Study of mechanism of structure formation in a process of intensive consolidation of powders using the effect of interparticle splicing

Full Text

Несмотря на огромное количество работ, связанных с моделированием и прогнозированием остаточной пористости материала при одноосном нагружении; оценкой уровня физико-механических свойств и качества образуемой структуры, моделирование поведения объекта, находящегося в условиях воздействия как внешних, так и внутренних факторов, продолжает оставаться актуальным. Существует ряд подходов к решению данной проблемы: прямые (опытные) методы определения уровня остаточной пористости и качества структуры; косвенные, основанные на теоретических моделях взаимосвязи дефектов структуры, давления прессования и рядом механических и технологических свойств материала основы тела; статические, основанные на предположении об постоянстве распределения функций пакета объекта и т.д., но ни один из них не может рассматриваться как универсальный, т.к. все эти методы содержат гипотезы лишь с очень большой степенью приближения, описывающие реальные процессы с тем или иным уровнем искажения. Существенным недостатком опытных (прямых и косвенных) методов является проведение большого числа экспериментов при фиксированных значениях факторов, определяющих состояние структуры механической смеси (гранулометрический состав порошка, состояние его поверхности, вязкость и плотность заполняющей фазы и др.). В статистических методах предполагается, что заведомо известны функции распределения параметров объекта (остаточная пористость, вид и качество межчастичных контактов и др.), определяющие его поведение в поле внешних и внутренних воздействующих факторов. Однако следует согласиться, что в некоторых случаях выбранное распределение не в полной мере корректно согласуется с реальной природой исследуемого объекта, например, в нагруженном исходном образце предполагается известной функция распределения единичных элементов (форма пор и контактов между частицами, текущая плотность и вязкость заполняющей жидкой фазы, поверхностная смачиваемость и адсорбционная способность частиц и т.д.), но очевидно, что истинные значения и их распределение может существенно отличаться от принятого. Так, текущее распределение пористости при нагружении в различных зонах образца может определяться различными механизмами уплотнения, отличием в природе образования межчастичных контактов и т.д., поэтому приходится обращаться к аппарату теории вероятности и использовать одно из классических распределений дефектов структуры. Таким образом, прямое моделирование уплотнения и структурообразования при нагружении механической смеси с различными единичными по природе кластерными образованиями (металл, жидкость, газ) и сложными межфазными деструктивными явлениями (разрушение одних контактов и одновременное создание устойчивых связей с другими) приводит к синтезу неадекватных моделей. Поэтому теоретико-эмпирическая модель, связывающая все факторы структурообразования в процессе уплотнения и интегрально описывающая взаимосвязь единичных кластеров тела, определение его мгновенной равновесной структуры, имеет корректную основу. Моделирование структурообразования при интенсивном пластическом деформировании гетерофазных увлажненных механических смесях Введём некоторые определяющие показатели структуры. Под N-мерной уплотняемостью материала механической смеси понимается способность её кластерных единичных элементов образовывать новые межчастичные контакты при воздействии N-факторов деструкционного (повреждающего) потока: взаимное перемещение частиц; сжатие жидкости в кавернах в условиях закрытой пористости; фильтрация жидкости и газа в условиях открытой пористости; мгновенное разрушение и эрозия межчастичных контактов; локальные образования мозаичных блоков и др. Можно предположить, что в процессе нагружения происходит исчерпание мгновенной равновесности структуры тела с изменением мгновенных топологий как дискретных частиц твердой матрицы, оболочковой (в состоянии засыпки) формы жидкой фазы, так и порового пространства, что приводит к появлению иной (мгновенной) равновесной структуры с новыми межчастичными контактами обладающей более высоким уровнем относительной плотности и качеством межчастичных соединений [1]. Полная энергия, необходимая для обеспечения сплошности объекта, как единого целого, в каждый мгновенный этап, интегральная энергия условно исчезает при мгновенном разрушении межчастичных контактов, и далее аккумулируется на следующем этапе образования новых контактов (эффект схватывания - «правило бритвы» Оккама) (рисунок 1) [2], что даёт право на интерпретацию явления схватывания металлов как процесса, во многом противоположному разрушению, как антитезу разрушения [3, 4]. В работе Подвойского А.О. и Боровских В.Е. [5] устанавливается, что вектор - есть вектор интегральной энергии , которую необходимо затратить для сохранения целостности системы, т.е. (1) Таким образом, системный линейный переход: определяет перманентную изменчивость энергетического баланса системы в условиях: равновесное → неравновесное → равновесное состояние механических поверхностных контактов, где: р - внешний элемент повреждающего потока, в частности, прикладываемое давление. Рассматриваемая система энергетического баланса носит необратимый характер последовательности единичных повреждений и создания межзёренных границ при достижении энергетического барьера схлопывания. Рисунок 1. К выводу критерия схватывания по правилу «бритвы» Оккама [2] В работах [6 -8] установлена величина удельной поверхностной энергии совершенной (новой) межзёренной границы, образованной при совместной пластической деформации двух одинаковых металлов: (2) где: γ′s - удельная поверхностная энергия новой межзеренной границы; γs - удельная свободная поверхность [Дж/м²]. Энергетический (потенциальный) барьер образования границ (барьер схватывания металлов) при образовании новой межзёренной границы () - это напряжение, соответствующее образованию новой границы в объёме металла и определяющееся как предельное (когда сумма напряжений от действия внешних сил и внутренних напряжений превысит критическое значение), возникает при пластической деформации и соответствует, согласно положению, выдвинутому Колбасниковым Н.Г., условию [2]: (3) где: σр - значение истинных напряжений в месте разрыва структуры; агр толщина слоя металла, участвующая в образовании новой границы; (система соединяемых металлов); для системы (Fe - Fe) имеем [2]: . Очевидно, при некотором значении деформации ε в объёме V образуются условия возникновения новой границы. Для преодоления энергетического барьера при межчастичном схлопывании интегральное изменение энергии системы контактирующих поверхностей: должно иметь определённую величину: (4) При выполнении данного условия энергетический барьер образования границ превысит критическое значение, т.е. произойдёт изменение поверхности и, соответственно, площади контакта (Sк). Умножая левую и правую части уравнений (4) на 0,5, получим: (5) С учётом уравнения энергетического барьера (3) и уравнения (1) преобразуем выражение (5). Получим: (6 или: (7) Учитывая, что в исходном состоянии каждый из объёмов имеет свободную поверхность, по которой происходит взаимодействие (S = V213 [2]) после соответствующих преобразований запишем окончательное выражение критерия, определяющего условие образования новой контактной поверхности (Si) при преодолении энергетического барьера: (8) Таким образом, для образования новой межчастичной границы необходимо иметь энергию не менее чем та, что определяет критерий (8). М.Ю. Бальшиным [9] при изучении структурообразования отмечено существенное растяжение контактной поверхности при увеличении пограничной энергии. Введём коррелирующий коэффициент χ ,учитывающий растяжение контактной поверхности при увеличении пограничной энергии и выражающий соотношение текущей и начальной поверхности межчастичного контакта: (9) где s0 - начальная поверхность контакта; si - площадь поверхности, по которой происходит взаимодействие (из v2/3= si [2]). Выражение (9) является аналогом критерия, определяющего условие образования новой контактной поверхности при преодолении энергетического барьера (8) и определяет минимально допустимую величину увеличения площади межчастичного контакта в момент образования поверхностного схватывания [10, 11]. Таким образом, энергетический барьер будет преодолён, т.е. при изменении энергии системы, превышающей величину, необходимую для увеличения площади межчастичного контакта более чем в 1,5 раза, будут образованы в объёме новые межчастичные (межзёренные) контакты. Уравнение (9) позволит оценить качество межчастичных контактов при изучении структуры в процессе интенсивного уплотнения порошков, являясь условием образования связной межчастичной блочной структуры.

About the authors

V. N Kokorin

Ulyanovsk State Technical University

Email: omd@mf.ulstu.ru
Dr. Eng.

V. I Filimonov

Ulyanovsk State Technical University

Email: omd@mf.ulstu.ru
Dr. Eng.

N. A Sizov

Ulyanovsk State Technical University

Email: omd@mf.ulstu.ru

A. V Kokorin

Ulyanovsk State Technical University

Email: omd@mf.ulstu.ru

M. A Bryazgin

Ulyanovsk State Technical University

Email: omd@mf.ulstu.ru

References

Supplementary files