烧结316L不锈钢粉末多孔材料压缩性能的研究

许 飞，焦 磊，张 娟

（西北有色金属研究院材料分析中心，西安 710016）

烧结316L不锈钢粉末多孔材料压缩性能的研究

许 飞，焦 磊，张 娟

（西北有色金属研究院材料分析中心，西安 710016）

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1 150℃和1 200℃烧结温度.烧结316L不锈钢粉末多孔材料的压缩应力-应变曲线上第二区域和第三区域分界不明显.相同烧结温度下，烧结316L不锈钢粉末多孔材料的压缩屈服强度、压缩弹性模量随孔隙度的升高呈指数下降趋势.

烧结；金属多孔材料；孔隙度；压缩性能

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，作为重要的过滤材料而广泛应用于石化、核电、汽车尾气治理等工业领域.随着应用领域的扩展，其不仅作为功能材料使用，也作为结构材料使用，有必要对其力学性能进行研究.

压缩性能是烧结316L不锈钢粉末多孔材料最重要的力学性能之一，也是其作为结构材料主要的指标之一.316L不锈钢粉末多孔材料的压缩性能是在Instron 5982材料试验机上测定，加载速度0.5 mm/min，压缩位移通过双差动位移传感器测定，以规定非比例压缩强度Rpc0.2为多孔材料的强度指标.在应力-应变曲线的弹性区域，材料的弹性模量就是曲线的斜率［1］.本文主要研究了烧结316L不锈钢粉末多孔材料的孔隙度、烧结温度对其压缩性能的影响.

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所示.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5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3组试样，每组3个样品.样品原始尺寸为10 mm×24 mm×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［2］.

图1 多孔材料的制备工序流程

试样的最小尺寸至少7倍于孔穴尺寸，以避免尺寸效应.本实验采用线切割切取Φ6 mm×10 mm规格样品.

为了使压缩实验具有更高的准确度，试验中采用双差动位移传感器（精度0.5%）采集压缩应变［1］，可有效避免样品弯曲造成的结果偏差，可以测量整个样品高度在压缩过程中的变形，测得的杨氏模量、压缩屈服十分精确.在压缩实验中，以规定非比例压缩强度RPC0.2为多孔材料的强度指标，按照GB/T 7314-2005《金属材料室温压缩实验方法》进行实验和数据处理.

2 试验结果及分析

2.1 烧结316L不锈钢粉末多孔材料的压缩应力-应变曲线

典型的烧结金属粉末多孔材料的压缩应力-应变曲线有三个区域［3］.第一区域：弹性阶段，应力与应变呈线性关系.第二区域：平台阶段，应力随应变的增加而进入长而倾斜的屈服区.第三区域：致密化阶段，这时的压缩就相当于致密金属的压缩了.多孔材料的这种特性使其在受到外来冲击力时，可有效起到缓冲作用，在某些条件下其比致密材料更有优势.

图2对比了22.1%孔隙度烧结316L不锈钢粉末多孔材料与316L不锈钢致密材料的压缩应力-应变曲线，可以看出烧结316L不锈钢粉末多孔材料的应力-应变曲线符合典型多孔金属材料的压缩应力-应变曲线，但有一些区别，烧结316L不锈钢粉末多孔材料的压缩应力-应变曲线具有明显的弹性区域，但其第二区域和第三区域没有明显的分界线.原因是本实验采用的316L不锈钢的塑性比较好，孔隙比较小，在第二区域中，孔壁变形时不易崩塌，使其压缩应力-应变曲线以较低的斜率增加，与致密化区域连为一起.

图2 22.1%孔隙度样品与致密材料的压缩应力-应变曲线

2.2 孔隙度对试样压缩性能的影响

图3（a）为1 150℃烧结温度时3种孔隙度样品的压缩应力-应变曲线，图3（b）为1 200℃烧结温度时6种孔隙度样品的压缩应力-应变曲线.

