Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Моделирование связанных процессов в реагирующих средах. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 255 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

1.7.Процессыструктурообразованияприударномнагруженииматериалов

ем обычно понимают зарождение различного рода вихревых структур, дислокационной структуры, полос локализованного сдвига и других дефектов на мезоуровне. Существуют различные подходы к описанию процессов структурообразования в материалах при динамических нагрузках. Подход, предложенный П.

В. Макаровым, основан на моментной теории упруго-

сти [193]. Однако определяющие уравнения моментной теории на сегодняшний день отсутствуют, а использование подгоночных коэффициентов не позволяет говорить о предсказательности данного подхода. Широкое распространение в последнее время получили методы молекулярной динамики, которые применяются и для создания моделей динамического структурообразования [194; 195]. В данных моделях

учитывается парное взаимодействие отдельных частиц друг с другом (на базе центральных потенциалов типа Леннарда-Джонса или Морзе), а в более поздних моделях — также сдвиговое взаимодействие, трение и др. [196]. Но, к сожалению, и для этих моделей отсутствуют экспериментальные данные для определения значений некоторых используемых коэффициентов. В этой связи результаты, полученные с применением таких подходов, можно рассматривать лишь как качественные.

Одним из перспективных подходов к моделированию про-

цессов динамического структурообразования является подход

[197—199], основанный на работах Д.

Н. Зубарева по неравно-

весной статистической механике [200]. В данном подходе уравнения законов сохранения замыкаются определяющим уравнением, в которое входят интегральные характеристики деформируемой среды: динамическая вязкость, масштаб нелокальности, степень поляризации среды из-за нелокальности взаимодействия структурных элементов. Эти интегральные характеристики имеют строго определенный физический смысл и могут быть определены с

помощью метода «скоростного гради-

ента динамической переменной», развитого в работах [201].

Еще один подход к решению задачи структурообразования

при динамическом воздействии предложен Ю.

И. Мещеряковым

[202]. В данном подходе основные уравнения законов сохране-

1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей

ния замыкаются кинетическим уравнением релаксационного типа, записанным для функции распределения частиц по скоростям. Уравнения записываются на разных масштабных уровнях: балансные уравнения — на макроуровне, а кинетическое — на микроуровне. Взаимодействие частиц при этом рассматривается как полевое, по аналогии с известным подходом в электродинамике, где кинетическое уравнение для заряженных частиц замы кается уравнением Максвелла [203]. При определенных условиях может произойти смена однородного режима деформирования на турбулентный, означающая изменение режима энергообмена между микро- и макроуровнями деформирования [192]. При переходе к такому нестационарному режиму динамические характеристики претерпевают резкое пороговое изменение, что приводит к формированию субструктуры материала. Критерий, отвечающий смене режима энергообмена,

включает в себя статистические динамические характеристики среды: дисперсия скорости частиц, средняя скорость частиц в ударной волне, темп изменения дисперсии и скорости частиц [202].

1.8.Эффективныесвойства

структурно‐неоднородныхматериалов

 

Порошковые реагирующие материалы представляются в большинстве своем смесями реагентов и инертного наполнителя, а значит, по своей природе обладают внутренней структурой. Причем подготовка реагирующей порошковой смеси специфична тем, что порошковые компоненты, отличающиеся удельным весом и гранулометрическим составом, плохо смешиваются, так что добиться равномерного распределения частиц одного компонента смеси всегда наблюдаются агломераты частиц [5]. Подготовленная смесь всегда характеризуется неоднородностью концентраций компонентов и относительного объема пор. В хорошо

в другом практически невозможно — в

1.8.Эффективныесвойстваструктурно‐неоднородныхматериалов

подготовленной смеси неоднородность концентраций компонентов и пористости имеет макроскопическую структуру, имеющую определенные параметры трансляционной симметрии по всему объему смеси. Для изготовления лабораторных образцов (заготовок при промышленном производстве новых материалов) смесь обычно компактируют. При таком предварительном прессовании в объеме гетерогенного порошкового материала всегда формируется новая структура пористости — не однородность относительного объема пор в локальных объемах порошкового компакта [54], а значит, модифицируются характеристики распределения концентраций компонентов по объему элементов макроскопической структуры и размеры самих элементов. Таким образом, в реагирующей смеси со средними значениями концентраций компонентов и пористости образуется макроскопическая структура концентрационной неоднородности. Формирование такой структуры можно

рассматривать как следствие проявления синергетических процессов самоорганизации дискретных систем в условиях интенсивного механического воздействия [204].

