许飞;焦磊;张娟
【摘 要】以316L不锈钢粉末为原料，采用模压成形与烧结工艺，制备出孔隙度为20％～45％的烧结316L不锈钢粉末多孔材料，分别采用了1150~C和1200~C烧结温度．结果表明：1200℃对比1150％烧结温度可改善烧结316L不锈钢粉末多孔材料烧结颈的发育情况，提高烧结颈的结合强度，试样表现出更好的力学性能．其拉伸力学行为表现为宏观上为脆性断裂，在局部区域内为塑性变形，试样在很小的塑性变形后即发生断裂，断口显示出韧窝形态．随着孔隙度的升高，韧窝数量及分布减少．%In this study, with 316L stainless steel powder as raw material, 316L sintered stainless steel powder porous material of 20% -45% was prepared at 1 150℃ and 1200℃ respectively. The technique adopted was die forming and sintering. The experiment shows that, compared with sintering at 1 150℃, sintering at 1 200℃ resulted in an obvious improvement of the sintered neck of sintered 316L stainless steel powder porous material, an enhanced strength and better mechanical properties. The material＇ s tensile mechanical behavior features a general brittle fracture and partial plasti c deformation. When slightly deformed, the sample fractured. The rupture takes on the form of a dimple. With the increase of porosity, the number and distribution of dimples decrease.
【期刊名称】《西安文理学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(015)003
【总页数】5页(P61-65)
【关键词】烧结;金属多孔材料;孔隙度;拉伸性能
【作 者】许飞;焦磊;张娟
【作者单位】西北有金属研究院材料分析中心,西安710016;西北有金属研究院材料分析中心,西安710016;西北有金属研究院材料分析中心,西安710016
【正文语种】中 文
【中图分类】TB383
烧结316L不锈钢粉末多孔材料具有耐高温、耐腐蚀、易加工等优点，作为重要的过滤分离材料而广泛应用于石油、化工、核能等工业领域.随着其应用领域的扩展及服役环境越来越苛刻，很有必要对其力学性能进行全面的研究.
抗拉强度是材料在静拉伸条件下的极限承载能力，多孔材料由于孔的存在抗拉强度下降很显著，在产品设计时，其许用应力是以抗拉强度为指标的.对于有一定塑性的烧结金属粉末多孔材料，在外力的作用下会产生小量的塑性变形，孔隙度也将发生变化，由于孔隙度较高的材料塑性变形很小，在很小的塑性变形后即发生断裂.这是由于其内部组织结构的复杂性与不均匀性，材料中的缺陷或裂纹比致密材料中多而且大得多造成的.
1 样品制备
烧结316L不锈钢粉末多孔材料的制备工序流程如图1.采用－320目316L不锈钢粉末，通过模压成形再进行烧结制备出试样.烧结温度1 200℃时制备出期望孔隙度分别为20%、25%、30%、40%、45%的五组试样，烧结温度1 150℃时制备出期望孔隙度分别为20%、25%、30%的三组试样，每组三个样.样品原始尺寸为10×24×25 mm.当要求更进一步改善其力学性能和耐腐蚀性能时，可采用1 315℃烧结温度［1］.
图1 多孔材料的制备工序流程
抗拉强度是结构材料最重要的力学性能指标之一.由于材料中孔的存在，烧结316L不锈钢粉末多孔材料的抗拉强度跟致密金属材料相比下降很多.由于制备样品采用模压成形，高温烧结而成，原始样品的尺寸很小(10×24×25 mm)，不能按照GB/T228－2002制备国标样品.设计了厚度为2 mm的工字形拉伸试样并自制了夹具，拉伸样品规格见图2.工字形拉伸试样采用线切割加工而成，采用相对应的夹具装夹样品，能够保证中轴线垂直，得到的抗拉强度较为准确.
图2 拉伸样品尺寸图/mm
2 试验结果及分析
拉伸试验在Instron 5982材料试验机上进行，将工字型拉伸样品夹持在试验机中轴线上，保持受力严格垂直.拉伸速率采取0.25 mm/min，试验机采集相应的载荷与变形绘制出应力－应变曲线图，由拉伸曲线上测出试验中的最大力值，除以试样原始横截面积得出抗拉强度Rm.
2.1 孔隙度对试样抗拉强度的影响
塑性材料的拉伸应力－应变曲线特点是包含弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀塑性变形(产生颈缩)、断裂的过程.脆性材料的拉伸应力－应变曲线特点是只发生弹性变形，不发生塑性变形，在最高载荷断裂，形成平断口.图3为22.1%孔隙度烧结316L不锈钢粉末多孔材料与316L不锈钢致密材料的拉伸应力－应变曲线.316L不锈钢在常温下显示出非常好的塑性，应力－应变曲线为连续过渡型，拉伸曲线没有明显的屈服平台.
