13工具钢411
15.7.14钨基高比重合金413
15.7.15氧化锆413
15.8小结414
参考文献415

第16章烧结的未来展望/419
16.1联系419
16.2新材料420
16.3新的应用422
16.4新工艺423
16.5小结424
参考文献425