Самостійна робота студента включає наступні питання

№ з/п	Назва теми	Кількість годин с/з
1	Міжфазна взаємодія в КМ. Типи зв’язків між компонентами. Класи взаємодії	5/12
2	Критерії міцності КМ. Мінімальна і критична концентрації наповнювачів. Правило сумішей. В’язкість руйнування композитних матеріалів.	5/10
3	Методи отримання МКМ. Твердофазне і рідкофазне отримання. Переваги і недоліки. Особливості процесу осадження-напилення.	5/10
4	Вуглепластики. Структура, технологія отримання та властивості вуглепластиків з термопластичною і термореактивною матрицями.	5/10
5	Фактори впливу на інтенсивність та механізм розмелювання. Форма розмольних тіл, середовище та тривалість розмолу. Критична швидкість подрібнення. Отримання порошків методом термічної дисоціації карбонілів металів.	5/10
6	Адсорбційність порошку. Фізична адсорбція. Статичні та динамічні адсорбційні методи дослідження..	5/10
7	Бічний тиск при пресуванні. Розподіл тису. Коефіцієнт бічного тиску	5/10
8	Пневмомеханічне пресування. Особливості процесу, конструкція машин. Переваги даного способу.	5/9
9	Основні процеси та особливості спікання. Механізм об’ємної деформації часток. Стадії ущільнення при нагріві. Рекристалізація при спіканні.	5/10
	Разом	45/91

1. Міжфазна взаємодія в КМ. Типи зв’язків між компонентами. Класи взаємодії.

Для успішного встановлення оптимальної технології виготовлення та складу композиту з метою отримання матеріалу з найвищими функціональними показниками необхідно знати процеси, що відбуваються в матеріалі при його виготовленні, переробці в вироби і їх наступної експлуатації. В процесі формування КМ відбувається фізико-хімічна взаємодія компонентів, які знаходяться в різних агрегатних станах, що призводить до утворення фаз і границь розділу між складовими частинами. Зона розділу фаз визначає більшість властивостей, що характеризують КМ, як конструкційний матеріал: міцність, стійкість до механічного зношування та корозії, тепло-, електропровідність тощо. Міжфазна взаємодія компонентів в КМ залежить від їх термодинамічної, кінетичної та механічної сумісності.

Термодинамічна сумісність – властивість матриці і армуючих елементів знаходитись в стані термодинамічної рівноваги при різних значеннях температури, як при виробництві, так експлуатації. Такий стан може бути досягнутий, якщо компоненти здатні ефективно взаєморозчинятись.

Кінетична сумісність – властивість компонентів знаходитись в стані метастабільної (відносно стійкої) рівноваги внаслідок адсорбції, дифузії та інших хімічних реакцій. Термодинамічно не сумісні компоненти при певних умовах (температура, тиск, тривалість впливу) можуть бути сумісними кінетично, що забезпечує досягнення відповідних властивостей.

Механічна сумісність – досягається при відповідності в певних межах характеристик пружності, пластичності, коефіцієнта теплового розширення тощо.

В спрощеному уявленні прийнято, що в КМ між компонентами можуть існувати наступні типи адгезійних зв’язків, що суттєво впливають на міцність композиту вцілому:

- механічні;

- фізичні;

- хімічні;

- комплексні.

Механічні зв’язки мають місце в КМ внаслідок механічного зачеплення компонентів за допомогою спеціально сформованих виступів, впадин, чи природних нерівностей на поверхні часток, а також існування сил тертя. Вони суттєво впливають на механічні властивості КМ з армуючими елементами у вигляді сіток, тканин, джгутів тощо.

Фізичні зв’язки є результатом міжмолекулярної взаємодії в поверхневих шарах компонентів. Найчастіше вони реалізовуються при змочуванні. Наприклад, розчином матриці армуючих елементів. Мірою змочуваності слугує крайовий кут між змочуваною поверхнею і дотичною до поверхні рідини на межі змочування. Ефективність змочування характеризується питомою поверхневою енергією, що пропорційна добутку кількості зв’язків, які належать одиничній площі поверхні, роботі, яку необхідно здійснити для розриву окремих зв’язків.