От наличия макроскопической структуры неоднородности концентраций компонентов и пористости зависят скорость и глубина превращений, импульсный режим горения и особенности протекания всех физико-химических процессов синтеза. Для уменьшения импульсности процессов синтеза материалов методами порошковой металлургии

, определяемой наличием макроскопической концентрационной неоднородности реагирующей порошковой смеси, и повышения за счет этого устойчивости и эффективности технологических процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза предложено [5; 205] применять так называемые гетерогенные композиционные материалы. В подобных гетерогенных композициях порошок или проволока из одного вещества равномерно покрыты слоем из другого таким

образом, чтобы составы композиционных порошков или проволок (пирофьюз) соответствовали заданной стехиометрии. Проведенные с исходными реагентами эксперименты однозначно показали принципиаль-

1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей

ное значение макроскопической концентрационной неоднородности реагирующей порошковой смеси как одного из определяющих факторов обеспечения технологических режимов синтеза. Все сказанное позволяет заключить, что учет параметров структуры концентрационной неоднородности необходим для построения методики прогноза поведения реагирующих порошковых смесей.

В последние годы появились технологии создания много-

слойных систем. Процессы

горения в таких слоевых композициях представляют большой интерес, поскольку дают возможность изучать влияние гетерогенности среды на особенности синтеза в простейших условиях.

Процессы СВС в двухслойных тонких пленках на примере систем Ni-Al, Fe-Al, Co-Al рассмотрены в работе [206]. Установлено, что температура инициирования процессов синтеза в таких системах на 300—350º ниже, чем в

порошках.

Новая волна исследований в области горения многослойных систем связана с созданием методов получения тонких многослойных фольг [207]. Толщина каждого слоя в таких системах не превышает 100 нм, а общая толщина фольги, состоящей из нескольких тысяч слоев, колеблется от нескольких единиц до десятков мкм. Скорость горения таких фольг — порядка 17 м/с,

существенно выше скоростей распространения фронта в

что порошковых системах [207]. В работе [208] проанализирован СВС в многослойной фольге с чередующимися слоями титана и алюминия, толщина которых варьировалась от 5 до 110 нм, а общая толщина фольги — от 15 до 20 мкм. В зависимости от стехиометрического состава и начальной температуры горение происходило в стационарном или пульсирующем режиме. Было проведено исследование зависимости скорости горения тонких многослойных фольг от начальной температуры и толщины слоев, в ходе которого установили, что инициирование процессов синтеза, как и в системах, рассмотренных в работе [206], происходит при температуре на 300—400º ниже, чем в порошках, а скорости горения фольг намного превосходят скорости горения аналогичных порошковых смесей [208].

1.8.Эффективныесвойстваструктурно‐неоднородныхматериалов

Закономерности инициирования горения образцов слоевых композиций, состоящих из алюминиевой фольги и тефлоновой пленки, при ударном воздействии представлены в работе [209]. Там же определено влияние толщины чередующихся слоев на чувствительность к удару многослойных образцов и обнаружено явление инициирования исследуемых составов с избыточным содержанием тефлона (далеким от стехиометрии). Скорость реакции в такой

системе аномально высока, вследствие чего делается вывод о механохимической природе взаимодействия компонентов слоевой системы «алюминий — тефлон» при ударном воздействии [209].

Более высокая сопротивляемость пробиванию легких броневых сплавов Al-Zn-Mg сопровождается их повышенной склонностью к образованию отколов брони вследствие пониженной ударной вязкости. Это обстоятельство позволяет использовать слоистые системы в качестве композиционных слойных броне

вых плит (ламинатов). Композитный слойный материал может быть изготовлен методами горячей прокатки с последующей термообработкой. Композитная слойная броня с чередующимися высокопрочными и ударовязкими слоями обеспечивает лучшую баллистическую защиту, чем любая стандартная монолитная броня, так как сочетание твердости, ударной вязкости и прочности оказывает высокое сопротивление баллистическому внедрению снарядов кинетического

действия и сопротивление тыльным сколам [210]. Сегодня возможности повышения характеристик алюминиевой брони не исчерпаны и заключаются в нахождении оптимальных гетерогенных структур. Легкая броня на основе титана показывает ощутимые преимущества даже перед стальной противоснарядной броней. Как и для алюминиевой брони, перспективы использования титана лежат в области создания гетерогенных композитных многослойных

структур. Огромный опыт, накопленный при разработке легких броневых материалов для боевых машин, в свою очередь, оказывается востребованным для авиастроения.

В качестве нового перспективного легкого броневого мате-

риала может быть рассмотрен так называемый металл-интерме-

1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей

таллический слоистый композит (MIL) [93]. Развитие технологий изготовления таких материалов, методов лабораторных испытаний и компьютерного моделирования механического поведения при динамическом нагружении актуально для современного авиационного материаловедения.

Синтез высокопрочных интерметаллических слоев осуществляется непосредственно в процессе взаимодействия слоев реагирующих компонентов (алюминия и переходных металлов), непрореагировавшие слои которых образуют ударновязкие преграды

, удерживающие тыльные сколы интерметаллических слоев, осколки и снаряды кинетического действия. Многослойность MIL, вариации толщин слоев (ламинатов) и других локальных геометрических характеристик (радиусов кривизн полиарочных конструкций, например), вероятность создания демпфирующих элементов структуры и другие отличительные особенности перспективной композитной слоевой металл-интерметаллической брони предоставляют широкие возможности для оптимизации ее конструкции.

Реакционные

порошковые смеси представляют собой реагирующий зернистый композиционный материал с заданными параметрами макро- и микроскопической неоднородности. Решение проблемы оценки осредненных характеристик поведения таких гетерогенных материалов, известной в механике композитов как проблема прогнозирования эффективных свойств гетерогенной среды, открывает возможности моделирования физико-химических процессов в реагирующих порошковых средах, необходимого для

построения теории таких процессов и развития технологий синтеза материалов методами порошковой металлургии для получения новых конструкционных и функциональных материалов и покрытий с заданным комплексом свойств.

Проблема оценки эффективных свойств означает, что гетерогенной реагирующей порошковой смеси, чьи все физикохимические характеристики претерпевают разрыв на границах раздела фаз

и компонентов, необходимо поставить в соответ-

ствие среду с эффективными свойствами, для которой воз-

1.8.Эффективныесвойстваструктурно‐неоднородныхматериалов

можно производить численные оценки локальных и макроскопических параметров с использованием аппарата математической физики, механики композиционных материалов. В то же время исследование поведения (модификации) элемента периодической структуры гетерогенной среды с учетом особенностей концентраций компонентов и фазового состава, параметров термодинамического состояния и реакционной способности в пределах каждого

элемента позволяет не только адекватно оценивать эффективные характеристики реагирующей порошковой среды на всех этапах синтеза, но и получать информацию о физических механизмах и определяющих факторах механохимических превращений. Среди основополагающих трудов начала ХХ века по механике структурно-неоднородных (композиционных) сред можно выделить работы В. Фойта и А.

Ройса [211; 212], предложивших правило механического смешивания для оценки эффективных модулей упругости и податливости неоднородных материалов.

Развитие современной механики композиционных материалов связано с именами В. [74], Г. кина [216], Г. Г.

А. Ванина [75], В. В. Васильева [214; 215], В. А. Лома-

Д. Шермергора [76], Л. П. Хорошуна [217],

П. Черепанова [218], Дж. Сендецки [219], Е. Берана [220],

Р. Кристенсена [77], В.

В. Болотина [213], Б. Е. Победри

Э. Вильдемана, Ю. В. Соколкина [78;

221] и др. Интенсивное развитие механика гетерогенных сред (структурно-неоднородных сред, композитных материалов)

получила в последние десятилетия прошлого века. Наблюдается прогресс в методах прогнозирования механических свойств композитных материалов: упругих характеристик, упругопластических и прочностных параметров микронеоднородных сред. Современные подходы и достижения механики гетерогенных сред отражены в разнообразных

монографиях,

справочниках и учебных пособиях [214; 219; 222—224].

Механические процессы в неоднородных материалах на макроскопическом и микроскопическом уровнях изучались в рамках детерминированных и статистических подходов, учитывающих реальную структуру композитов: случайность взаим-

1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей

ного расположения компонентов и статистический разброс их свойств. Решение проблемы учета многочастичного взаимодействия компонентов смеси, накопления пластических деформаций и повреждений компонентов и многих других нелинейных эффектов поведения порошковых материалов в условиях неизотропного и комбинированного нагружения возможно с привлечением квазидетерминированного подхода, рассматривающего в качестве объекта исследования модельную структуру

структурно-неоднородного материала. Задача прогнозирования физико-химического поведения смесевых реагирующих порошковых материалов, подвергнутых динамическому нагружению, относится именно к такому классу проблем.

Построение теорий в естественных науках важно с позиций взаимосвязанных феноменологического (основывающегося на эмпирических данных о поведении объекта без полного описания существа явлений) и структурного (

заключающегося в описании явления с учетом внутренней структуры рассматриваемого объекта) подходов [213]. В механике композитных материалов феноменологические уравнения и критерии рассматриваются на различных структурных уровнях: на микроскопических и макроскопическом — отражающем поведение неоднородного материала как однородной среды с эффективными свойствами [224].

Моделирование процессов в гетерогенных порошковых

материалах возможно с позиций

механики микронеоднородных сред [76; 224]. Модель структуры гетерогенного материала может быть представлена полной информацией о характере расположения компонентов и феноменологических моделей всех фаз. Понятие представительного объема гетерогенной среды, рассмотренное в работе [78], позволяет оперировать осредненными значениями физических величин [221], то есть применять феноменологические уравнения и соотношения физики и механики для моделирования

откликов гетерогенных сред на внешние воздействия, приписывая элементарным объемам среды dV свойства, экспериментально определяемые на образцах конечных размеров.

1.8.Эффективныесвойстваструктурно‐неоднородныхматериалов

Благодаря многоступенчатой иерархии структур и процессов модификации неоднородного материала можно разделить решение исходной задачи моделирования механохимического поведения реагирующих гетерогенных порошковых сред на ряд последовательных этапов, связанных с построением моделей пластического деформирования и разрушения компонентов порошковой смеси, фазовых переходов, диссипации энергии и кинетики химических превращений на микроуровне, процессов

тепло- и массопереноса на мезоскопическом уровне ансамбля частиц, макрокинетики физико-химических процессов в реагирующем слое порошковой смеси.

1.9.Моделированиепроцессов самораспространяющегося

высокотемпературногосинтеза



Открытый в 1967 году А.

И.

П. Боровинской способ синтеза тугоплавких неорганических

соединений [1] горением в безгазовой бескислородной системе стал причиной интенсивного развития теории процессов технологического горения конденсированных систем, приводящих в ходе реакции к образованию ценных веществ и материалов. Процесс распространения волны горения, вызывающей синтез новых соединений, называют самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) [225]. Впервые основные механизмы и

закономерности СВС были изучены на специально разработанном составе (на базе железо-алюминиевого термита) [226]. Впоследствии был обнаружен класс порошковых систем, экзотермически химически взаимодействующих без испарения и образования газообразных продуктов (смеси порошков переходных металлов с алюминием, углеродом, бором, кремнием, например), что стимулировало развитие исследова-

Г. Мержановым, В. М. Шкиро,

1.Исследованияпроцессовтехнологическогогоренияпорошковыхсмесей

ния процессов технологического безгазового горения. Развитие теорий технологического безгазового горения позволило благодаря разным подходам получать прогноз кинетических параметров превращений, информацию о механизмах химических реакций на стыке механики, физики и химии твердого тела, разрабатывать рекомендации по обеспечению полноты сгорания, регулированию химического и фазового состава продуктов горения для направленного выхода

вещества заданной структу-

ры и свойств.

В работе [227] представлена элементарная модель высокотемпературного горения, позволяющая оценить скорость и максимальную температуру при безгазовом горении реагирующих порошковых систем. Элементарная модель объединяет в себе законы теплового баланса в гомогенной эффективной среде и уравнения макрокинетики термоактивированных химических превращений реагирующей среды.

классическом макрокинетическом подходе к изуче-

При нию процессов технологического горения порошковых систем [228; 229] основное внимание уделяется проблеме установления достигаемой температуры в волне горения и скорости распространения самой волны горения. Но для выбора оптимальных условий проведения синтеза и достижения требуемого фазового состава продукта реакции, исследования механизмов взаимодействия компонентов порошковой

смеси и получения ответов на другие весьма интересные вопросы химической физики, теории процессов в порошковых материалах, информации об этих параметрах явно недостаточно.

На базе двухуровневой физической модели проведен [230] более детальный, по сравнению с возможностями применения элементарной модели, анализ взаимодействия компонентов во фронте горения гетерогенных составов с конденсированными продуктами. Для

описания тепловых процессов введено положение о тепловой гомогенности порошковой среды [231], означающее, что в каждом микрообъеме волны горения находится статистически представительный набор реагирующих частиц — смесь реагирующих компонентов, имеющих одина-

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 255 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]