性能测定721.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流性能测定721.精品文档.第7篇第2章金属粉末性能检测技术2.1金属粉末性能测定与相关仪器第一节金属粉末的性能测定与相关仪器简介11金属粉末的性能测定我们讨论的金属粉末体，一般指颗粒大小在0.1m1mm范围内的颗粒。大于这个范围的一般称致密体；小于这个范围的称胶体颗粒。粉末冶金的原料粉末基本上在此范围内，个别情况也有用1mm以上的粗颗粒属颗粒冶金；小于0.1m的超细粉末应用也日渐增多。金属粉末的性能与聚集状态、聚集程度、颗粒的结晶构造、粉末颗粒的表面状态有关。在多数情况下，粉末并不以单粒存在，而是粘附聚集成链状或复杂形状，一般颗粒间的粘附力要比范得华力大得多，几乎接近库仑引力。由单颗粒聚集而成的颗粒叫二次颗粒，原始颗粒又称一次颗粒。在二次颗粒内的一次颗粒之间形成一定数量的粘接面，并存在一些微细空隙。一次颗粒可以是单晶，多半是多晶颗粒，但晶粒间没有空隙。二次颗粒的形成或由化合物单晶或多晶经分解、熔解、还原、置换或化合等理化反应并通过相变或晶型转变形成；或由极细的单颗粒，经高温处理烧结而成。颗粒的聚集状态和程度不同，粒度的含义和测定方法也不同。此外聚集程度也影响粉末的工艺性能，如流动性和松比。颗粒粗大流动性和松比高，压缩性也较好。但一次颗粒对压缩性和成形性的影响也存在，在烧结过程中，一次颗粒的作用会更大。粉末颗粒晶体实际结构表现出严重的不完整性。即存在许多结晶缺陷，如：空隙、畸变、夹杂、还有微观的点阵畸变，较高的空位浓度和位错密度，这些导致粉末具有较高的畸变能和活性。粉末颗粒越细，外表面越发达。颗粒缺陷多，内表面大。外表面是可以观察到的表面，包括凸凹部和宽度大于深度的裂隙，内表面包括深度超过宽度的裂隙、与外表面连通的孔隙、微缝、空腔等壁面，不包括颗粒内封闭的内孔。多孔颗粒的内表面更大，二次颗粒的粉末压坯，相当大一部分外表面变成了内表面。粉末极大的比表面，贮藏着高的表面能，对气体、液体和微粒有极强的吸附力。所以，超细粉末容易自发聚集成二次颗粒，在空气中极易氧化。金属粉末长期暴露在大气中，与氧或水蒸气作用，表面形成氧化膜，加上吸附的水分和气体(氮气、二氧化碳气)，使颗粒表面的复盖层可达到几百个原子的厚度。例如，超细铝粉(粒度为200600 Å)的比表面高达70m2/g，其氧化膜层可占重量的16%18%。粉末冶金工业用的铁、铜、钨等金属粉末，在技术标准中都规定了氧含量，其中包括表面吸附和氧化膜中的氧。金属粉末颗粒多数都是晶体，但颗粒的外形却不总与其特定的晶形相一致。因为除少数粉末生产方法，如气相沉积和从液相中结晶能提供粉末晶体充分成长的条件之外，通常是在生长不充分的情况下得到粉末的，而且原始粉末在经过破碎、研磨等加工后，晶体的外形已遭到破坏。制粉工艺对颗粒的晶粒结构起着主要的作用。一般说颗粒具有多晶结构，而晶粒大小取决于工艺的特点和条件。对极细的粉末，可出现单晶颗粒，既使是由这样的单晶一次颗粒组成的二次颗粒，也仍是多晶颗粒。若将粉末制成金相样品进行观察，会发现颗粒的晶粒内可能存在亚晶结构，即嵌镶块组织，进一步由金相磨片制成碳复膜，在放大倍数更高的电镜下观察，就更容易识别和测定颗粒内的亚结构1、2。嵌镶块尺寸的精确测定，可通过X射线专门仪器测得。111粉末的物理性能粉末的物理性能包括：熔点、比热、蒸气压、颗粒的密度、显微硬度、颗粒的形状与结构、颗粒的尺寸和粒度组成、比表面、X射线和电子射线的反射和衍射性质、光学和电学性质、磁学半导体性质等。粉末的熔点、蒸气压、比热及光学、X射线、磁学等性质除与同成分致密材料的差别不大外，与金刚石工具无关，所以本节不予介绍。本节只介绍颗粒形状、粒度及粒度组成、比表面、颗粒密度、粉末体密度及其测定方法2。(1)粉末颗粒形状粉末单颗粒的形状由生产方法决定，也与物质的分子或原原子排列的结晶几何学因素有关。颗粒形状不外乎球形、近球形、多角形、片状、树枝状、多孔海绵状、碟形及不规则形。