На межі поділу матриця – наповнювач важливу роль відіграють поверхневі явища. Сили зчеплення рідини з твердим тілом характеризуються роботою адгезії W_a, що дорівнює роботі їх розділення. Адгезія – це присипання двох різнорідних речовин, а когезія – це прилипання однорідних речовин, вірніше, в одній і тій самій речовині.

З метою підвищення адгезії в разі просочення волокнистих матеріалів смолами використовують тонкі проміжні покриття, названі апретами, що є сплавами Si–O–M; „розпушують” волокна повітряним струменем; застосовують пористі наповнювачі.

Чим краще змочування, тим кращий зв’язок між компонентами композиції. Якщо тверде тіло взаємодіє з двома незмішуваними рідинами, то відбувається вибіркове змочування.

Між матрицею і наповнювачем можуть бути такі типи зв’язків:

·     механічний;

·     зв’язок при змочуванні й розчиненні;

·     реакційний;

·     об’ємно-реакційний.

Механічний зв’язок здійснюється за рахунок сил Ван-дер-Ваальса (молекулярних сил). Композиційні матеріали зазвичай мають низьку міцність при поперечному розтягу та повздовжньому стиску, якщо наповнювачем є волокно.

Каркас може бути спеченим разом з наповнювачем, наприклад псевдосплав Сu —W.

Зв'язок при змочуванні і розчиненні реалізується під впливом сил поверхневого напруження і супроводжується незначним розчиненням компонентів. Реалізується цей тип зв'язку в разі просочення волоконного або спеченого пористого каркаса розплавленою матрицею або смолою за відсутності хімічних реакцій. Наприклад, Сu — W, Nb — W, полімерні пластики. Після полімеризації в пластиках зазвичай встановлюється механічний зв'язок.

Реакційний зв'язок здійснюється під час перебігу хімічних реакцій на межі поділу і супроводжується утворенням хімічних сполук, наприклад Ті–С.

Об'ємно-реакційний зв'язок – це різновид реакційного зв'язку, коли загальна хімічна реакція відбувається в кільки стадій, одна з яких контролює швидкість утворення зв'язку (див, рис. 2.2, г). Наприклад, у парі «легований алюмінієм титан — бор» реакція відбувається так: спочатку твердий розчин алюмінію и титані реагує з бором з утворенням складного дибориду А1В_х, що потім реагує з титаном і утворює диборид титану ТіВ_х і твердий розчин алюмінію в титані.

Звичайно, цей перелік не вичерпує всіх можливих зв'язків, тому що в композиційних матеріалах можуть бути різні поєднання матриць і наповнювачів, а також різні технологічні процеси утворення композиційних матеріалів. Майже в усіх випадках мають місце і відіграють вирішальну роль дифузійні процеси.

2. Критерії міцності КМ. Мінімальна і критична концентрації наповнювачів. Правило сумішей. В’язкість руйнування композитних матеріалів.

При створенні конструкційних КМ важливим параметром зміцнюючої фази є механічні напруження при розтязі впродовж деякого часу (часова границя міцності або спрощено – міцність). Міцність визначається силою міжатомної взаємодії, спектром дефектів кристалічної будови та їх рухливістю, наявністю мікротріщин і концентраторів напружень. Міцність залежить від температури і середовища, в якому здійснюється механічне навантаження зразка. Перспективними матеріалами для конструкцій є ті, в яких великий модуль Юнга. Їх можна розташувати в ряд перспективності, де значення Е (10⁵ Н/мм²) наведені в дужках після назви речовини: алмаз (12), графіт (7,7), SіС (5,6), В (4,2), W (4,12), Sі₃N₄ (3,9), А1₂O₃ (3,9), TiN (3,5), АlN (3,5), Мо (3,23), Ве (3,1), МgО (2,9), сталь (2-2,2), Ті (1,2), латунь (0,9-1,4), чавун (0,8-1,6), сплави Аl (0,72), скло (0,61-0,87), кістка (0,3), ялина (0,14 паралельно волокну), гума (0,00007).

Якщо з наведеного ряду виключити дорогі речовини (алмаз, W, Mo), шкідливі (Be) та ті, міцність яких менша за міцність сталі, то ряд перспективності речовин для використання їх у конструкційних KM як зміцнювачів буде: графіт, SiCВ, Si₃N₄, А1₂0₃, TiN, AIN, MgO, сталь.

Наведемо значення реальної міцності σ_в (МПа) речовин що використовуються на практиці: графітові волокна (7000-7500), "рояльний" сталевий дріт (3000-4000), борні волокна (4000), волокна SiC (3500), кевлар (2500-3000), скло (30-3000), титанові сплави (760-1800), міцна сталь (1500), льон (700), сплави алюмінію (150-600), латунь (120-400), магнієві сплави (200-300), бавовна і шовк (350), павутина (250), кістка (150), сухожилля (100), коноплі (80-100), шкіра (40).

Простежується закономірність: чим довше людство вдосконалює матеріал, тим більш наближається його міцність до теоретичного значення. Так, скло використовується 6-7 тисяч років, реальне σ_в ~ 0,1Е. Сталь – 2-3 тис. p., σ_в ~ 0,01Е. Шовк природа вдосконалює мільйони років, тому σ_в ~ 0,05Е, що лише вдвічі менше граничного σ_в. Цікаво також, що σ_в льону перевищує σ_в дюралюмінію – "крилатого" металу і вдвічі кращий ніж у бавовни та шовку. Враховуючи це, а також те, що льон можна вирощувати в Чорнобильській зоні промисловим способом, встановлено, що льон може бути для України перспективною сировиною для виготовлення волокон, технічних тканин і KM.

Розглянемо КМ, що складається з багатьох паралельних волокон.

Нехай зовнішня сила F прикладена вздовж волокон, довжина волокон l рівна довжині зразка. Сумарну площу поперечного перерізу волокон позначимо S_В, а всього зразка – S. Тоді

F = F_м+F_в (1.6)

де F_м і F_в – сили, що розтягують відповідно, матрицю й волокна. Вираз (1.6) можна переписати:

σ_кS =σ_м(S-S_в)+σ_вS_в, (1.7)

де σ_к, σ_м, σ_в – напруги у зразку, матриці й волокнах відповідно.

Об'ємна частка волокон V_h~-f_t а об'ємна частка матриці , а об’ємна матриць Тому (1.7) перепишемо у вигляді:

(1.8)

Одержали правило сумішей (правило адитивності) для розрахунку міцності композиційного матеріалу, збудованого з довгих волокон. Якщо волокна крихкі (карбід кремнію, графіт, бор, гідроксилапатит), то V_B має бути якомога більшою, а матриця – добре зчепленою з поверхнею волокон.

Адгезія частинки характеризує хімічну сумісність кожної структурної компоненти КМ. Хімічний потенціал відображає відношення концентрації елемента в кожній фазі до його гранично можливої концентрації. Наприклад, у КМ А1-А1₂0₃ хімічний потенціал алюмінію має бути однаковий в обох фазах, щоб уникнути дифузії алюмінію. Тоді волокна Аl₂0₃ не змінюватимуть свої властивості.

Питома поверхнева енергія (енергія, що витрачається на утворення одиниці площі поверхні або одиниці площі границі між фазами, зернами тощо) може бути дуже велика. Тому волокна при нагріванні КМ прагнутимуть скоротитись, щоб зменшити питому поверхневу енергію на границі волокно-матриця. Якщо вони циліндричні, то при високій температурі на них можуть вирости грані. Так, в КМ карбід вольфраму-кобальт співвідношення поверхневих енергій компонент оптимальне для того, щоб на частинках карбіду утворилися гострі ріжучі кромки (цей КМ використовується для виготовлення інструменту). Дифузія через границю волокно-матриця може сильно змінити зв'язок між компонентами, внаслідок чого зміниться дотичні напруження і, як результат, зросте ефективність передачі волокнам через матрицю зовнішніх напружень. При цьому зміняться неефективна довжина волокна та границя міцності .

Прикладом хорошого підбору компонентів є КМ Ni-А1₂0₃. При високій температурі реакційна зона поширюється на однакову відстань по обидва боки від границі розділу волокно-матриця. Послідовні стадії росту продукту взаємодії свідчать про рівномірність ходу реакції. Це забезпечує термодинамічну стабільність КМ і значну міцність, оскільки волокна збільшуються в діаметрі рівномірно, без утворення концентраторів напружень (пор, виступів, впадин тощо).

Якщо до матеріалу прикласти напруження більшу за границю текучості, тоді матеріал повільно деформуватиметься упродовж тривалого часу. Це явище називається текучістю (плинністю). Воно зумовлене статистичними явищами.

3. Методи отримання МКМ. Твердофазне і рідкофазне отримання. Переваги і недоліки. Особливості процесу осадження-напилення.

МКМ – особливий клас матеріалів, що характеризуються підвищеними експлуатаційними властивостями: жаростійкістю, жорсткістю, питомою міцністю. Фізико-хімічна взаємодія матриці підсилюючих компонентів МКМ відбувається у вигляді дифузії і хімічних реакцій. Основні групи МКМ:

1.  Дисперсно-зміцнені матеріали ( в тому числі і псевдо сплави.

2.  Евтектичні МКМ ( сплави з направленою кристалізацією евтектичних структур).

3.  Волокнисті матеріали, армовані дискретними складовими.

4. Вуглепластики. Структура, технологія отримання та властивості вуглепластиків з термопластичною і термореактивною матрицями.

Волокнисті пластики – КМ, що містять вуглецеві, борні, полімерні та інші високоміцні волокна. Волокнити – прес-матеріали, що складаються з рубленого волокна просоченого термореактивною синтетичною смолою. Волокнити, що містять бавовняне або хімічне волокно називають органоволокнитами, вуглецеве – карбоволокнитами, борне – бороволокнитами. Матриці виготовляють з ФФС резольного або новолачного типів.

Номенклатуру волокнистих пластиків складають:

·     склопластики – складаються з полімеру та скловолокна (висока електроізоляція, радіопрозорість, низька теплопровідність і щільність, висока міцність). Використовуються переважно в судно- та авіабудуванні;

·     азбопластики – складаються з полімеру та азбесту. Виготовляють хімічну апаратуру, триботехніку, теплостійкі деталі. Пароніт – ПКМ на основі каучука наповненого азбестом;

·     вуглепластики – складаються з полімеру і вуглеволокна. Характеризуються високою термо-, тепло-, електро-, хімічною стійкістю та низьким ТКЛР;

боропластики – складаються з термореактива та бороволокна. Характеризуються високою міцністю, жорсткістю, термостійкістю.

Вуглепластик — композитний матеріал на основі смол та вуглецевих волокон. Складається з армувального наповнювача із вуглецевого волокна і полімерної матриці. Існують десятки способів виготовлення пластикових деталей.

Вуглепластики застосовуються для виготовлення оболонок літаків, деталей двигунів, звукопоглинаючих мотогондол, елементів космічних апаратів тощо.

Композитний матеріал цього типу виявився найпридатнішим для виготовлення лопатей вітряків електростанцій.

Міцність вуглепластику залежить від міцності волокон, параметрів матриці, дотичної напруги на границі волокно-матриця, та термонапруг, що виникають при охолодженні композитного матеріалу від температури полімеризації.

5. Фактори впливу на інтенсивність та механізм розмелювання. Форма розмольних тіл, середовище та тривалість розмолу. Критична швидкість подрібнення. Отримання порошків методом термічної дисоціації карбонілів металів.

Механічні методи – це розмел стружки та відходів металообробки, розпилення рідкого металу.

Подрібнення твердих матеріалів. Під подрібненням розуміють зменшення початкового розміру частинок металу шляхом їх руйнування під дією зовнішніх сил. Найбільш доцільно використовувати механічне подрібнення при виробництві порошків крихких металів та сплавів, а особливо, стружкових та інших відходів, що утворюються при обробці металу різанням. Операція механічного подрібнення часто суміщається з операцією приготування сумішей порошків та поділяється на такі види:

1. Подрібнення в кульових млинах. Кульковий млин являє собою стальний барабан, в середині якого знаходяться стальні або твердосплавні кулі, які називають розмольними тілами. При обертанні млина розмольні тіла піднімаються разом з барабаном внаслідок тертя об його стінки до тих пір, доки кут підйому не перевищить кут відкосу, після чого розмольні тіла падають вниз і подрібнюють матеріал. Важливу роль при цьому відіграють: швидкість обертання млина; кількість розмольних тіл, їх форма; маса матеріалу, що завантажується на подрібнення; тривалість та середовище розмолу. Критична швидкість , при якій суттєво зменшується процес подрібнення. На процес подрібнення значний вплив мають також співвідношення між розмірами куль і частинок матеріалу, що подрібнюється. Кількість матеріалу, яка завантажується на подрібнення, має бути такою, щоб після початку подрібнення її об’єм не перевищував об’єму пустот чи зазорів між розмольними тілами. Із зменшенням розмірів куль інтенсивність подрібнення зростає до тих пір, поки зусилля від дії кожної з них виявиться достатнім для руйнування частинок матеріалу.

Продуктивність млинів залежить від їх розмірів, конструктивних особливостей, а також від природи матеріалу, що подрібнюється. Щоб інтенсифікувати процес розмолу, його часто поводять в рідкому середовищі, але головне, щоб це середовище не взаємодіяло з матеріалом, що подрібнюється. Це запобігає розпиленню матеріалу, зменшує тертя між кульками і матеріалом, крім того, проникаюча в тріщини рідина створює значний капілярний тиск, що також сприяє подрібненню матеріалу. Для таких млинів співвідношення середніх розмірів частинок порошку до та після подрібнення називається ступенем подрібнення і складає 50-100.

Одним з різновидів кульових млинів є атриторні пристрої. Вони являють собою розміщений вертикально нерухомий барабан, в який завантажуються розмольні тіла, а в середині нього з швидкістю 100 об/хв. і більше обертається вертикальний змішувач, який забезпечує циркуляцію розмольних тіл.

Атриторні млини конструктивно прості, зручні в експлуатації та дозволяють вести процес подрібнення безперервно, в результаті подрібнення отримують матеріал з більш рівномірним розподілом частинок за розмірами і потрібна дисперсність отримується в декілька разів швидше, ніж у звичайних млинах. Атритори досить ефективні у випадку приготування ультра-тонких сумішей різнорідних компонентів.

2. Подрібнення в кулькових вібраційних машинах. Кульові вібраційні млини забезпечують швидке та тонке подрібнення як крихких, так і пластичних матеріалів. Неврівноважені маси валу при його обертанні викликають кругові коливання корпусу млина з амплітудою 2-4мм. Розмольні тіла та матеріал, що подрібнюється, отримують часті імпульси від стінок корпуса, в результаті чого розмольні тіла підкидаються, співударяються та ковзають по стінках млина. Ударний імпульс окремого розмольного тіла відносно невеликий, однак велика кількість розмольних тіл в одиниці об’єму і висока чаcтота вібрацій забезпечують інтенсивне подрібнення матеріалу. Найбільш раціональною формою розмольних тіл в даних млинах є стальні, або твердосплавні кулі, чи циліндрики невеликої довжини. Барабан млина заповнюють розмольними тілами в основному на 70-75% об’єму матеріалу, який завантажується на подрібнення.

3. Подрібнення у вихрових млинах. Для перетворення в порошок ковких металів застосовують спосіб, в якому основні ударні і стираючі зусилля виникають при співударах частинок матеріалу, що подрібнюється. При цьому суттєво знижується забруднення порошком матеріалу робочого органу і стінок млина. В робочій камері вихрового млина (ВМ) один проти одного розміщені пропелери, що обертаються в протилежних напрямках при швидкостях приблизно 3000 об/хв., але обов’язково рівних.