图3（c）为1 200℃烧结温度时6种孔隙度样品的压缩应力-应变曲线的局部放大图.可以看出，孔隙度升高，压缩屈服和杨氏模量下降［4-5］.

由图4看出，孔隙度增加，压缩屈服和杨氏模量下降.这是由于随着孔隙度的上升，材料中的支撑面变小，应力集中在较小的支撑面上，仅需较小的力就能将孔压塌.材料中大孔由于应力集中而先发生屈服，随着应力的提高，材料中小孔才发生屈服［6］.孔隙度对材料压缩性能的影响主要与孔径和孔隙数量有关.

图3 不同孔隙度样品压缩应力-应变曲线

图4 不同孔隙度样品压缩性能

烧结316L不锈钢粉末多孔材料中存在着开孔与闭孔，在受压向力时，变形机制不同.开孔的变形主要是孔壁的弯曲、孔壁的拉伸和压缩.闭孔中，除了孔壁的弯曲、拉伸、压缩外，孔壁要起更重要的作用［7］.

Ramakrishnan和Arunachalam［8］用球形孔模型通过有限元分析得出：

式中：E—金属多孔材料的杨氏模量/GPa；E0—相应致密金属的杨氏模量/GPa；ε—孔隙度；γ0—相应致密金属的泊松比.

由公式1，对于致密钢材γ0约为0.3，杨氏模量约为122 GPa.将1 200℃烧结温度下5个孔隙度样品的杨氏模量理论计算值与实测值绘入图5.

烧结316L不锈钢粉末多孔材料杨氏模量的实测值要比公式1计算值低5%以上.这是由于理论计算是以球形孔的模型得来的，而实际中的孔的大小，孔的形状很不均匀.

图5 不同孔隙度样品的杨氏模量

2.3 烧结温度对试样压缩性能的影响

图6比较了1 150℃和1 200℃烧结温度样品的规定非比例压缩强度和杨氏模量，随着烧结温度的升高，烧结316L不锈钢粉末多孔材料的规定非比例压缩强度和杨氏模量均上升.这是因为：烧结温度升高，粉末颗粒之间的烧结颈强度升高，颗粒之间的结合力增强.但压缩屈服与烧结温度并不呈线性关系，这说明1 150℃烧结温度下，烧结过程未完全进行，烧结颈的强度基本不变.烧结温度对压缩性能主要通过粉末颗粒之间的结合强度和孔隙度两种方式来影响.但是通过提高烧结温度来提高烧结颈的强度、降低孔隙度的效果比较有限［9-10］，随着温度的升高，烧结颈强度的提高幅度变小.

图6 不同烧结温度下样品的压缩性能

图6（a）比较了不同烧结温度下样品的规定非比例压缩强度，烧结温度对烧结316L不锈钢粉末多孔材料压缩变形机制的影响表现在：烧结316L不锈钢粉末多孔材料在压缩过程中，随着变形的增加，材料内部部分孔壁开始先达到屈服点而发生变形，随着变形持续增加，又有部分孔壁达到屈服点开始发生屈服，直到材料中所有的孔壁均发生屈服，材料开始致密化.但是随着烧结温度升高，孔壁中的孔隙收缩，部分孔隙与孔隙之间连通的路径被切断，材料中开孔与闭孔的比例下降.

烧结温度对杨氏模量的影响见图6（b），归结于对其微观结构的影响［11］.当烧结温度较低时，材料中的大孔和小孔数量都比较高，孔与孔之间多为粘结面，在受到压力发生变形时，变形量较大.随着烧结温度的提高，材料中烧结颈的结合强度提高，使烧结体抗变形的能力增强.

3 结论

通过对烧结316L不锈钢粉末多孔材料进行压缩实验，测量和计算其压缩屈服强度和杨氏模量，研究了孔隙度、烧结温度对多孔材料的规定非比例压缩强度和杨氏模量的影响关系.得出以下结论：

（1）烧结316L不锈钢粉末多孔材料的压缩应力-应变曲线符合典型多孔金属材料的曲线.但烧结316L不锈钢粉末多孔材料的压缩曲线第二区域和第三区域分界不明显.

（2）孔隙度对烧结316L不锈钢粉末多孔材料的规定非比例压缩强度和杨氏模量具有很大的影响.随着孔隙度的提高，多孔材料的压缩屈服和杨氏模量急剧下降.相似孔隙度下，烧结温度对压缩性能的影响较大.

（3）孔隙度不是影响烧结316L不锈钢粉末多孔材料压缩性能的唯一因素，其他孔结构参数也对其产生了重要的影响.

1 200℃烧结的316L不锈钢粉末多孔材料的压缩屈服Rpc0.2比1 150℃烧结的样品高，这是由于其烧结颈发育情况更好.相同烧结温度下，烧结316L不锈钢粉末多孔材料的压缩弹性模量随孔隙度的升高呈指数下降趋势.

［1］ 张明，苏小光，王妮.力学测试基础［M］.北京：国防工业出版社，2008：47-54.

［2］ HADIM H，NORTH M.Forced convection in a sintered porous channelwith inletand outlet slots［J］.International Journal of Thermal Sciences，2005，44（1）：33-42.

［3］ 王铮.多孔钛合金生物材料的孔隙特征与性能研究［D］.长春：吉林大学硕士学位论文，2007：26-37.

［4］ SEVILLA P，APARICIOC，PLANELL JA，etal.Comparison of themechanical properties between tantalum and nickel-titanium foams implantmaterials for bone ingrowth application［J］.Jourmal of Alloys and Compounds，2007，439：67-73.

［5］ CHAWLA N，DENG X.Microstructure and mechanical behavior of porous sintered steels［J］.Materials Science and Engineering，2005，A390：98-112.

［6］ ZHANG Y P，CHUNG Z Y，ZHANG X P.Porous Titanium-nickel alloys with Adjustable Porosity Fabricated Using Poreforming Agent and Conventional Sinterin［J］.Journal of Materials Science&Engineering，2002，25（6）：938-942.

［7］ 乔吉超，奚正平，汤慧萍，等.金属多孔材料压缩行为的评述［J］.稀有金属材料与工程，2010，39（3）：561-564.

［8］ RAMAKRISHNAN N，ARUNACHALAM V S.Effective elasticmoduliof porous ceramicmaterials［J］.Journal of the American Ceramic Society，1993，76（11）：2745-2752.

［9］ CHAWLA N，DENG X.Microstructure and mechanical behavior of porous sintered steels［J］.Materials Science and Engineering A，2005，390（1，2）：98-112.

［10］HEIKKINEN M SA，HARLEY N H.Experimental investigation of sintered porousmetal filters［J］.Journal of Aerosol Science，2000，31（7）：826-842.

［11］WALTHER G，KLöDEN B，KIEBACK B，et al.A New Class of High Temperature and Corrosion Resistant Nickel-Based Open-cell Foams［C］.Montreal：MetFoam 2007-Porous Metals and Metallic Foams，2007：125-128.

［责任编辑马云彤］

Research on Com pression Properties of Sintered 316L Stainless Steel Powders Porous M aterials

XU Fei，JIAO Lei，ZHANG Juan

（Analysis Center for Meterials Research，Northwest Institute For Non-ferrous Metal Research，Xi'an 710016，China）

With 316L stainless steel powder as the raw material，sintered 316L stainless steel powder porousmaterials with porosity of 20%～45%were prepared by means of sintering at 1 150℃and 1 200℃respectively.Sintered 316L stainless steel powder porousmaterials show no collapse during plateau stage on the compression stress-strain curves.Under the same sintering temperature，with the increase of porosity，the straining，the compression yield strength，and Young'smodulus decrease drastically.

sintering；metallic porousmaterial；porosity；compression property

TB383

A

1008-5564（2015）02-0083-05

2015-1-20

许 飞（1981—），男，山西运城人，西北有色金属研究院材料分析中心高级工程师，硕士，主要从事金属材料力学性能测试、疲劳测试研究.