表1给出颗粒形状与制粉方法的关系。表1粉末颗粒形状与制制粉方法颗粒形状生产方法颗粒形状生产方法球形气相沉积、液相沉积树枝状水溶液电解近球形气雾化、溶液置换多孔海绵状金属氧化物还原片状塑性金属机械研磨碟状蜗旋研磨多角形机械破碎不规则形水雾化、机械破碎、化学沉淀粉末颗粒形状的观察方法多采用金相显微镜法，如光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等。颗粒比较粗的粉末，可采用放大镜或肉眼观察。为了较准确地表达粉末颗粒的形状，用6种形状因子表示，即：延伸度n=l/b、扁平度m=b/t、齐格指数(被定义为延伸度与扁平度的比值lt/b2)、球形度、圆形度、粗糙度。这些形状因子都有具体规定，可全部用显微镜测定。形状因子中包括表面形状因子、体积形状因子、比形状因子(表面形状因子/体积形状因子)。(2)颗粒密度粉末颗粒的实际密度往往小于理论密度，因为粉末颗粒总是要有孔的，有的是开孔，有的是闭孔。为此对粉末提出三种密度：1)真密度(理论密度)颗粒质量除以不包括开孔和闭孔的颗粒体积所得的商值。2)似密度(比重瓶密度)颗粒质量用包括闭孔在内的颗粒体积去除得到的商值。3)有效密度颗粒质量用包括开孔、闭孔在内的颗粒体积去除得到的商值。显然，有效密度比上面两种密度值都低。下面简单介绍一下比重瓶法测似密度。测定似密度的比重瓶如图1所示：一个带细径的磨口玻璃小瓶，瓶塞中心开有0.5mm的毛细管，以排出瓶内多余的液体。当液面平齐塞子毛细管出口时，瓶内液体具有确定的容积，一般有5、10、15、20、25、50ml等不同的规格。图1比重瓶粉末试样预先干燥后再装入比重瓶，约占瓶内容积的1312。连同瓶一道称重后再装满液体，塞紧瓶塞，擦干溢出的液体再称重。按下式计算密度：d比=F2-F1/【V-（F3-F2）】/d液 (1) 式中：F1比重瓶重量；F2比重瓶加粉末的重量；F3比重瓶加粉末和充满液体后的重量；d液体的密度；V比重瓶的规定容积图1 比重瓶液体要选择粘度小、表面张力小、密度稳定、对粉末润湿性好、不起化学反应的有机介质，如乙醇、甲苯、二甲苯等。测定时最好将装好试样的比重瓶置于密封容器内抽空，再充入介质，就保证液体渗入到颗粒内的连通小孔隙和微缝，使测得的结果更接近颗粒的似密度。(3)显微硬度显微硬度是用显微硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长，经计算后得显微硬度值。测量时先将粉末试样与电木粉或树脂粉混匀，在12t/cm2压力下制成小压坯，再加热至140固化。压坯按制备粉末金相样品的办法制好试样，在2030g负荷下测量显微硬度。颗粒的显微硬度值，在很大程度上取决于粉末中各种杂质与合金组元的含量以及晶格缺欠的多少，显微硬度能够代表粉末的塑性。同种金属粉末，因生产方法不同，显微硬度也不同。纯度越高，硬度越低。退火后的粉末或减少氧、碳杂质的粉末，硬度也会降低。112粉末的工艺性能工艺性能指松装密度、摇实密度、流动性、压缩性与成形性。粉末的工艺性能主要与粉末的生产方法和粉末的处理工艺有关，如球磨、退火、加润滑剂、制粒等。(1)摇实密度和孔隙度摇实密度是在振动或敲击之下，粉末紧密充填规定的容积后测得的密度，比松装密度高出20%50%。摇实密度虽然粉末颗粒堆集得更紧密，但粉末内仍存在大量的孔隙，孔隙所占的体积称孔隙体积。孔隙体积与粉末表观体积之比称孔隙度。摇实粉末的孔隙度高于松装粉末的孔隙度，粉末的孔隙度包括了颗粒之间孔隙的体积和颗粒内孔隙的体积。如用d代表粉末的密度(摇实密度或松装密度)；以d理代表粉末材料的理论密度或颗粒的真密度，孔隙度可以表示为：=1-d/d。d/d理称粉体相对密度，可用代表，其倒数=1/为相对体积，因此有如下关系：=1-或=1-1/粉末体的孔隙度或密度是与颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末粒度和粒度组成有关的综合参数。由大小相同的规则球形颗粒组成的粉末的孔隙度，可用初等几何学方法计算。最松散的堆积，=0.476；最密集的堆积，=0.259。实际上由于颗粒的粘附，产生“拱桥效应”，使孔隙度提高。如果颗粒的大小不等，较小的颗粒填充到大颗粒的间隙中，孔隙度会降低；如果形状也不规则，那么就无法进行理论计算。实际研究证明，实际粉末的孔隙度一般均大于理想值0.259。例如球形粉末的孔隙度最低约为50%；片状粉末的孔隙度可达90%；而介于这两种形状之间的还原粉或电解粉，孔隙度则为65%75%，表2为粒度、粒度组成相同，形状不同的三种铜粉的密度和孔隙度。表2形状不同的铜粉的密度和孔隙度形状松比(gcm3)摇实密度（g/cm3）松装孔隙度(%)片状0.40.795.5不规则状2.33.1474.2球状4.55.349.4(2)流动性和松装比重(松比)普遍采用测定金属粉末流动性和松装比重的设备是哈罗流动仪，如图2。图2 哈罗流动仪测定流动性时，操作者把手指放在漏斗底部封闭斗孔，并在漏斗中倒入50g粉末。操作者移开手指，粉末开始流动，同时启动秒表，漏斗中粉末流空时，停止秒表。记下粉末流完所用的时间来作为流动性的数值，单位为秒。测定松装比重时，将粉末倒入哈罗漏斗，漏斗固定在密度杯上面的架子上。让粉末流入容量为25cm3的密度杯中，当量杯充满时，漏斗转开，用刮板将密度杯顶上的粉末刮平，杯中粉末的质量乘以0.04即松装比重，单位是g/cm3。图2哈罗流动仪示意图对一些流动性不好的粉末，不能通过哈罗漏斗，改用卡尼漏斗，卡尼漏斗小孔直径为哈罗漏斗的2倍，为5.08mm，也可以用金属丝捅动小孔，使粉末流出。粉末的流动性和松装比重，取决于颗粒形状、粒度和粒度分布，雾化粉末具有高的流动性和高的松装比重，松装比重大约为金属的50%。(3)压缩性和成形性粉末化学成分和物理性能也反应在压缩性、成形性和烧结性能上。压缩性和成形性又总称作压制性。压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力，这种能力可以在标准的模具中和规定的润滑条件下测定，用规定的单位压力所达到的压坯密度表示。一般常用压坯密度随压制压力变化的曲线表示。成形是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。用粉末成形的最小单位压制压力表示。或用压坏的强度来衡量。我国标准规定，用直径25mm的圆压模，以硬脂酸锌和三氯甲烷溶液润滑模壁，在4t/cm2压力下压制75g粉末试样，测定压坯密度(g/cm3)表示压缩性。影响压缩性的因素有颗粒的塑性或显微硬度。当压坯密度较高时，可明显看到塑性金属粉末比硬、脆材料粉末的压缩性好；球磨过的金属粉末，经退火后塑性改善，压缩性提高。金属粉末内含有合金元素或非金属夹杂时，会降低粉末的压缩性。因此，工业用粉末中C、O和酸不溶物含量的增加，必然使压缩性变差。颗粒的形状和结构也明显地影响压缩性。例如雾化粉比还原粉松装比重高，压缩性就好。凡是影响粉末密度的所有因素都对压缩性有影响。成形性受颗粒形状和结构的影响最为明显。颗粒松软，形状不规则的粉末，压紧后颗粒的连结增强，成形性好。如还原铁粉压坯强度比雾化铁粉高。在评价粉末压制性时，必须综合比较压缩性与成形性。一般说来，成形性好的粉末，压缩性差；相反，压缩性好的粉末，成形性差。例如，松装密度高的粉末，压缩性虽好，但成形性差；细粉末的成形性好，但压缩性却较差。压缩比定义为松散粉末体积与由这些粉末压成的压坯体积之比。显然，为了正确设计压制粉末的工具，必须知道粉末或粉末混合料的压缩比。哈罗流动仪测定的松装比重同在给定压力下压坯的密度之比，可以用作压缩比的量度。但是这样得到的压缩比值通常要比在一套模具中得到的压缩比值大。因为哈罗流动仪中的松装比重要低于自动压模腔中的松装粉末的比重。再者，压坯密度还取决于压坯的形状。因此，对于每一组压制工艺条件，通常都必须测定其准确的压缩比。