高压处理残余应力

高压处理剩余应力高温高压物理实验室王永照1.高压制备热电材料的进展近年来，许多研究工作者利用高温高压技术处理超导体材料方面的研究结果说明：高温高压技术不仅能够合成功能材料，同时它还是改善材料性质的一个有效手段。热电材料的制备多限于常压下的高温烧结或其它气相沉积等方法，而用高压手段制备热电材料，并研究其热电性质随合成压力的变化关系是一个新兴的课题吉林大学的朱品文等人以高温高压为手段，成功地合成出了PbTe，对合成样品的X射线测试结果显示：其样品具有NaCI结构的多晶，并且其取向随着合成压力的升高发生变化；扫描电镜分析结果显示：其晶粒有明显的取向。该样品的电阻率比常压样品低1~2个数量级，并随合成压力的升高而降低，热导率也同时低于常压合成的PbTe样品，说明高压合成方法是改善材料性能的重要手段。针对传统烧结工艺烧结温度高、保温时间较长等导致晶粒长大的缺乏，采用高压烧结方法进行了探索性实验。烧结时的压力从传统方法的100MPa左右，提高到1-6GPa，同时，烧结温度和保温时间大幅度降低。从实验中观测到：在大多数情况下，烧结完成后，烧结产物发生了破碎或出现明显的裂纹，很难得到完好的方钻矿块体。高压烧结方钻矿的裂纹问题成为进一步研究高压烧结方钴矿方法的关键问题2.烧结的模型化理论对烧结过程模型化，即把烧结过程分解为一系列依次进行的烧结阶段，尽管在实际烧结过程中这些接管有时互相重叠。烧结过程一般可以被分解为下述7个阶段：1．颗粒之间形成接触；2．烧结颈长大(颈长)；3．连通孔洞闭合；4．孔洞圆化；5．孔洞收缩和致密话；6．孔洞粗化；7．晶粒长大。一般也有烧结初期、烧结中期和烧结后期的说法。烧结初期指的是颗粒之间形成接触和烧结颈长大阶段；烧结中期包括了连通孔洞闭合、孔洞圆滑和孔洞收缩与致密化阶段；烧结后期是指孔洞粗化和晶粒长大阶段。如图1．2：由于粉末生产的方法不同，实际粉末的形状是多样的。在理论研究中，颗粒常常被认为是球形，这是一种模型化。最简单的颗粒接触模型球。球，球．板，线．线模型。这种颗粒形状与接触的极为简单的几何抽象，脱离了复杂的实际情况，但却为揭示烧结过程的物理本质，进行第一层面的烧结理论的研究开辟了道路。烧结定量理论的研究是从单元模型(球．球)开始的，如图1．3，Frenkel(1945)第一次把复杂的颗粒系统简化为两球模型，研究了晶体颗粒的粘性流动，导出了烧结颈长大速率的动力学方程。随后，不断有人研究这一方面的烧结问题。3.烧结中的弹性后效现象与剩余应力弹性后效是粉末冶金中的现象【391，金属粉末在坯体温压烧结成型过程中，颗粒之间发生弹性变形和塑性变形，以及机械咬合等物理现象。在成型压力去掉后和脱模时，坯体释放应力能而膨胀，产生弹性后效。压坯的弹性后效并非是自由的，而是要受到粉末颗粒之间接触区域结合强度的限制。弹性后效持续的时间可能很长。粉末的特性、成型的压力、成型剂等因素决定弹性后效的大小。弹性后效会引起相应的剩余应力，严重者使坯体分层和产生裂纹，这种缺陷对烧结体均匀显微结构的形成产生持续的不利的影响。已见有关烧结剩余应力以及弹性后效的报道多为实验方面的研究，有关其理论的研究很少。3.高压烧结中的剩余应力在高压烧结方钴矿的实验中，我们发现大多数烧结产物均存在明显的裂纹或发生破裂，初步分析认为是由于烧结产物的弹性后效引起的。在高压烧结过程中，方钴矿粉体颗粒在高压状态下烧结而形成块体材料，颗粒之间发生接触、形等物理现象，同时晶粒生长结合，当撤去外加压力并降温时，烧结物应变能释放并膨胀，产生弹性后效，由于粉末之间接触区域结合强度的限制，产物内产生剩余应力，从而过高的剩余应力和较低的结合强度将引起材料发生破坏。3.1高压烧结剩余应力模型的建立颗粒的烧结过程是多因素(温度、压力、气氛、粉末性质等)影响下的化学、物理、物理冶金和物理化学程，由于因素的复杂性，关于烧结理论的研究，还没有形成一个统一的烧结理论，往往多为定性的解释。