Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование связанных процессов в реагирующих средах. Монография
.pdf
1.4.Ударноенагружениереагирующихпорошковыхсмесей
ских параметров реагирующих систем в ударных волнах показали, что сверхбыстрые твердофазные химические реакции в
заметной степени возможны за время порядка 10
–7
с.
Развитие экспериментальных методов, связанное с применением метода оптической пирометрии [162], позволяющего повысить временное разрешение измерения температуры при исследовании кинетических параметров сверхбыстрых химических
превращений, продемонстрировало, что время таких реакций
может быть меньше 10
–7
с. Для объяснения подобного сверхско-
ростного процесса реакционной диффузии и химического взаимодействия твердых тел предложена [42; 43; 161] гидродинамическая модель сверхскоростной диффузии, основанная на гидродинамическом переносе реагентов со скоростями, равными разности массовых скоростей частиц различных реагентов, раздробленных ударной волной. Предполагается, что дробление на
фронте ударного перехода, предшествующее химическим
вращениям, идет до уровня доменов (~100
o
). Этим объясняется
A
пре-
взаимное проникновение частиц реакционной смеси, причем
собственно химическое взаимодействие реагентов идет на поверхностях диспергированных частиц. При реализации сверхбыстрого твердофазного ударного синтеза размер уже раздробленных зерен уменьшается и может дойти до уровня дисперсности,
соответствующего рентгеноаморфному состоянию.
В работе [163] по практическому применению ударной технологии для синтеза
неорганических веществ (карбидов, силицидов и интерметаллидов переходных металлов) отмечается,
что ударное воздействие позволило существенно снизить время
и температуру термического взаимодействия компонентов, а
также получить новые соединения. Ряд результатов свидетельствуют, что вследствие воздействия ударной волны возможны
реакции, противоречащие требованиям термодинамики [163].
Например, при синтезе ZrS в ампуле сохранения железо, попавшее в
образовало твердый раствор Zr
кремнезема в танаталовой ампуле сохранения получили Та
вещество вследствие микроотколов самой ампулы,
1-xFexS2
; при ударном сжатии
2О5
31
1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей
[163]. Причем химическая активность вещества микрооткола
(в частности, ампулы сохранения) существенно выше активно-
сти вещества в нормальных термодинамических условиях. Зафиксирован принципиально новый результат превращений
конденсированных веществ (SmF
, HoF3, Tm2S3, Nd2O3, PbCl2) в
3
ударной волне вследствие мощного дефектообразования за счет
растягивающих напряжений, возникающих в волнах разгрузки,
заключающийся в модификации более низких плотностей, чем
исходные фазы, что противоречит принципу Ле Шателье.
При инициировании химических реакций ударной волной
в порошковых системах скорость горения существенно возрастает, и становится возможна безгазовая детонация конденсированных веществ [39; 41; 164].
Предполагается, что в основе этого эффекта лежат такие факторы, как повышение реакционной способности, увеличение значения температуропроводности (вследствие уплотнения), повышение сплошности
реагирующей системы, в то время как ударный разогрев имеет
второстепенное значение.
В работе [48] предложена новая классификация реакций,
возникающих под действием ударного сжатия. Предложено
разделять реакции, реализуемые в условиях
динамического
воздействия, на две группы: поддерживаемые ударом (shock-
assisted) и индуцируемые ударом (shock-induced). Первые по-
являются после снятия внешней нагрузки в материале, механически активированном ударом вследствие повышения дефектности структуры, как термоактивированный процесс распространения волны реакции. Второй тип реакций наблюдается в процессе ударного сжатия, инициирование химических
превращений происходит
во время действия ударного импульса за счет механоактивированного инициирования распространения реакции, за счет падения температуры запуска химического превращения, которое может быть окончено уже
после завершения импульса механического нагружения. Отмечается, что в некоторых случаях бывает практически невозможно точно определить, к какому из указанных типов отно-
исследуемая реакция.
сится
32
1.4.Ударноенагружениереагирующихпорошковыхсмесей
Индуцируемые ударом реакции в различных порошковых
смесях исследовались в работах [165—167]. Для реагирующей
порошковой смеси Ni-Al показано существование порогового
значения энергии инициирования сверхбыстрой химической
реакции [166], что свидетельствует об инициировании реакции
не тепловыми, а механическими факторами, такими, как пластическая деформация, массоперенос и поведение разрушенных до аморфного состояния частиц подобно жидкости.
О возможности
сверхбыстрых механохимических реакций
синтеза материалов в ударных волнах свидетельствуют экспериментальные результаты по ударному синтезу широкого круга материалов [40; 47]. Однако доказательств автоволнового
распространения подобных сверхбыстрых реакций синтеза, а
значит и процессов детонации при синтезе материалов в реагирующих порошковых смесях, на сегодняшний день не существует. Ударно инициированные химические превращения,
протекающие в режиме горения как постэффект (shock-assisted
по терминологии [48]), с увеличением пикового давления в
ударной волне могут быть завершены непосредственно в
ударном скачке, позволяя сделать вывод о том, что механизм
распространения волны реакции сверхбыстрых химических
превращений не связан с теплопередачей [165]. Незавершенность теории сверхбыстрых химических превращений в ударных волнах, отсутствие
теоретических и экспериментальных
критериев перехода сверхбыстрых реакций в порошковых
системах в детонацию делают актуальной проблему исследования факторов риска подобного перехода.
Возможность существования автоволновых химических
превращений неаррениусовой природы (т.
е. не термоактиви-
рованных) в твердом теле вблизи абсолютного нуля температур показана в работах [168; 169], там же проанализированы
два различных механизма развития автоволновых режимов
криохимических превращений в твердом теле:
1. Накопленная в твердой матрице реагентов механическая
энергия деформирования трансформируется в химическую в
момент локального хрупкого разрушения матрицы реагентов.
33
1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей
Собственно «автоволновой» процесс представляется движением по матрице реагентов узкой зоны, иссеченной сетью свежеобразованных трещин, механически активирующих реагирующий материал. Экзотермическое химическое превращение
в этой зоне на поверхности трещины вызывает тепловой скачок, способствующий тепловому расширению реагирующей
зоны, что, в свою очередь, создает условия для продолжения
разрушения в соседнем слое
твердой матрицы. Такой механизм распространения волны «криогорения» практически не
зависит от интенсивности теплообмена и не имеет порога по
геометрическим параметрам. Физически это может быть объяснено тем, что процессом «криогорения» управляет не перенос тепла, а «перенос» разрушающего матрицу реагентов градиента температур [168; 169].
2. Самоподдерживающийся процесс «разрушения — реак-
ция» в
низкотемпературных твердофазных цепных превращениях возникает в результате ударных воздействий, связанных с
изменением плотности смеси исходного вещества и продукта
реакции в ходе ударного реагирования. Таким образом, ударная
волна возникает и поддерживается за счет изменения плотности
твердого вещества в ходе его превращения [170; 171].
Результаты аналитического обзора работ по исследованию
поведения реагирующих порошковых
материалов свидетельствуют о многостадийности, многофазности и многовариативности всех физико-химических процессов, зависящих от структуры смеси, термодинамического состояния компонентов, условий инициирования превращений и параметров внешнего
температурно-силового воздействия. Последнее позволяет заключить, что для получения рекомендаций по выбору тех или
иных технологических режимов синтеза новых конструкцион-
функциональных материалов методами порошковой ме-
ных и
таллургии, а также для прогнозирования свойств продуктов физико-химических превращений необходимы исследования условий интенсивного механического воздействия, процессов тепло- и массопереноса, кинетики фазовых переходов, связанных
с изменением структуры и агрегатного состояния реагирующих
34
1.4.Ударноенагружениереагирующихпорошковыхсмесей
5
веществ, особенностей трансформации параметров макрокинетики химических реакций и других процессов эволюции порошковой смеси на всех этапах синтеза.
Таким образом, можно сделать вывод, что ударное воздействие на реагирующие порошковые смеси позволяет объединить технологические процессы уплотнения, физико-химической активации и инициирования синтеза новой фазы, а значит,
предоставляет значительные
технологические преимущества, а
в некоторых случаях даже не имеет альтернативы.
1.5.Компактированиепорошковыхтел
Процессы компактирования порошковых материалов и эффективные структурно-механические свойства, получившиеся в
результате уплотнения и спекания порошковых компактов, изучались в работах М.
[55], В.
Е. Перельмана [56], Я. Е. Гегузина [57] и других осново-
положников современной порошковой металлургии.
Неспеченные порошковые материалы обладают особыми
механическими свойствами и занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими телами. Такие материалы
названы зернистыми структурами [172]. Особенность механического поведения зернистых структур обусловлена их низким
сопротивлением растяжению и сдвигу. Фундаментальные законы поведения твердых тел и
упругости, уравнения Навье — Стокса и т.
общих принципов механики сплошных сред, однако формулировка уравнений для зернистой среды сопряжена с некоторыми трудностями. Под зернистой средой понимается связная
совокупность хаотически упакованных частиц, которая сохраняет контакты между соседними частицами при движении
[172]. При умеренных деформациях среда с достаточно плотной начальной упаковкой сохраняет равновесие
ванном состоянии, подобно упругому телу, но при достаточно
Ю. Бальшина [53; 54], Г. М. Ждановича
жидкостей (уравнения теории
п.) определяются из
в деформиро-
3
1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей
6
больших деформациях она теряет устойчивость и, подобно
жидкости, проявляет текучесть. После такого перехода кинематическими переменными становятся уже не деформации, а
скорости деформаций.
Применение модели зернистых сред позволяет выявить
механические и теплофизические свойства порошковых компактов для последующего моделирования физико-химических
процессов в реагирующих порошковых смесях. Процессы уплотнения порошковой смеси
теоретически М.
[55], В.
С. Смирновым [173] и др. Интересны феноменологиче-
Ю. Бальшиным [53; 54], Г. М. Ждановичем
исследованы экспериментально и
ские результаты в теории обработки и уплотнения нескомпактированных тел. Этот класс материалов изучался В.
рельманом [56], М.
Ю. Бальшиным [52; 53] и др. Развитию тео-
Я. Пе-
рии деформации спеченных пористых тел посвящены работы
зарубежных авторов [174—176]. Различные закономерности
деформации уплотняемых порошковых сред предлагались
В. Скороходом [59—61], Н. Б. Штерном [177], Г. Л. Петро-
В.
сяном [178; 179], И.
Ф. Мартыновой [62; 63], П. А. Витязем
[58] и др. В частности, на основе представлений о среднеквад-
ратичных напряжениях и скоростях деформаций в пористом
теле, развитых В.
В. Скороходом [61], предложена модель пла-
стического поведения пористых тел [62]. Достоинством этой
модели является возможность характеризовать поведение пластически деформируемого пористого тела не только его текущей пористостью, но и степенью пластических деформаций,
накопленных в материале основы.
Существует также метод решения задач прессования пористых порошковых изделий с использованием зависимостей
осевого и
бокового давления [177]. Полученные зависимости
позволяют оценить распределение средней пористости по высоте заготовки для различных схем прессования. Этот подход
развит в работах [178; 179].
В соответствии с методом прогнозирования структуры
каркаса пористого тела и управления его свойствами на базе
так называемой глобулярной модели порошкового тела пред-
3
1.5.Компактированиепорошковыхтел
7
ставляется в виде определенной укладки частиц сферической
формы [58].
Значительное развитие получила теория спекания порошковых
материалов, в которой основополагающее значение имеют работы
И. Френкеля [180], Б. Я. Пинеса [181], Я. Е. Гегузина [57].
Я.
Е. Гегузин [57] привел общие основы физики спекания и
Я.
показал, что в процессе спекания всегда наблюдается тенденция
к уменьшению свободной поверхности ансамбля пор. Уменьшение свободной поверхности может происходить за счет процессов залечивания отдельных пор с увеличением плотности и
(или) процесса коалисценции пор — уменьшении поверхности
пор при сохранении их объема (
слияние пор и т. п.). Хотя при
большом количестве пор оба эти процесса оказываются в равной степени термодинамически целесообразными, Гегузин теоретически обосновал, что на практике всегда один из указанных
процессов оказывается преимущественным.
Ю. Бальшин в работах по порошковой металлургии [53;
М.
54] определяет спекание как качественное и количественное
изменение контактов между атомами, вызванное их температурной подвижностью. Считается, что при холодном формовании всегда выделяется тепло. Причем выделенного тепла в
момент вхождения атомов частиц в контакт обычно достаточно для расплавления слоев вещества, непосредственно участвующих в контакте. В связи с этим холодное формование —
это локализованное горячее спекание. Отмечается, что при
спекании порошковых тел без приложения внешнего давления
частицы собираются в группы от нескольких штук до нескольких тысяч. Пористость внутри такой группы частиц незначительна, в то время как межгрупповая пористость существенно больше; а
степень межгруппового контакта намного
меньше, чем между частицами внутри групп. Этот процесс
определяет второй механизм формирования структуры концентрационной неоднородности после механизма образования
конгломератов частиц [5].
М. Жданович, развивая подход М. Ю. Бальшина, разрабо-
Г.
тал дискретную контактную теорию прессования порошковых
3
1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей
материалов, учитывающую поведение частиц при различных
контактных воздействиях [55]. Им рассмотрены вопросы статического и динамического прессования порошков при высоких
скоростях нагружения, получены выражения, позволяющие определить плотность брикета при прессовании металлического
порошка, и установлены основные количественные закономерности процесса прессования в широком диапазоне изменения
давлений, плотности и скорости приложения нагрузки.
Теоретическому
исследованию процессов ударного и
взрывного компактирования порошковых материалов посвящены работы Н.
М. Ставера, Г. Е. Кузьмина, О. В. Романа, И. П. Габриелова,
А.
И.