因为压坯在生坯的情况下，必须具有足够的强度，以保证从压机搬至烧结炉的过程中不会发生磨损和破裂。球形粉末至少是高熔点的球形粉末压坯，其压坯强度极低，以致在搬运过程中不能不发生破损和破裂。因此，球形粉末很少用作冷压件。树枝状粉是冷压性能好的粉末。113粒度及粒度分布粒度是单颗粒尺寸，粒度分布是指整个粉末体。粉末的粒度和粒度组成取决于制粉方法和工艺条件。比如，机械破碎粉较粗；还原粉和电解粉可通过温度和电制度调节改变粒度组成；气相沉积粉最细。(1)粒度测定简单方法分类粉末有四种基准粒径，即几何学粒径、当量粒径、比表面粒径、光衍射粒径3。据此测定方法也分四大类(表3)。表3四种粒径测量方法一览粒径基准方法测量范围（µ）粒度分布基准几何粒径筛分析光学显微镜电子显微镜 摩尔特计数器405000.2100.015000.5重量分布个数分布个数分布个数分布当量粒径重力沉降离心沉降比浊沉降风筛水簸扩散51.0100.05500.05501.040150.50.01重量分布重量分布重量分布重量分布重量分布重量分布比表面粒径气体吸附气体透过润湿热200.001500.2100.001比表面平均比表面平均比表面平均光衍射粒径光衍射射线衍射100.0010.050.0001体积分布体积分布(2)筛分析法称取一定重量粉末，使粉末依次通过一组筛孔尺寸由大至小的筛网，按粒度分成若干级别，用筛网孔径表示各级粉末粒度。只须称出各级粉末重量就可以计算用百分数表示的粒度组成。筛分析采用规定的标准筛和专用振筛机，筛分时间也有明确规定，筛网及筛也按国家标准规定制作。(3)显微镜法普通显微镜测量繁琐费时，现在应用已经不多。相继采用图象分析计数仪和Quantimet粒度计、显微图象自动测定仪、激光粒度测定仪等。发展起来的这些仪器，快捷、准确，能够同时进行打印记录。(4)沉降分析法沉降分析方法分液体沉降和气体沉降两大类。属液体沉降法的有比浊沉降法、离心沉降法、沉降天平法、比重计法等；属气体沉降法的有气流沉降法、Sharples显微记谱仪等。沉降法优点是取样量大，代表性好，结果的统计性和再现率高。可选择不同的装置，适应较宽的粒度范围。除离心沉降和气流沉降均属静态沉降。沉降法测定原理依据斯托克斯公式。在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，粗粒沉降快。对直径为d，密度为的球形颗粒，在密度为F，粘度为的液体介质中，颗粒沉降速度V如下式：V=g(-F) d2/18 (2)式中：g是重力加速度。由公式(2)计算出颗粒直径dd=18V/g(-F)1/2 (3)如果沉降高度为h，沉降时间为t，则V=h/t(8-3)式可写成：d=【18h/g(-F)tp】1/2 (4)对不是球形粉末，沉降系数可以计算出来，利用名义粒径：C=d名h/(-F)t1/2 (5)光度沉降法利用可见光的光速透过粉末悬浊液时，因可见光被颗粒吸收，散射等而减弱，减弱程度与颗粒大小有关。利用光扫描技术和计算机技术可以制成快速沉降装置。(5)淘析法颗粒在流动介质(气体或液体)中发生非自然沉降而分级称重力淘析。其原理是流体逆着粉末向上运动，粉末按颗粒沉降速度大于或小于流体线速度而彼此分开，改变流速，可按不同的临界粒径分级。气体淘析(风筛法)装置有罗拉分级器等，在金刚石和金刚石制品上应用还不多见。114粉末的比表面粉末的比表面是粉末体的一种综合性质，是由单颗粒的粉末体性质共同决定的。比表面还代表粉末体粒度的一单值参数。用比表面法测粉末的平均粒度称为单值法，以示与分布法的区别。所谓比表面定义为质量1g的粉末所具有的总表面积。用m2/g或cm2/g表示。粉末的比表面是粉末平均粒度、颗粒形状和颗粒密度的函数。通常采用透过法和吸附法测定粉末的比表面，还有润湿热法和尺寸效应法。国际上金刚石标准，也要求测定比表面，目前国内正在进行检验该项目的准备工作。(1)气体吸附法简单原理与测定方法测定吸附在固体表面上气体单分子层的重量或体积，再由气体分子的横截面积计算一克物质的总表面积，得到每克物质的比表面。气体吸附是由于固体表面存在有剩余力场，根据这种力的性质和大小不同，分为物理吸附和化学吸附。前者是范德华力作用，气体以分子状态被吸附；后者是化学键力作用，相当于化学反应，气体以原子状态被吸附。物理吸附常在低温下发生，吸附量受气体压力的影响明显。BET法是低温氮气吸附，属于物理吸附，该法在比表面测定上广为应用。气体吸附法测定比表面的灵敏度最高，分静态法与动态法两大类。静态法包括：容量法、重量法、单点吸附法。1)容量法根据吸附平衡前后吸附气体容积的变化来确定吸附量，实际就是测定在已知容积内气体压力的变化。BET比表面装置就是采用容量法测定的。连续测定吸附气体的压力P和被吸附气体的容积V，并记下实验温度下气体的蒸气压P0，再按BET方程P/V(P0-P)=1/VmC+(C-1)/VmC·P/P0计算，再以P/V(P0-P)对P/P0作等温吸附线。2)简易单点吸附法BET法至少要测量三组P-V数据，才能得到准确的直线，称多点吸附法。由公式P/V(P0-P)=1/VmC+(C-1)P/VmCP0所作直线的斜率S和截距I，S=C-1/VmCI=1/VmC，求得：V m=1/S+I、C=S/I+1，用N2吸附时，C值很大，I值很小，使1/VmC可以忽略不计。C-1C，则BET公式简化成：P/V(P0-P)=1/Vm·P/P0 (6)图3单点吸附法与多点吸附法1多点；2单点该式表明：以 P/V(P0-P) 对 P/P0 作图，直线通过坐标原点，其斜率的倒数就是要测定的Vm。一般利用上式，在 P/P00.3 附近测一点，将它与 P/V(P0-P·P/P0) 坐标图中的原点连接，得到一通过原点的直线，见图3。一克分子气体体积为22400ml，分子数为阿佛加德罗常数N。Vm/22400W(W取样重g)为1g粉末所吸附的单分子层气体的克分子数，VmN/22400W是1g粉末吸附的单分子层气体的分子数，用一个气体分子的横截面积Am去乘VmN/22400W就得到粉末的克比表面：S=VmNAm/22400W (7)用直线的斜率和截距求出C=(斜率/截距)+1，其物理意义是：C=exp(E1-El/RT)式中：E1第一层分子的克分子吸附热；El第一层分子的克分子吸附热等于气体的液化热，如E1El，即第一层分子吸附热大于气体的液化热为第二类吸附等温线，如E1El，为第3类吸附等温线，第二类、第三类属多分子层吸附，而第一类属化学吸附或单层物理吸附。如图4。图4等温吸附线的几种类型图4 3)重量法用吸附秤直接精确称量粉末试样在吸附前后重量的变化来确定比表面的方法。该法比容量法准确，避免了“死空间”更为简便实用。4)流动法容量法和重量法皆属静态吸附法，要等吸附过程达平衡后才能进行测量，费时长。流动法是运用气体微量分析技术测定吸附或解吸前后气体的浓度变化，确定吸附量的方法。无须抽真空，操作简单迅速，适于生产现场使用。(2)气体透过法简单原理与测定方法利用气体透过粉末层的透过率来计算粉末比表面或平均粒径。特别适于亚筛级粉末平均粒度的测定。流体通过粉末床的透过率与粉末的粗细或比表面的大小有关。粉末愈细，比表面愈大，对流体的阻力也愈大。因而在单位时间内透过单位面积的流量就愈小。或者说，当粉末的孔隙度不变时，流体通过粗粉比通过细粉末的流速大。透过率和流速是容易测定的，只要找出透过率(流速)与比表面的定量关系，就可以知道粉末的比表面。Darcy给出如下公式用于测定水流过砂层的线速度：Q0/A=KPP/L (8)式中：Q0单位时间通过的流量，g/s；A砂层断面积,cm2；P在厚度L(cm)的砂层上水的压力降,g/cm2；水的粘度,(Pa.S),cm2/s；KP与砂层的孔隙率、粒度大小、形状等有关的系数，称比透过率。由式(8)可以看出，流速(Q0/A)与压力梯度(P/L)成正比，与粘度成反比，比例系数KP代表透过性。由Poiseuille粘性流动理论推导出来的柯青-卡门方程如下：Q0/A=Q3/(1-)2·g/KCS02·P/LS0=【PgA3/KCQ0L(1-)2】1/2 (9)目前测定粉末比表面的主要工业方法空气透过法就建立在此方程的基础上。