单元模(球．球模型)是烧结定量理论研究的开始，颗粒烧结的模型被简化为两球烧结模型。两球接触部位称为烧结颈，以及烧结颈的扩展、拓宽和生长，以及两球心距离的缩短表示烧结过程的进行。本文在球-球模型的根底上，将高压烧结热电材料中的粉体颗粒烧结过程初步简化为以下的模型：两个同等大小、材料属性相同的圆球在集中力荷载的作用下接触，接触区域由点接触变为面接触，如图3．1中a、b所示，模拟加压过程；保持集中力不变，升温，接触面烧结在一起，如图3．1中c，模拟保压升温烧结过程；撤掉集中力，降温，如图3．1中d，模拟卸压降温、脱模过程。为了减少影响因素，没有考虑颗粒之间的摩擦和其他作用，对于温度的影响，也只认为其引发烧结，而暂未考虑其对球体变形和其他的影响本文在球-球模型的根底上，将高压烧结热电材料中的粉体颗粒烧结过程初步简化为以下的模型：两个同等大小、材料属性相同的圆球在集中力荷载的作用下接触，接触区域由点接触变为面接触，如图3．1中a、b所示，模拟加压过程；保持集中力不变，升温，接触面烧结在一起，如图3．1中c，模拟保压升温烧结过程；撤掉集中力，降温，如图3．1中d，模拟卸压降温、脱模过程。为了减少影响因素，没有考虑颗粒之间的摩擦和其他作用，对于温度的影响，也只认为其引发烧结，而暂未考虑其对球体变形和其他的影响。由于烧结块体在六个面上分别受到相同大小的压力的作用，颗粒堆积情况非常复杂，本文模型假设的集中力与对应的远场真实烧结压力的关系也非常复杂，所以本文在模型的集中力与烧结压力的对应关系上，也做了一定的简化：将烧结颗粒做整齐排列，并只考虑单轴上的压力，从而得到烧结压力90和集中力P之间的对应关系：P=4R2吼，R为颗粒的半径。3.2模型的理论值对于上节提出的高压烧结剩余应力的力学模型，该模型的两球在没有烧结结前即赫兹球球接触问趔431，可以得到此时两球接触处的接触压力分布，称之为第一步；烧结卸压后两球接触处接触压力的求解，称之为第二步。求得此时的接触压力分布，根据布希涅斯克解答，即可求得此时球体内剩余应力的分布。在第二步的求解中，将借助赫兹接触的求解思想和希赖什尔问题的解。两个弹性体都是圆球体，其半径分别为R和恐，如图3-3。当没有压力作用时，两球体仅在一点D接触。设两球体外表上距公共法线为，的M点和鸩点，它们距公共切面的距离分别为Z1和z，那么由几何关系有当两球体以某一力P相压时，在接触点附近将发生局部形变而出现一个边界为圆形的接触面。由于接触面的边界半径总是远小于足和足，故可以用关于半空间体的成果来分析此种局部形变。命M沿zl方向的位移及腹沿z：方向的位移分别为w和％，并命zI轴上及乞轴上“距O较远处’’的两点相互趋近的距离为口，那么M和M：之间距离的缩短为a-(w。+w2)。这里所谓“距D较远处"，是指该处的形变已经可以略去不计。假定在发生局部形变以后，M和M，成为接触面上的同一点M，那么由几何关系有剩余应力模型理论值两球接触处烧结并撤掉压力后，由于两球完全相等，根据对称原理，撤压后的两球之间接触面仍为原圆接触面，并只存在法向接触压力，两球在接触处的竖向位移仍应满足相同形式的方程式：从力学意义上分析，暂不考虑上球，暴露赫兹接触接触压力，而在下球接触处叠加上希赖什尔接触压力大小相等，方向相反的拉力，此时下球接触处的受力状态正好为烧结卸压后的状态。此时接触面上点竖直位移为常数口一口’，方向指向球心。如图3．7。上球同理。3.3有限元验证本章针对上一章描述的高压烧结方钴矿材料实验烧结产物发生破裂或存在明显裂纹的实验现象，根据烧结过程的弹性后效力学原理和两球烧结模型的模型化思想，对高压烧结剩余应力进行了初步的研究：1．建立了一个计算高压烧结剩余应力的简化力学模型。在该模型中，烧结颗粒被简化为两个同等大小的圆球，在集中力荷载下发生接触变形，然后在一定的温度下