Матеріал, що подрібнюється, із бункера подається у вихровий потік, який створився пропелером, де частинки матеріалу стикаються одна з одною та подрібнюються. Насосом в робочі камери подається газ, за допомогою якого вже подрібнені частинки видаляються з робочого простору і направляються в приймальну камеру. Швидкість газового потоку регулюють з таким розрахунком, щоб з робочої камери виділялись частинки потрібних розмірів, найчастіше в межах 50-350мкм. В приймальній камері частинки більших розмірів осідають на дно, після чого матеріал знову повертається в робочі камери для повторного подрібнення. В результаті вихрового подрібнення можна отримувати досить тонкі порошки, в таких випадках з метою уникнення самозапалювання порошку в робочу камеру вводять інертний газ, до якого додають до 5% О₂ для створення на частинках, що утворилися, захисних оксидних плівок.

6. Адсорбційність порошку. Фізична адсорбція. Статичні та динамічні адсорбційні методи дослідження.

На адсорбції газів ґрунтуються найбільш розповсюджені методи визначення повної чи сумарної поверхні дисперсних тіл. Фізична адсорбція, яка визначається силами Ван-дер-Ваальса забезпечує формування на поверхні порошків мономолекулярного шару газових молекул. Якщо площа, яка займається кожною молекулою відома, то може бути розрахована і площа, що покрита газом адсорбатом, тобто площа поверхні наважки порошку.

Адсорбційні методи поділяються на:

-       статичні;

-       динамічні.

В перших вимірювання проводять після досягнення рівноваги газ-тверде тіло. В других - при неперервній течії газового середовища.

Статичні методи потребують значних витрат часу, що обумовлено часом процесу встановлення адсорбційної рівноваги. Суттєво більш продуктивні динамічні методи, які базуються на різній адсорбції компонентів газової суміші поверхнею адсорбенту. Серед цих методів найчастіше використовують динамічний метод теплової адсорбції газу. Він полягає у вимірювання кількості газу, що адсорбується при охолодженні, а потім десорбується при наступному нагріві. Вміст газу адсорбату визначається по зміні теплопровідності потоку газового носія, який транспортує адсорбат через досліджуваний порошок.

7. Бічний тиск при пресуванні. Розподіл тису. Коефіцієнт бічного тиску

Порошок в прес-формі під час ущільнення проводить себе аналогічно рідині і намагається розтікатись в сторони, в результаті чого виникає тиск на стінки прес-форми, який і називається бічним тиском. Але на відміну від рідини, яка рівномірно передає прикладений до неї тиск у всіх напрямках, в порошку спостерігається значна нерівномірність його розподілу. В результаті ступінь стискання порошку в різних січеннях не однаковий, а на бічні стінки прес-форми передається значно менший тиск, ніж в напрямку пресування. Це відбувається в основному через тертя між частинками, заклинювання та інших факторів, які ускладнюють переміщення частинок в сторону. В зв`язку із цим важливою величиною є твердий коефіцієнт бічного тиску, який являє собою відношення бічного (горизонтального) тиску до тиску пресування:

Кб = р_г / р.

Його величина складає 0,2-0,5 причому чим пластичніший матеріал, тим коефіцієнт бічного тиску вищий. Коефіцієнт бічного тиску також зростає із збільшенням густини. Бічний тиск зменшується за висотою в брикеті, оскільки сили тертя, які виникають між частинками порошку й стінками прес-форми, зменшують величину осьового тиску пресування.

8. Пневмомеханічне пресування. Особливості процесу, конструкція машин. Переваги даного способу.

Залежно від виду джерела енергії розрізняють:

-  вибухове формування;

-  електрогідравлічне;

-  електромагнітне;

-  пневмомеханічне.

Пневматичне формування. При цьому використовується енергія, що виділяється при адіабатному розширенні сильно стиснутого газу (повітря, азоту та ін.), а деформування здійснюють між двома рухомими частинами машини.

При цьому із збільшенням швидкості навантаження зростають поля пружних деформацій контактів між частками і на 40 - 50 % збільшується пружна післядія порівняно із статичним пресуванням, а величина пластичної деформації зменшується (нестача часу), тому можливе крихке руйнування матеріалу в околицях зон контактів.

Брикети, отримані динамічним пресуванням, переважно володіють більшими міцнісними характеристиками (опором зсуву) в результаті утворення металевих зв’язків типу зварних під впливом тиску й температури.

9. Основні процеси та особливості спікання. Механізм об’ємної деформації часток. Стадії ущільнення при нагріві. Рекристалізація при спіканні.