常压空气透过法有两种基本形式：1)稳流式空气流速压力不变，测定比表面和平均粒度。如费歇尔微粉粒度分析仪和Permaran空气透过仪。2)变流式在空气流速和压力随时间变化的条件下，测定比表面或平均粒度。如Blaine粒度仪和Rigden仪。费氏微粉粒度分析仪，计算粒度的原理是根据Gooden等变换柯青-卡门方程后建立的公式，他们的变换如下：用粉末床尺寸表示孔隙度=1-W/PAL (10)取粉末床的重量在数值上等于粉末材料密度=1-1/AL (11)Q 和作常数处理一般取柯青常数KC=5P用P-F表示根据 dm=6×104【KCQ0L(1-)2/PgA3】1/2和 =1-1/AL ，包含相为：(1-)2/3=(1/AL)2/(AL-1/AL)3=AL/(AL-1)3又因KC/g1/2=5/9801/2=1/14整理后得： dm=6×104L/14(AL-1)3/2·Q0/P1/2 (12)设Q0=kF，k为流量系数，再用F/(P-F)代替F/P，和k为常数，与其它常数合并为一新系数：C=6×104/14(k)1/2则dm可简化为下式表达：dm=CL/(AL-1)3/2 F/P-F1/2式中：P流过粉末床之前空气压力；F通过粉末床后空气的压力。式中的A、P在试验中均可维持不变，变参数只有L和F。L由粉末床孔隙度决定，当不变时，只有F或空气通过粉末床压力降P-F是唯一需由实验测量的参数。费氏空气透过仪如图5所示2。图5费氏仪原理图1微型空气泵；2压力调节管；3干燥管；4粉末试样管；5针型阀；6U型管压力计；7粒度曲线板布莱茵(Blaine)法与费氏法不同，是在变流条件下测定空气透过粉末床时，平均压力或流量达到某规定值所需的时间，也用柯青-卡门公式计算平均粒度。Blaine微粉测试仪原理如图6所示。Keyes提出计算比表面的近似公式：S02=3/(1-)2·2Agf/ln(Ni/HjKcAm)·t/L (13)图6变流式U型管透过仪1样品管；2阀；3平衡位置线；4阀令：KB2=KcAm/2Agf式中：A样品管断面积；fU形管内液体密度；AmU形管断面积；空气粘度；Kc柯青常数；g重力加速度。上式两边乘以KB2和KcAm/2Agf得：KB2·S02=1/ln(Hi/Hj)·3/(1-)2·t/L (14)KB是由仪器结构所决定的系数，其余参数由实验确定。为了避免测定所有参数(、L、t、Hi、Hj)和每次计算麻烦，标准规定与比表面值已知标准粉末进行比较测定，先固定Hi、Hj、L等参数，将待测粉末试样与标准粉末比较，计算比表面的公式为：So=Sos=（t/ts）1/2·【3/(1-2/S3/(1-s)2 】1/2 (15)式中带角标S的所有参数是用标准粉末测定的。这样每次只要测定粉末试样的值和压力计内液面由开始的Hi降至Hf所需的时间t，代入上式计算得密积比表面So。如将固定，计算变得更简单So=KB1t，KB1是用标准粉末确定的仪器常数，实验要测的唯一参数是时间t。Blaine法与费氏法比较有以下优点：设备简单、容易操作；粉末床厚度规定为10cm，不受粉末材料密度的影响;使用玻璃试样管易于观察;不用计算粒度曲线板，直接计算较为简单;用于BET比表面预测。对于比表面大于6m2/cm3的粉末，测量精度高。对于超细粉末0.50.01m要用静态扩散装置和动态扩散装置。12成分、组织、结构的测定121化学成分分析粉末的化学成分测定，应包括主要金属的含量和杂质的含量。杂质主要包括：与主要金属结合形成固溶体或化合物的金属或非金属成分，如还原铁粉中的Si、Mn、C、P、S、O等；从原料和生产过程中带进的夹杂，如SiO2、Al2O3、硅酸盐、难熔金属和碳化物等酸不溶物；粉末表面吸附的氧、水汽和其它气体(N2、CO2)。制粉工艺带进的杂质有：水溶液电解粉末中的氢；气体还原粉末中溶解的碳、氮、氢；羰基粉末中溶解的碳等。金属粉末的化学分析与常规金属分析方法相同。