Cơ chế cơ bản của quá trình thiêu kết là sự chuyển dịch các nguyên tử bằng cách khuếch tán (khuếch tán bề mặt, khuyếch tán thể tích), xảy ra ở khoảng nhiệt độ xác định.
Khảo sát một hệ có hai hạt hình cầu để gần nhau (coi nh− những cấu tử lý t−ởng), nung hệ đó đến một nhiệt độ nhất định và giữ nhiệt trong một thời gian, hai hạt cầu này tiếp xúc với nhau, diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chúng dần tăng lên. Sự chuyển dịch vật chất trong tr−ờng hợp này sẽ xảy ra từ bề mặt tiếp xúc nhau của hai mặt cầu đến bề mặt tạo eo chung của cả hệ nh− mũi tên biểu diễn trên hình 1.25a. Cơ chế tăng t−ởng bề mặt tiếp xúc và kéo lại gần nhau của hạt trong quá trình thiêu kết theo sơ đồ này đ−ợc giải thích bằng sự khuyếch tán bề mặt của các nguyên tử d−ới sự ảnh h−ởng khác nhau của thế đẳng nhiệt đẳng áp.
Hình 1.25a Mô hình khuếch tán trong quá trình thiêu kết:
r- Bán kính hạt cầu; ρ- Bán kính đ−ờng cong; y- Hiệu số giữa các bán kính hạt cầu và các tâm đ−ờng cong eo; x- Bán kính tiết diện tiếp xúc.
Hình 1.25b Sự lớn lên của bề mặt tiếp xúc và cầu hoá lỗ xốp do sự chuyển dịch các nguyên tử bề mặt:
a - Tr−ớc khi thiêu kết; b - Sau khi thiêu kết.
Rõ ràng, sự năng động của những nguyên tử bề mặt phụ thuộc vào vị trí chúng chiếm trong hệ. Nh− vậy, những nguyên tử kém năng động nằm sâu trong miền tiếp xúc. Sau đó, theo thứ bậc tăng tr−ởng mức năng động, là các nguyên tử trên biên giới bề mặt tiếp xúc, nguyên tử nằm sâu và đáy bề mặt, nguyên tử trên mặt phẳng và cuối cùng là nguyên tử trên bề mặt lồi và trên đỉnh góc ngoài. Do các nguyên tử trên vùng tiếp xúc ít năng động hơn (nghĩa
là, có l−ợng dự trữ năng l−ợng tự do thấp) trên các vùng khác, nên l−ợng nguyên tử chuyển dịch từ vùng tự do không tiếp xúc đến vùng tiếp xúc nhiều hơn l−ợng nguyên tử chuyển dịch theo h−ớng ng−ợc lại. Kết quả là xảy ra sự tăng tr−ởng vùng tiếp xúc (tiếp theo đó là tăng độ bền mối liên kết giữa các phần tử), đồng thời làm gần lại nhau các tâm hình học của các hạt tiếp xúc, nghĩa là, dẫn đến sự co ngót của hệ. Song, một trong những yếu điểm chính của sơ đồ khảo sát này là nó ch−a mô tả một phần tử cấu trúc quan trọng của phôi kim loại bột, đó là lỗ xốp. Thực tế trong luyện kim bột luôn luôn tồn tại lỗ xốp. Để xác định điều ấy, ng−ời ta khảo sát hệ có ba hạt tiếp xúc với nhau (hình 1.25b).
Số nguyên tử thoát khỏi phần lồi bề mặt tự do của lỗ xốp bằng số nguyên tử đi vào khe hở của vùng tiếp xúc. Nh− vậy, do ảnh h−ởng của sự chuyển dịch bề mặt của các nguyên tử, lỗ xốp đ−ợc cầu hoá, thể tích không thay đổi, có nghĩa là sự co ngót không xảy ra khi kim loại thiêu kết. Sự giảm thể tích của lỗ xốp có thể xảy ra khi kim loại chảy vào lỗ xốp do sự biến dạng khối của hạt.
Do có sự khuyếch tán bề mặt của các hạt làm tăng độ bền liên kết giữa các hạt (dấu hiệu cơ bản của quá trình thiêu kết). Sự chuyển dịch bề mặt của các nguyên tử đóng một vai trò quan trọng trong quá trình thiêu kết. Chính do sự chuyển dịch ấy sẽ làm tăng sự tiếp xúc giữa các hạt mà không làm giảm tổng thể tích lỗ xốp.
Khi thiêu kết, d−ới tác động của nhiệt, các phần tử ở các nút mạng dao động. Khi dao động tăng đến một giá trị nào đó, các phần tử ở nút mạng trở nên mất ổn định và xuất hiện khả năng dịch chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. Tốc độ dịch chuyển trung bình của nguyên tử ra khỏi vị trí cân bằng đ−ợc xác định bởi công thức sau:
V= A.e-Q /RT (1.3) Trong đó:
V - Tốc độ dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng của nguyên tử. A - Hệ số đặc tr−ng cho bản chất của vật liệu.
RTUb Ub e C − ≅ RT Ub e D − ≅ ' R - Hằng số khí. T - Nhiệt độ tuyệt đối.