烧结316L不锈钢粉末多孔材料的拉伸性能跟致密金属材料相比，在于粉末颗粒之间的接触面的影响，主要差别在于孔的影响，如孔隙度、孔的形状和大小、孔径及分布等.由于烧结316L不锈钢粉末多孔材料中大部分孔是不规则形状的，角形孔在载荷作用下，尖角处产生应力集中而成为裂纹萌生处，显著降低材料拉伸性能.球形孔的边缘呈弧状，导致应力分散;针状或长条状孔的边缘有些为锐角，它们周围的应力比球形孔的集中，所以球形孔对拉伸性能的影响远比针状或长条状孔的小.孔隙的存在明显降低了载荷作用横截面积，同时孔隙也是引起应力集中的地方，可以认为是材料内部最主要的组织缺陷，因而跟致密金属材料相比，烧结金属粉末多孔材料的拉伸力学性能显著下降.
图4为1 200℃烧结四个孔隙度试样的拉伸应力－应变曲线，可以看出最初显示的都是线性弹性行为，然后是形变硬化，表现出一定的塑性，但不出现颈缩.多孔材料拉伸的弹性阶段主要是孔壁的弹性阶段，而孔壁一旦发生屈服，孔的形状发生不可回复的变化，则意味着试样孔隙度的变化［2］.由于一般把延伸率在5%以上的断裂归为韧性断裂，延伸率低于5%的断裂归为脆性断裂，除22.1%孔隙度试样表现出一定塑性外，其他更高孔隙度试样均为脆性断裂.由于孔的存在，使得载荷承受在连接的粉末颗粒的接触面上，随着载荷的增加，由于各烧结体的形状、大小不同，烧结体之间的应力状态也不同，其塑性变形量也不均匀，当宏观上塑性变形量还不大的时候，个别烧结体或烧结体之间的接触面的塑性变形量已达极限值，甚至发生断裂.随着部分烧结体或接触面发生断裂，基体内烧结体或接触面的面积减少，只剩下个别大的烧结体或接触面，使得其承受的载荷增大，因此也很快断裂，所以没有颈缩.
图3 22.1%孔隙度样品与致密材料的拉伸应力－应变曲线
图4 不同孔隙度烧结316L不锈钢粉末多孔材料的拉伸应力－应变曲线
拉伸的初始变形过程与压缩过程十分相似，都是孔的孔棱弯曲及孔壁的拉伸和压缩.但在屈
服阶段，拉伸变形机制与压缩变形机制出现明显的差异.压缩过程中，烧结316L不锈钢粉末多孔材料的塑性或脆性崩塌是在与加载方向垂直的变形带内进行的.拉伸时，孔壁和孔棱主要受拉应力的作用，使得这些部位的屈曲变得不可能，拉伸变形集中在多孔金属材料的薄弱区域.
影响烧结316L不锈钢粉末多孔材料抗拉强度的因素很多，包括孔隙度的大小、孔隙的不规则程度、孔隙曲率半径、孔隙间距等.除了孔隙度影响多孔材料的抗拉强度，316L不锈钢的组织结构也对抗拉强度有很重要的影响.烧结金属粉末多孔材料的断裂一般都发生在原始颗粒之间的连接处，大颗粒之间的孔隙大，连结很弱，而小颗粒的孔隙小，粘结面相对较大，连接较强，因而其抗拉强度随孔隙度下降而升高.
断裂是以内部或表面存在的缺陷为起点发生的，孔隙形状和尺寸在决定材料抗拉强度方面等效于裂纹尺寸.孔的分布是杂乱无章的，成为断裂源的缺陷呈概率分布，所以相同孔隙度的样品抗拉强度是有区别的.对于烧结金属粉末多孔材料的拉伸试验需大量取样，本试验每个孔隙度下取3个试样.
关于抗拉强度与孔隙度的关系已有经验公式1［3］来描述:
式中:Rm——多孔材料的抗拉强度/MPa;Rm0相应的致密材料的抗拉强度/MPa;ε——孔隙度;m——常数，一般3～6.
实测致密316L不锈钢材料的抗拉强度约为610 MPa，对1 150℃烧结的烧结316L不锈钢粉末多孔材料得到Rm= 610×Rm0(1－ε)5.9;对1200℃烧结的试样得到Rm=610× Rm0(1－ε)5.3，常数m随着烧结温度的提高而降低.
2.2 烧结温度对试样抗拉强度的影响
图5 烧结316L不锈钢粉末多孔材料的抗拉强度
图5比较了不同烧结温度下近似孔隙度试样的抗拉强度.烧结温度对试样抗拉强度的影响很大，随着烧结温度的提高，其抗拉强度随之增强.这是由于随着烧结温度的提高，烧结过程中物质的迁移速度加快所致［4－5］.
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