首先测定主要成分的含量，然后测定其它成分包括杂质的含量。金属粉末的氧含量，除了采用库仑分析仪测定全氧量之外，还可以采用简便的氢损法，即测定可以被氢还原的金属氧化物的那部分氧含量。金刚石工具用合金粉末的含氧量不是越低越好，过低的含氧量，要求很高的工时成本，还可能损失机械性能，例如使抗弯强度和硬度降低。制定标准时，尤其注意这一点。分析时，将金属粉末试样在纯氢气流中煅烧足够长时间，粉末中的氧被还原成水蒸气；C、S与H生成挥发性化合物；与挥发性金属一同排出，测得粉末试样的重量损失，称作氢损。氢损值按下面公式计算：氢损值=（A-B）/（A-C）×100% (16)式中：A粉末试样加烧舟的重量；B氢中煅烧后残留物加烧舟的重量；C烧舟重量。如果粉末中有在分析条件下不被氢还原的氧化物(SiO2、CaO、Al2O3)，测得氢损值将低于实际的含氧量；如果在分析条件下，粉末有脱碳、脱碳反应及金属挥发时，测得的值将高于实际含氧量。氢损法测量范围：Cu、Fe粉为0.05%30%(wt)，W粉为0.01%0.5%(wt)。金属粉末的杂质测定还采用酸不溶物法，该方法的原理是：粉末试样用某种无机酸溶解，将不溶物沉淀过滤出来，980下煅烧1h后称重，再计算酸不溶物含量：铁粉盐酸不溶物=A/B×100%式中：A盐酸不溶物克数；B粉末试样克数。铜粉硝酸不溶物=A-B/C×100%式中：A硝酸不溶物克数；B相当于Sn氧化物的克数；C粉末试样的克数。Sn氧化物含量B的测定是在硝酸不溶物中加NH4I，于坩埚内加热425475，15min后冷却，再加23ml HNO3，使其溶解，再称残留物重量，前后的重量差即为B值。显然，能挥发的酸不溶物不含在测定结果中。因此Cu粉的硝酸不溶物包括SiO2、硅酸盐、Al2O3、CaO、粘土及难熔金属，也可能有硫酸铅。铁粉的盐酸不溶物除以上杂质外，还包括碳化物。化学成分分析方法很多，可根据具体情况进行选择。定量分析可用化学法、光谱法和X射线荧光分析；定性分析可采用光谱法、能谱等，对微区化学成分分析可采用电子探针、扫描电镜、俄歇电子谱仪等。还有一些其它的成分分析方法，因应用较少，不一一介绍。化学成分分析，不仅限于金属粉末的成分分析，烧结后的粉末冶金制品也需要做一定的化学成分分析。比如当制品的粉末冶金质量发生变化时，首先要做成分分析，是否在配料上出了问题或原料上有问题，确定化学成分无问题之后再进行其它工艺过程的检查。有时烧结工艺不合理也会出现化学成分的变化。如烧结温度过高，流失严重，造成低熔点金属含量降低；有时个别金属的挥发也会造成成分上的波动，如个别金属在加热时升华。工具在使用过程中的非正常破坏，分析事故原因，也会进行必要的化学成分分析，确认不是化学成分变化后，再进行其它工序的分析。122金相组织测定对粉末和粉末冶金制品的金相组织观察和测定的项目很多，如夹杂物测定、晶粒度、组织确定、断口观察测定、事故原因分析等。用光学金相方法，通过采用不同的浸蚀剂，所显示出各组织的颜色不同，可以鉴别出不同的相，如-相、碳化物相、硼化物相、-相等。当然采用扫描电镜和透射电镜分辩率更高，优点更突出，本书将另作介绍。光学显微分析，除常温光学显微镜，还有光学低温显微镜，可在-70-180下研究马氏体转变动力学和其它低温相变。光学高温显微镜，是研究金属在加热时，组织与性能的关系及组织转变动力学。高温金相技术是利用残余压力技术，以防止空气和其它气体与被加热试样表面发生作用的各种形式的金属学研究4。高温金相技术的主要应用：(1)研究金属和合金在高温加热时的显微组织及有关性能。(2)测量金属和合金在高温加热时的弹性模量、内耗、硬度及变形研究。(3)研究真空加热时金属和合金的扩散和粘结。(4)确定影响工具的耐用性的若干因素。金相组织的观察和照片记录，可采用光学显微镜、扫描图象显微镜、扫描电镜、透射电镜等。分析断口最好采用扫描电镜，因为扫描电镜具有较大的焦深和景深。金刚石工具工作面的金相观察，能正确评价工具的性能。金刚石出刃高度的观察和测定，就是一项很有意义的工作。