Sự khuyếch tán bề mặt của nguyên tử làm tăng tổng diện tích bề mặt tiếp xúc thật giữa các hạt, làm cầu hoá lỗ xốp và làm tăng sự chuyển dịch của nguyên tử từ bề mặt của lỗ xốp lớn đến bề mặt của lỗ xốp nhỏ. Nh− vậy, sự khuyếch tán bề mặt của nguyên tử không làm thay đổi tổng thể tích lỗ xốp mà chỉ làm tích tụ lỗ xốp nhỏ thành lỗ xốp lớn do các nguyên tử ở bề mặt lỗ xốp nhỏ có có năng l−ợng dự trữ tự do nhỏ hơn các nguyên tử ở bề mặt lỗ xốp lớn.
Trong giai đoạn đầu tiên của quá trình thiêu kết, các nguyên tử bề mặt hạt chuyển động và tích tụ trên bề mặt tiếp xúc dẫn đến làm tăng độ bền và cầu hoá lỗ xốp của vật thể. Trong giai đoạn sau, do nhiệt năng tăng làm tăng tính dẻo trong toàn bộ thể tích vật sau khi bị biến dạng dẻo, điền đầy lỗ trống, gây ra sự co ngót thể tích sản phẩm sau thiêu kết. Trong mạng tinh thể với điều kiện cân bằng động học không phải tất cả các nút mạng đều do các nguyên tử nền chiếm giữ mà còn có thể có sai lệch điểm (nút trống hoặc nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất), hàm l−ợng C của chúng có thể xác định theo công thức:
(1.4) Trong đó: Ub - hệ số khuyếch tán khuyết tật đơn.
IA.I.Frenken khảo sát sự chuyển dịch của các nguyên tử trong mạng nh−
là sự thay thế các nguyên tử vào các lỗ trống hoặc thay thế nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất mà trong quá trình đó hệ số khuyếch tán D đ−ợc xác định:
D = CD'
Trong đó: D' - hệ số khuếch tán khuyết tật đơn,
Kết tinh lại khi thiêu kết
Một trong những hiện t−ợng quan sát đ−ợc khi thiêu kết là sự kết tinh lại mà kết quả làm tăng kích th−ớc hạt của vật thiêu kết. Sự tạo thành hạt tinh thể lớn hơn so với hạt ban đầu cũng giống nh− trong kim loại đúc. Tuy nhiên quá trình kết tinh lại trong vật thể kim loại gốm xốp không đồng nhất hoàn toàn
⎟⎟⎠ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − = ∆ 1 2 1 1 r r l F σ
bởi vì sự giảm hoặc tăng kích th−ớc hạt còn phụ thuộc nhiều các yếu tố khác và sự tồn tại của bề mặt tự do lớn ở các phần tử thiêu kết.
Các hạt lớn đ−ợc tạo thành do sự chuyển dịch vật chất qua ranh giới hạt chung từ hạt kích th−ớc nhỏ sang hạt có kích th−ớc lớn. Sự chuyển dịch vật chất xảy ra bằng cách dịch chuyển các nguyên tử qua ranh giới hạt theo h−ớng có năng l−ợng tự do nhỏ và theo h−ớng pháp tuyến với bề mặt tiếp xúc. Động lực của quá trình kết tinh lại đ−ợc xác định bởi xu h−ớng của hệ thống là chuyển dịch về trạng thái cân bằng động với tổng bề mặt ranh giới nhỏ. Sự thay đổi năng l−ợng tự do ∆F phụ thuộc vào bán kính đ−ờng cong ranh giới giữa các hạt và đ−ợc xác định theo công thức:
(1.5)
Trong đó: σ - Sức căng bề mặt; V - Thể tích phần tử;
r1 , r2 – Các bán kính đ−ờng cong biên giới giữa các hạt. Sự chênh lệch năng l−ợng tự do của các tinh thể ở hai bên ranh giới giữa các hạt sẽ xác định h−ớng chuyển dịch của đ−ờng ranh giới tới tâm cong của chúng. Qua nhiều công trình nghiên cứu đã xác lập đ−ợc định luật: Trong quá trình kết tinh lại ranh giới giữa các hạt bị đẩy về phía tâm đ−ờng cong. Tinh thể sáu cạnh sẽ phát triển tới một kích th−ớc tới hạn nào đó, nếu nó có số cạnh ít hơn sáu, thì các tinh thể sẽ mất dần số cạnh cho tới khi hoàn toàn không còn cạnh nào. Sơ đồ phát triển tinh thể đ−ợc biểu diễn trên hình 1.26 (các chữ số chỉ rõ số thứ tự ranh giới hạt tinh thể).
Hình 1.26. Sơ đồ phát triển tinh thể (mũi tên chỉ h−ớng dịch chuyển của ranh giới giữa các hạt)
Các tinh thể sáu cạnh sẽ tạo thành đ−ờng cong lõm, còn các tinh thể có số cạnh nhỏ hơn sáu sẽ tạo thành đ−ờng cong lồi. Tốc độ phát triển hạt tỷ lệ nghịch với bán kính cong của ranh giới hạt và có thể đ−ợc biểu diễn d−ới dạng: