Дипломы-2 / ВЗД-172 / Документы / Производство / ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВТСНТ – 2013

С целью увеличения удароустойчивости цементного камня рекомендуется применять дисперсное армирование волокнистой арматурой.

Одним из вариантов может быть добавление в цементный раствор базальтовой фибры.

Базальтовая фибра представляет собой короткие отрезки базальтового волокна предназначенные для дисперсного армирования вяжущих смесей, типа бетона в строительстве.

Диаметр волокна от 20 мкм до 500 мкм. Базальтовая фибра производится из расплава горных пород типа базальта.

Результаты оценки герметичности портландцементного камня с добавлением 0,5% и 1% базальтовой фибры представлены в таблице 1, откуда видно, что добавление 0,5% базальтовой фибры повысило удароустойчивость цементного камня. Также была замечена гидратация цементного камня после 48 и 72 часов ОЗЦ.

Добавление более 0,5% фибры хоть и повышает устойчивость цементного камня к механическим нагрузкам, но заметно ухудшает прокачиваемость раствора (рисунок 2).

Результаты экспериментов показали, что добавка фибры повышает сопротивление цементного камня газопрорыву даже после внешних воздействий, имитирующих работу инструмента при углублении скважины.

449

Секция 6. Моделирование физико-химических процессов в современных технологиях.

Стоит отметить, что с увеличением концентрации фибры скорость нарастания давления при прохождении газа при перепаде давления 1,75 МПа/м через цементный камень, полученный из раствора с В/Ц=0,5, через 24 часа ОЗЦ, составила для камня из чистого цемента 0,6 МПа/м·час. Для камня из цемента с добавкой 0,5% базальтовой фибры - 0,48 МПа/м·час, а для камня из цемента с добавкой 1,0% фибры - 0,40 МПа/м·час.

Когда через 24 часа зацементированная колонна подверглась внешнему механическому воздействию скорость нарастания давления при миграции газа, при тех же условиях составила: 1,12; 0,48 и 0,41 МПа/м·час соответственно.

Повторное механическое воздействие через следующие 24 часа показало, что скорость нарастания давления при миграции газа, при тех же условиях составила: 1,3; 0,47 и 0,39 МПа/м·час соответственно.

Рис. 2 Герметичность портландцементного камня с добавлением 1% базальтовой фибры в динамике

Полученные результаты свидетельствуют о том, что добавка базальтовой фибры в цемент привела к снижению начальной газопроницаемости крепи скважины, а также снизила уязвимость крепи скважины к механическим воздействиям. При этом повторное механическое воздействие не привело к дополнительному нарушению герметичности крепи, что может свидетельствовать и о некотором эффекте «самозалечивания» цементного камня.

ГЕНЕРАЦИЯ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В МОДЕЛЯХ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ГЦК-МЕТАЛЛОВ, ОСНОВАННЫХ НА КОНЦЕПЦИИ УПРОЧНЕНИЯ И ОТДЫХА

Черепанов Д.Н., к.ф.-м.н., доц., Барбакова Е. А., ст.препод., Старенченко В.А. д.ф.- м.н., проф.

Томский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

E-mail: d_n_ch@mail.ru

Исследования уравнений баланса деформационных порогов, описывающих динамическое равновесие процессов образования и аннигиляции новых, показало, что на линии дислокации быстро устанавливается некоторая стационарная

450

ВТСНТ – 2013

плотность элементарных порогов, длины которых равны модулям векторов Бюргерса пересекающихся дислокаций. В силу симметрии кристалла, число образующихся вакансионных и межузельных порогов одинаково. Движущиеся винтовые сегменты оставляют за собой цепочки точечных дефектов, которые распадаются на межузельные атомы, моновакансии и бивакансии. При достаточно низких температурах цепочки деформационных вакансий могут сохраняться в течение времени, большего, чем время испытания, однако с повышением температуры деформирования одна шестая часть цепочки распадается на моновакансии, а остальная – на бивакансии.

В случае термически активируемого процесса пересечения порогов кинетика порогов исследовалась при помощи системы уравнений Хирша-Мотта [1]. Основным результатом этого исследования была величина стационарной плотности порогов, пропорциональная плотности дислокаций в степени 0,5. Для интенсивностей накопления деформационных точечных дефектов в процессе термоактивируемой деформации сдвига были получены следующие выражения [2]

Здесь: a - сдвиговая деформация; ci , c1 , c2 - концентрации межузельных атомов, моновакансий и бивакансий, соответственно; b - модуль вектора Бюргерса; - доля дислокаций «леса», пересекаемого движущимися сегментами.

Термактивируемая деформация является лишь небольшой частью общей сдвиговой деформации, так как после потери устойчивости дислокационного сегмента, способного к размножению по механизму Франка – Рида, дислокационный источник испускает серию ускоренно расширяющихся дислокационных петель. Пересечение дислокаций «леса» в случае ускоренного движения не требует термической активации. В результате потери устойчивости сегментом - источником после достижения критической конфигурации возникает локальное динамическое напряжение dyn , которое производит работу по

преодолению препятствий и волочению порогов.

Под действием динамического напряжения генерация точечных дефектов происходит с интенсивностями [3]

сегментов и от геометрии заметаемой ими площади, G - модуль сдвига. Межузельные атомы генерируются также интенсивно, как и вакансии. Предполагается, что дислокационные сегменты движутся с некоторой постоянной скоростью, не зависящей от дислокационной структуры.

Пусть в некоторый промежуток времени N дислокационных источников в

451

Секция 6. Моделирование физико-химических процессов в современных технологиях.

где 0,5- доля дислокаций «леса», j 1 r 0,5 0,43- доля образующих

пороги дислокаций «леса», при условии, что пороги и перегибы образуются с одинаковой вероятностью, - скорость движения дислокации, j - скорость

движения порогов вдоль линии дислокации. Оценка для доли реагирующих дислокаций леса r rs 0,14 при пересечении с винтовой дислокацией имеется в работе [3]. Структура дислокаций «леса» в уравнении (4) описывается скалярной плотностью дислокаций и варьируемым параметром wj , который учитывает долю

дислокаций одного знака, содержащихся в дислокационном «лесе».

Уравнения движения винтовых сегментов расширяющейся дислокационной петли имеют вид [2]

где eff R bRFR - эффективное напряжение, действующее на дислокацию, испущенную источником Франка-Рида [2], ek - кинетическая энергия единицы длины дислокационного сегмента, R- пробег дислокационного сегмента в форме дуги окружности, B - коэффициент динамического торможения. Предполагается, что большая часть зоны сдвига с площадью SD заметается винтовыми сегментами,

452

ВТСНТ – 2013

поэтому dSDs dSD 1, что приводит к верхней оценке интенсивности генерации точечных дефектов. Учитывается самодействие дислокационной петли в приближении постоянного линейного натяжения.

B 300 K 1,7 10 5 Па с.

Рис. 1. Закономерности движения дислокационного сегмента винтовой ориентации при различных значениях параметров и w j

На рис. 1 показаны результаты расчётов для зависимостей от времени линейной плотности кинетической энергии ek , радиуса R, скорости и линейной

соответствуют низкой плотности дислокаций, а остальные – высокой.

Большая величина параметра wj соответствует случаю, когда дислокации

разного знака представлены в равных долях, пороги быстро аннигилируют, и дислокационный сегмент движется со скоростью, близкой к скорости звука (1 и 4). При wj 0 структура дислокационного «леса» представлена дислокациями одного

знака, пороги не аннигилируют, скорость и кинетическая энергия достигают максимума и затем падают до нуля (3 и 6). В случае wj 0,25 наблюдаются

затухающие колебания кинетической энергии, скорости и плотности порогов при монотонном увеличении пробега (2 и 5).

Согласно исследованиям кинетики порогов [4], на движущихся со стационарной скоростью винтовых сегментах сохраняется стационарная плотность порогов

453

454

ВТСНТ – 2013

На рис. 3 приведены расчетные зависимости концентраций точечных дефектов от степени деформации в моделях с интенсивностями генерации, соответствующими формулам (1)-(3). На рис. 3 (а) проведено сравнение с экспериментальными данными для монокристаллов (треугольники) и поликристаллов (круги) меди [6].

Список литературы

1. Набарро Ф.Р., Базинский З.С., Холт Д.Б. Пластичность чистых монокристаллов.- М.: Металлургия.- 1967, 214 с.

2.Попов Л.Е., Кобытев В.С., Ганзя Л.В. Теория деформационного упрочнения сплавов.- Томск: ТГУ.- 1981, 176 с.

3.Колупаева С.Н., Старенченко В.А., Попов Л.Е. Неустойчивости пластической деформации кристаллов.- Томск: Изд-во ТГУ.- 1994, 301 с.

4.Черепанов Д.Н., Старенченко В.А., Слободской М.И. Кинетика порогов на движущейся винтовой дислокации в ГЦК - кристалле.// Изв. ВУЗов. Физика.- 2009, № 9/2, с. 108-117.

5.Parameswaran V.R., Weertman J.// Met. Trans.- 1971, 2, p. 1233–1243.

6.Старенченко В.А., Черепанов Д.Н., СоловьёваЮ.В., Попов Л.Е. Генерация и накопление точечных дефектов в процессе пластической деформации в монокристаллах с ГЦК - структурой.// Изв. ВУЗов. Физика.- 2009, № 4, с. 6071.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВИД ФАЗОВЫХ ДИАГРАММ ОДНОМЕРНОГО ИЗИНГОВСКОГО МАГНЕТИКА

Е.В. Шабунина, аспирант, М.Е. Шабунин, магистр гр. ИМ-51, Д.В. Спирин, к.ф.-м.н. Хакасский государственный университет, 655017, г. Абакан, пр. Ленина,90,

тел. (3902)222-163

E-mail: galichinaev@mail.ru

Построение фазовых диаграмм является универсальным методом, позволяющим определить, сколько и какие конкретно фазы существуют при данных значениях параметров состояния [1]. В магнитных системах интерес представляют диаграммы, на осях которых откладываются энергетические параметры, такие как напряженность внешнего магнитного поля и энергии взаимодействия соседних атомов. Каждая точка на фазовой диаграмме соответствует определенной конфигурации (магнитной фазе), соответствующей минимальной энергии при данной температуре. В нашей работе на основе обобщенной модели Изинга [2] разработан и реализован метод построения фазовых диаграмм одномерного наномагнетика с учетом влияния взаимодействия неближайших соседей [3].

Условимся, что если проекция безразмерного вектора s спинового магнитного момента узла на некоторую ось положительна, то будем сопоставлять этому узлу цифру 1, если отрицательна то цифру 0. Удобно магнитные конфигурации записывать не в двоичной форме, а соответствующей ей числом в шестнадцатеричной системе счисления [4].

Рассмотрим плоскость значений энергии обменного взаимодействия между вторыми соседями J2 и проекции внешнего магнитного поля Н (оба параметра

455

Секция 6. Моделирование физико-химических процессов в современных технологиях.

безразмерные, выражены в единицах энергии взаимодействия ближайших соседей J1). Остановимся подробно на влиянии температуры в малой магнитной системе из 5 узлов. На диаграмме основных состояний (диаграмма стабильности фаз при температуре абсолютного нуля, J2 и H меняются в интервале [-5;5] с шагом 0,1) наблюдается восемь различных областей: 2 ферромагнитных области (1 – «00» и 2 – «1F») – они являются наиболее протяженными и отличаются направлением результирующего магнитного момента; области 3 – «06;0С» и 4 – «13;19» соответствуют антиферроманитным областям, в которых чередуются пары спинов, однако из-за нечетного количества узлов для полной компенсации намагниченности недостает крайнего спина (области отличаются направлением результирующего момента); области 5 – «04» и 6 – «1В», 7 – «03;18» и 8 – «07;1С» соответствуют дефектным антиферромагнитным конфигурациям: спин «блуждает» по цепочке, нарушая антиферромагнитное построение [5].

а б

Рис. 1. Диаграмма системы из N=5 а) основных состояний Т=0 б) фазовая Т=0,01

При переходе к фазовым диаграммам при ненулевой температуре наблюдается смещение границ областей и появление новых фаз (при моделировании выбрано направление перехода слева направо). Так при относительной (безразмерной) температуре Т=0,01 (единицы измерения J1/kБ) происходит рост первой ферромагнитной фазы – «00» за счет второй – «1F» (рис. 1,б). Этот эффект можно объяснить запаздыванием в перестройке магнитной структуры при увеличении внешнего магнитного поля, ведь начальными при Н=0 являются конфигурации, когда все спины направлены вниз, что является метастабильным состоянием при положительной напряженности внешнего магнитного поля. Для выхода из метастабильного состояния значительного процента конфигураций необходимо либо увеличение температуры системы, либо сильное магнитное поле. В результате, при низких температурах наблюдается значительное запаздывание при переходе из ферромагнитной фазы с результирующим магнитным моментом направленным вниз в фазу со спинами направленным вверх. Область 3 – «06;0С» поглощает область 4, которая при Т=0,01 не реализуется. Области 5 – «04» и 6 – «1В» тождественны аналогичным областям в диаграммах основных состояний. Фаза 7 – «03;18» не реализуется, а 8 – «07;1С» занимает часть антиферромагнитной фазы и проявляется для большего диапазона отрицательных значений энергии взаимодействия J2.

456

ВТСНТ – 2013

На группе диаграмм рисунка 3 мы можем проследить изменения, происходящие с увеличением температуры. В области 8 – «07;1С» формируется область 4 – «13;19» и с ростом температуры вытесняет ее (область 8) в положение характерное для диаграммы основного состояния. Формируется область 7. Область 4 расширяется влево до прямой Н=0. Уменьшается запаздывание в перестроении спинов из фазы 1 в фазу 2.

Рис. 2 Фазовые диаграммы для системы с N=5 при а) Т=0,1 б) Т=0,3 в) Т=0,5

Дальнейшее увеличение температуры приводит к расширению антиферромагнитных областей 3 и 4 за счет поглощения областей 5 и 6 соответственно (рис. 3).

а) б) в)

Рис. 3 Фазовые диаграммы для системы с N=5 при а) Т=0,8 б) Т=1 в) Т=1,5

Подчеркнем, что наблюдается смещение границ области и против направления процесса (он протекает слева направо). При температуре Т=1,5 в районе областей 7 и 8 наблюдается размытие границ между фазами – тепловое движение разрушает порядок. Таким образом, показано, что при низкой температуре вид диаграмм заметно отличается от диаграмм основных состояний для такой же системы. Далее с нагреванием образца происходит выравнивание границ и образование недостающих фаз (0,3<Т<1), но при высокой температуре (T>1,5) тепловое движение приводит к размытию фазовых границ и областей.

Список литературы

1.Аплеснин C.С., Основное состояние и термодинамика фрустрированных магнетиков: монография. – Красноярск: Сиб. гос. аэрокосм. ун-т им. М. Ф.

Решетнева, 2012. – 126 с.

2.Захаров А. Ю. Решёточные модели статистической физики: Учеб.-метод. Пособие. – Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2006. – 74 с.

457

Секция 6. Моделирование физико-химических процессов в современных технологиях.

3.Спирин Д.В., Удодов В.Н., Потекаев А.И.Влияние взаимодействия вторых соседей на тепловые и кинетические свойства малого одномерного магнетика // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2005. – № 1. – С. 114-117.

4.Гашков С.Б. Системы счисления и их применение. – М.:МЦНМО, 2004. – 52 с.

5.Спирин Д.В. Диаграммы основных состояний малого изинговского магнетика

//«Физика и химия высокоэнергетических систем». – Материалы III Всероссийской конференции молодых ученых. – Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. – С. 215-218

ОПИСАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕКУЧЕСТИ И УЧЕТ РОТАЦИОННОЙ МОДЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ В РАМКАХ УПРУГОВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОВ

А.И. Швейкин, к.ф.-м.н., доц., Э.Р. Шарифуллина, студент гр. ММм-11 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 614990, г.Пермь, пр.Комсомольский,29, тел.(3422)-391-297

E-mail: alexsh59@bk.ru, elvira16_90@mail.ru

На сегодняшний день одной из актуальных задач механики деформируемого твердого тела является разработка аппарата, позволяющего моделировать и анализировать эволюцию внутренней структуры материала, которая влияет на его реакцию на макроуровне и определяет эксплуатационные характеристики, что важно при создании новых материалов и технологий их обработки. Для решения данной задачи одним из интенсивно развивающихся направлений является развитие физических теорий пластичности, в основе формулировок определяющих соотношений, гипотез и основных положений которых лежит рассмотрение механизмов деформирования на мезо- и микромасштабах в явной форме за счет введения внутренних переменных [1].

Неупругая деформация в кристаллических металлах происходит преимущественно путем внутризеренного скольжения (ВДС) краевых дислокаций по кристаллографическим системам скольжения, кроме того, при деформировании могут происходить существенные ротации решеток кристаллитов. Целью данной работы является анализ описания этих ключевых механизмов неупругого деформирования поликристаллических металлов.

Предлагается двухуровневая конститутивная модель, в которой элементами мезоуровня являются отдельные кристаллиты, для связи моделей макроуровня и мезоуровня применяются гипотеза Фойгта и условия согласования [2].

В качестве модели мезоуровня используется упруговязкопластическая модель, определяющее соотношение – закон Гука в скоростной релаксационной форме, скорость неупругих деформаций связывается с ВДС, коротационная производная определяется тензором спина решетки. Движение дислокаций по системам скольжения определяется с помощью закона Шмида, который также определяет поверхность текучести в пространстве напряжений. Скорости сдвигов определяются через вязкопластическое соотношение, в котором варьированием параметра скоростной чувствительности можно исследовать скоростные эффекты в поведении материала.

458