用扫描电镜观察工具的工作面效果最好，能清楚地观察到出露金刚石形貌、金刚石脱落坑、工作面上金刚石的分布及粘结金属和金刚石界面的密联程度等。扫描电镜观察金属粉末颗粒，能清楚观察到粉末颗粒的表面形貌，尤其是颗粒表面的裂缝和微孔，同时也可以进行颗粒尺寸测定，并同时进行照片记录。对粉末颗粒的聚集状态，也能清楚地观察到，聚集状态不同会影响金属粉末的压制和成形。在高倍率下，扫描电镜和透射电镜均可观察粉末颗粒内的嵌镶块组织，嵌镶块尺寸的测定则要用专门的仪器，如X射线衍射仪测定。用扫描电镜也可以进行选定区域的成分分析。123物相结构测定与X射线衍射仪物相结构的测定，一般采用X射线衍射，根据衍射谱再进行标定。对微区精细结构，采用电子衍射、扫描电子衍射和低能电子衍射。微区衍射和标定结果，不能单独作为判据，一般与X射线衍射结合起来。X射线衍射长期以来作为物相结构分析的一项主要手段，X射线技术的应用是十分广泛的，例如用强X射辐照癌瘤、透视人体、检查伤病、透视金属、检查缺欠、确定成分、研究电子层构造、确定元素在周期表中的位置、确定单位晶胞中原子的位置等。下面简要介绍一下X射线显微分析。X射线，在1895年被德的物理学家W C rontgen发现。1914年，Mosley发现当电子或具有足够能量的X射线激发元素时，每一元素均能发出特征X射线。19201930年Nevesy研究了特征X射线的强度，之后发展进入荧光X射线光谱分析的发展阶段。X射线光学主要是在散射和衍射方面。近百余年来生产的X射线分析仪不外乎：(1)电子轰击发射X射线光谱仪，分析样品时破坏样品表面。(2)用初级X射线击发X射线荧光光谱仪两种分析结果均为大面积上的平均值。X射线的常见应用见表4。表4 X射线的应用领域及工作内容应用领域工作内容效应依据医学治疗透视检查晶体分析线谱分析强-射线辐照癌瘤透视人体检查伤病、透视金属检查缺陷确定晶胞中的原子位置、测定结构、测定已知物质加工过程引起的结构变化研究电子层结构、确定原子序数、元素在周期表中的位置、确定化学组成生理效应衰减效应衍射效应荧光效应X射线与可见光一样，为横向电磁波。但波长短，光子能量大。金属材料有着各种各样的性能，金属材料的性能主要决定于化学成分和结构。研究金属内部结构的方法大致分两大类：1)间接推测。即由某些物理常数的变化来推断组织结构的变化。2)直接观测。包括断口识别、显微观察、X射线衍射、电子衍射、中子衍射等。我们已知X射线的发生是由具有一定能量的带电粒子与物质撞击时产生，并据此原理设计生产出X射线管。X射线具备如下特性：在电场和磁场中不发生偏折。能使气体电离(把气体变成导体)。使荧光物质发荧光，如ZnS、CdS、Ba3Pb(CN)62等。使照片底片感光。比可见光、紫外线穿透本领强。无光滑镜面反射现象，因波长短，约为可见光的1/5000，可以发生折射和全反射，折射率近于1，全反射角接近于90°，X射线光学主要集中在散射和衍射方面。破坏生理组织和细胞X射线分两种，一种是连续X射线；一种是标志X射线。后者具有波长特定、强度特强，并与元素种类有关。标志X射线遵守莫塞莱定律：C/=K(Z-) (17)式中：波长；CX射线光速；屏挡系数；Z原子序数；K待定常数。标志X射线满足布拉格方程：2dhkl·sin=n；其中dhkl反射晶面的面间距；n反射级数。有了以上基础，再介绍在金属材料中用途广泛的晶体分析的基本方法。124 劳厄法用连续X射线照射不动单晶，作晶体学位向测定。对于范性变形过程中的滑移，孪生基理与孪生系统；同素异型转变(如晶格重建式马氏体相变)的位向关系；过饱和固溶体中溶质原子发生脱溶及沉淀现象；新生相对母相的取向关系；此外对一些特殊材料，也要做位向测定。测定位向只能用劳厄法，因为衍射花样不随晶胞尺寸而变，结构相同的晶体，位向与劳厄花样一一对应。125 多晶粉末法用单色X射线照射多晶粉末，有时也用多晶板和丝。用于点阵常数的精确测定。点阵常数是成分、温度和应力状态的函数，当角90°时，误差近于