Спікання – це процес розвитку схоплювання між частками і формування властивостей матеріалу, отриманого шляхом нагріву сформованого, або вільно насипаного порошку чи волокна без розплавлення основного компонента. Це одна із основних технологічних операцій порошкової металургії, в процесі якої відбувається перетворення брикету, спресованого із порошків, в тіло із властивостями, що наближаються до властивостей компактного матеріалу.

В основі спікання лежить взаємодія між частинками, що супроводжується наступними процесами:

1.  Поверхнева і об’ємна дифузія.

Схема ідеалізованої взаємодії полягає в тому, що якщо дві частки приєднати, нагріти до певної температури і витримати в такому стані то вони через деякий час зростуться. Частки наближуються, викликаючи загальну усадку всієї системи. Механізм збільшення контактної поверхні і наближення часток при спіканні за даною схемою пояснюється поверхневою дифузією атомів під впливом відмінностей в ізобарному термічному потенціалі, тобто рухливість поверхневих атомів залежить від зайнятого ними місця: атоми на контактних ділянках менш рухливі (тобто володіють меншим запасом вільної енергії), ніж на всіх інших ділянках поверхні, тому від вільних неконтактних ділянок до контактних переходить значно більше атомів, ніж в зворотному напрямку; в результаті відбувається розширення контактної ділянки (а отже і зміцнення схоплювання між частками) з одночасним наближенням геометричних центрів часток, тобто відбувається усадка.

Основний недолік даної схеми – відсутність основних елементів структури реального порошкового брикету – пустот, які під впливом поверхневої міграції атомів будуть сфероїдизуватися не змінюючись в об’ємі (без усадки). Тому зменшення об’єму порожнин може відбуватись лише в результаті затікання металу в пори, тобто при об’ємній деформації часток.

Поверхнева дифузія атомів не призводить до зміни сумарного об’єму порожнин, однак може відбутись їх коагуляція (коалесценція), тобто збільшення об’єму великих за рахунок зменшення малих порожнин, оскільки атоми на поверхнях з малим від’ємним радіусом кривизни володіють меншим запасом вільної енергії. У випадку ізольованих замкнутих порожнин міграція атомів від великих до малих буде проходити за допомогою об’ємної дифузії атомів по вакансіях (або вакансій від малих до великих порожнин відповідно).

Спікання – процес, під час якого відбувається видалення адсорбованих парів і газів, відновлення і дисоціація окисних плівок, дифузійне переміщення атомів, виправлення дефектів кристалічної гратки металевих порошків, рекристалізація, перенесення металу через газову фазу і ін.

Найважливіші дефекти при цьому:

·     вузлові вакансії решітки, що утворюються внаслідок переміщення атомів із їх нормального розташування в міжвузловини (точкові дефекти за Френкелем);

·     вузлові вакансії, що утворюються при переміщенні атомів на поверхню кристалів (точкові дефекти за Шоткі);

·     дислокації – ділянки із подібними і періодичними відхиленнями в структурі кристалів, що носять лінійний характер.

Можливі механізми взаємного припікання часток:

·     механізм в’язкої течії (аналог рідини), коли внаслідок направленого переміщення атомів із об’єму часток до контактної зони збільшується площа контакту і наближуються центри часток;

·     механізм об’ємної дифузії, коли джерелом залишкових вакансій біля перешийка є випукла поверхня часток і ріст площі контакту не супроводжується зближенням центрів;

·     механізм об’ємної дифузії, коли джерелом залишкових вакансій є границя між частками і ріст площі контакту супроводжується зближенням центрів часток;

·     механізм поверхневої дифузії, коли перенесення речовини здійснюється внаслідок дифузії атомів по поверхні від випуклих її ділянок до вгнутої ділянки поверхні перешийка;

·     механізм перенесення речовини через газову фазу під впливом перепаду тисків пару поблизу вгнутих і випуклих ділянок профілю поверхонь контакту без зближення центрів часток, а швидкість визначається коефіцієнтом дифузії в газовому середовищі;

·     механізм примусового перенесення речовини шляхом течії приконтактного перешийка під впливом притискних зусиль.