М. Пикуса [64; 185; 186], П. А. Витязя, В. М. Канцевича,
Г. Косторнова, В. К. Шелега, В. П. Георгиева [58] и других
А.
А. Костюкова [182—184], В. Ф. Нестеренко,
российских и зарубежных авторов. Следует отметить возможность применения моделей уплотнения пористых сред для
анализа процесса сжимаемости порошковых компактов при
давлениях, существенно превышающих нагрузку предварительного компактирования.
1.6.Моделированиепроцессов
ударноймодификациипорошковоготела
Динамическое воздействие на порошковое тело обеспечивает интенсивную механическую активацию порошковой смеси. При ударном воздействии низкой интенсивности, характеризуемом амплитудой давления, не превышающим некоторого
порогового значения, а также при неинтенсивном воздействии
на неспеченное или нескомпактированное порошковое тело
ударный переход может не реализоваться [55]. Моделирование механического поведения прессованных порошковых
компактов
вышающей пороговое давление, возможно с позиций механики пористых сред.
при динамическом нагружении с амплитудой, пре-
38
1.6.Моделированиепроцессовударноймодификациипорошковоготела
Актуальность разработки адекватной модели пористых порошковых смесей, претерпевающих ударно запущенные химические превращения, заявлена в работе [187]. Допущение
Я.
Б. Зельдовича [188] о том, что закрытие пор в процессе
ударного перехода происходит при практически нулевом давлении, после чего среда сжимается до конечного состояния,
позволяет получить количественные соотношения для ударного воздействия на пористую среду, но оставляет в стороне физическую природу ударного перехода.
Модели, учитывающие эволюцию пористых структур, дают
возможность
более детально изучить процессы, протекающие в
пористом материале при ударном нагружении. Ударно-волновое нагружение пористого материала исследовалось с позиций
механики повреждаемой среды со структурными параметрами
[67]. При этом принималась во внимание релаксация напряжений во фронте ударной волны, определяемая кинетикой пластического течения матрицы и кинетикой затекания пор, имеющих
свои
характерные времена релаксации. Предполагается разделение вкладов от пор и микроповреждений матрицы: изменение
объемной составляющей неупругой деформации структурированной среды считается зависящим от объема пор и микроповреждений, а изменение девиаторной составляющей — от пластического сдвига. При описании ударных волн в пористых
средах предлагается [67] записывать законы сохранения без использования
формальной величины средней плотности пористой среды. Полученные таким образом соотношения, связывающие параметры сплошной среды при ударном переходе из начального состояния, удобны для анализа ударной модификации
порошковых тел одного состава, но с разными значениями исходной пористости. Физическая природа ударного перехода объясняется тем, что частицы при динамическом воздействии
нагружаются ударной волной, а затем разгружаются в окружающие
их поры [67]. В каждой частице циркулируют волны сжатия и
разгрузки, поэтому между фронтом ударной волны и областью
конечных состояний находится зона перехода, ширина которой
определяется временем затухания в частицах волн сжатия и
разгрузки и временем тепловой релаксации частиц. Диссипация
39
1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей
кинетической энергии колебания материала частиц в зоне ударного перехода вызывает увеличение тепловой составляющей
внутренней энергии и ударный разогрев пористой среды.
Предложенная М.
М. Кэрроллом и А. К. Холтом [189] модель
единичной ячейки пористой среды, представляемой полой сферой, позволяет описать изменение пористости упругопластичной
среды при ударном нагружении. В работе [65] на основе модели
Кэрролла-Холта исследуются ударно-волновые процессы в двухкомпонентных и двухфазных средах. Уравнения, описывающие
поведение пористой упругопластической среды при ударно-волновом воздействии, базируются на законах
сохранения массы,
импульса и движения, замыкаются уравнением состояния пористого тела, построенном на модели единичной ячейки. В качестве
параметров этих уравнений используются величины, осредненные по объему многофазной среды. Это дает возможность выделить различные составляющие диссипированной кинетической
энергии, а также параметры структуры пористого тела (размеры
пор или частиц материала).
В зоне ударного перехода удельная
диссипированная кинетическая энергия колебания материала
частиц представляется в виде суммы средних диссипированных
энергий пластической деформации, вязкого течения и средней
кинетической энергии движения, возникающей при схлопывании
пор. Оценки возможности существования ударного перехода, а
также различных механизмов модификации порошковой среды
на фронте ударного перехода в зависимости от размера
пор или
частиц материала и интенсивности ударного воздействия получены в работах [64; 65; 67; 191].
1.7.Процессыструктурообразования
приударномнагруженииматериалов
Известно, что при динамическом нагружении прочность
материалов связана с процессами структурообразования, а
именно с их интенсивностью [192]. Под структурообразовани-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]