烧结如何增加强度？实现致密、高强度的材料

简而言之，烧结通过加热将单个颗粒熔合为固体，而无需将其熔化，从而增加强度。这个过程消除了颗粒之间的空隙，形成了强大的冶金键，并形成致密、连续的结构，能够有效地承受和分散机械应力。

烧结并非将材料熔化成形。相反，它是一个精确控制的热处理过程，赋予原子足够的能量，使其在颗粒边界之间移动并结合，从而将脆弱的粉末压坯转变为坚固、致密的工程材料。

基本机制：从粉末到固体

要了解烧结如何赋予强度，我们必须审视它在材料中引起的微观变化。该过程始于单个颗粒的集合，这些颗粒通常被压制成所需的形状（“生坯”），其结构完整性非常低。

在高于室温但远低于材料熔点的温度下，颗粒内的原子获得显著的热能。这种能量使它们能够从高浓度区域移动或扩散到低浓度区域。这与地质时期自然发生的相同基本过程，将矿物颗粒熔合为高密度矿石。

该过程始于颗粒接触的地方。原子迁移到这些接触点，形成小的桥梁或“颈部”。随着更多的原子扩散到这些区域，颈部变得更宽更坚固，有效地通过强大的冶金键将颗粒焊接在一起。

最初的粉末压坯充满了空隙或孔隙。随着颗粒之间颈部的生长，这些孔隙缩小并逐渐被消除。材料变得更致密。消除这种孔隙是强度增加的主要来源，因为孔隙是内部缺陷，应力作用下裂纹很容易从此处开始。

松散的粉末集合几乎没有强度，因为颗粒之间没有结合。烧结通过创建统一的固体结构从根本上改变了这一点。

未烧结部件中的空隙是显著的弱点。当施加力时，应力高度集中在颗粒之间微小的接触点上，导致立即失效。通过创建致密、连续的结构，烧结允许力均匀地分布在整个材料上。

烧结将单个晶粒的机械集合体转变为单一的多晶固体。力不再通过脆弱的物理接触点传递，而是通过连续的强大原子键网络传递。这就像一堆沙子和一块坚固的砂岩之间的区别。

烧结虽然强大，但它是一个需要精确控制的精细过程。否则，最终部件的强度和完整性可能会受到损害。

尽管材料未熔化，但在烧结温度下它处于软化状态。因此，零件可能会在其自身重量下变形（下垂）或由于与所放置表面的摩擦而变形。这可能会损害最终尺寸并引入内应力。

如果温度过低或时间过短，颈部形成和致密化过程将不完全。所得部件将保留高度孔隙率，使其比完全烧结的部件显著更弱、更脆。

相反，在过高的温度下或过长的时间进行烧结会导致材料内的单个晶体（晶粒）生长过大。虽然材料可能致密，但过大的晶粒有时会降低韧性并使材料更容易断裂。

您对最终部件的具体目标将决定您如何进行烧结过程。

通过掌握这种热处理过程，您从根本上控制原子运动以构建卓越的宏观强度。