Найбільш важливою обставиною при спіканні є повзучість (крип) кристалічних тіл, тобто кінетика ущільнення при інших рівних умовах суттєво залежить від механізму повзучості. Дифузійна повзучість (крип) полягає в направленому переміщенні вакансій від поверхні, де прикладений тиск, до вільних поверхонь (зовнішніх границь, границь блоків і зерен) і відповідно зворотному русі атомів. Таке направлене переміщення атомі, що призводить до макроскопічної деформації, обумовлене градієнтом хімічного потенціалу (або градієнтом концентрації дефектів). В’язка течія кристалічних тіл при незначних навантаженнях і дифузійний перерозподіл речовини за рахунок градієнта хімічного потенціалу – ідентичні процеси, в основі яких лежить вакансійний механізм.

2.     Ущільнення при нагріві.

Переважно щільність тіл при нагріві зростає, причому пористість зростає за рахунок зменшення об’єму відкритих порожнин в результаті їх заростання.

Умовно процес усадки можна розділити на три незалежні стадії:

·     рання стадія, коли щільність прес-виробу мала і кінетика ущільнення визначається в основному процесами, що відбуваються в приконтактних ділянках, структурний стан і геометрія яких відіграють суттєве значення. Швидкість деформування висока;

·     проміжна стадія, де щільність прес-виробу достатньо велика і зменшення об’єму кожної із порожнин може відбуватися практично незалежно, а пориста матриця поводить себе як в’язке середовище із відповідним коефіцієнтом в’язкості. Ущільнення проходить рівномірно, а коалесценсія порожнин може відбуватися лише у випадку їх безпосереднього злиття;

·     пізня стадія, на якій прес-виріб містить окремі ізольовані пори, що заліковуються в результаті дифузійного розчинення в матриці. Відбувається дифузійна взаємодія між порами, завдяки чому можливий процес коалесценсії, коли поверхня пор зменшується при їх незмінному сумарному об’ємі.

3.  Рекристалізація при спіканні.

Під нею розуміють ріст зерен в тілах, що спікаються. При цьому перенесення речовини відбувається шляхом переміщення атомів через границю зерен в сторону зерна із меншою величиною вільної енергії і впоперек контактних ділянок. При рекристалізації границі між зернами мігрують до центру кривизни. Кристали, що мають більше шести граней ростуть до деякого граничного розміру, якщо ж цих граней менше шести, то кристали будуть зменшуватись до повного зникнення. Із ростом контакту між частками границі зерен отримують можливість проростати із однієї частки в другу. Цей процес називають збірною рекристалізацією між частками. Ріст зерна затримується на деякому середньому розмірі через гальмуючий вплив сторонніх включень, що розташовані на границях зерен: пори, окисні плівки на поверхні часток тощо. Оскільки пори чинять перешкоди збірній рекристалізації остання суттєво залежить від розмірів часток із збільшенням якого зростають розміри пор. Також при спіканні брикетів із дрібних порошків контури окремих часток зникають раніше, ніж в брикетах із масивних часток.

Окрім збірної рекристалізації між частками в процесі спікання спостерігається і рекристалізація обробки, що пов’язана із ростом зерен, деформованих перед спіканням.

Рекристалізація в пористих тілах залежно від температурного інтервалу спікання має декілька фаз: поверхнева рекристалізація при 0,30-0,40 Т_пл, об’ємна рекристалізація при 0,40-0,45 Т_пл, збірна рекристалізація між частками при 0,45 і вище, зокрема при 0,75-0,85 Т_пл більш інтенсивно.

Значення збірної рекристалізації між частками в процесі спікання зводиться до того, що вона завершує перебудову структури, підготовлену процесами пресування, відновлення окислів та усадкою.

4.  Перенесення атомів через газове середовище.

Перенесення речовини через газову фазу пов’язаний із процесом його випаровування при деякій температурі нагріву з поверхні одної частки і конденсацією на поверхні другої та обумовлений різницею пружності пару над цими поверхнями через різницю в кривизні поверхонь тіл дотику (частки із більшим і позитивним радіусом кривизни мають відповідно більшу пружність пару).