Физические основы разрушения твердых материалов в струях газа

ГЛАВА I

Физические основы разрушения твердых материалов в струях газа

  1. Модели деформируемых твердых тел

    Быстрое развитие технологий, связанных с использованием высокоактивных поверхностных структур перерабатываемых материалов, требует детальных сведений о структуре поверхностных слоев и способов их изменения в процессе подготовки материалов. . Целесообразно сделать анализ дефектных приповерхностных слоев, образованных в результате механической обработки материалов. Известно, что для каждого конкретного материалa, имеющего определенные деформационные свойства, особенности формирования нарушенного слоя определяются температурным режимом на границе взаимодействия абразива с обрабатываемым материалом, т. е. интенсивностью тепловыделения и характером теплоотвода. Иными словами, температурный режим зависит от размера и формы частиц абразива, от соотношения и величины твердостей и теплопроводностей абразива и обрабатываемого материала при идентичных или близких динамических условиях обработки. Так, в случае полирования алмазными пастами, т. е. твер щми абразивами с острыми краями, теплопроводность которых выше, чем у кремния, тепловыделение на границе взаимодействи i абразива и обрабатываемого материала мало (осуществляется ;ороший теп-лоотвод через абразив). В результате взаимодействии абразива с поверхностью обрабатываемого материала преобла 1ает эффект резания, приводящий к хрупкому разрушению поверх юсти. В этом случае в процессе формирования нарушенного слоя основное развитие получает первый, сильно разрушенный подсло i и величина нарушенного слоя определяется глубиной проникнов >ния трещин. В процессе химико-механического полирования суспензиями окисла циркония или двуокиси кремния (частицы абразива сферической формы, твердость и теплопроводность которых сравнима или меньше, чем у кремния) выделяется значительнее количество тепла при малом теплоотводе через абразив. Происходит значительный тельный разогрев поверхности обрабатываемого материала (до 250°С, локально может быть значительно выше), что способствует протеканию процесса пластической деформации вплоть до обра зования сеток дислокаций. В данном случае получает «развитие второй подслой нарушенного слоя [83]. Таким образом, нарушенный слой, образованный в результате механической обработки, имеет сложное строение. I В [31] методом просвечивающей электронной микроскопии изучена структура приповерхностных слоев кремния, н наиболее часто применяемого в технологических процессах. Изучение структуры проводилось в комплексе с послойным химическим |травливанием поверхностных слоев в растворе смеси плавиковой и азотной кислот (1:6) и просмотром соответствующих слоев с помощью сканирующего электронного микроскопа (РЭМ). Толщина исследуемых пластин 400-^200 мкм. Общая глубина изучаемой структуры доводилась до 250 мкм от поверхности. Выбор такой предельной глубины обоснован возможным влиянием поверхностной обработки на объем пластины, а также определением границ такого влияния. Отождествление дефектов и доказате льство того, что они возникают из-за механической обработки, проводилось путем изменения общей толщины пластин, подвергаемы механической обработке. На основе электронно-микроскопическиx исследований создана схема строения нарушенного слоя, которая является в последнее время наиболее приемлемой. Согласно этой модели нарушенный слой состоит из рельефного, поликрасталлических слоев, зоны трещин и дислокаций и упругодеформированной зоны. Наибольшее разрушение кристаллической структуры наблюдается в первых двух зонах, величина которых пропорциональна размеру зерна абразива. Таким образом, во время механической обработки на поверхности возникает рельефный слой с поликристаллической структурой, толщина которого составляет 0,3-0,5 величины микронеровностей. Непосредственно под рельефным, поликристчллическнм слоем находятся трещины с дислокациями, которые являются основными дефектами механической абразивной обработки и вносят основной вклад в полную глубину нарушений; этот второй слой проникает в 3—5 раз глубже, чем первый, и характеризуется мозаичной кристаллографической структурой. Плотность и размер трещин уменьшаются с глубиной, между трещинами наблюдаются дислокации и дислокационные сетки. nike air tn air В переходной области между областями пластической деформации и чисто упругих напряжений предположительно находится квазистатическая область, в которой имеется поле напряжений вследствие комбинаций дислокаций и внедренных дефектов или других микродефектов. Дислокационная и упругодеформированная зоны мало изучены, поэтому определенных данных о полной глубине нарушенного слоя, так и о процессах, происходящих в этих зонах, нет. nike air max flyknit ultra 2.0 Можно заключить, что скопления дислокаций характерны сразу для двух последних зон нарушенного слоя и могут ….(см. Структура …при лазерных возд., с.23…)- Твердое тело, как одна из форм существования вещества, независимо от его химической природы (органическая или неорганические) представляет собой сложную квантово-механическую систему, полного описания которой пока нет. В связи с этим рассматривают приближенные модели, причем ограничения, определяющие тип модели для конкретной рассматриваемой задачи, обычно относят к второстепенным процессам, не изменяющим существенно свойства твердых тел. Химические, оптические, электрофизические, механические свойства вещества зависят от его электронной конфигурации. Носителями этих свойств являются валентные электроны Поглощение и эмиссия излучения обусловлены переходами валентных электронов из одних энергетических состояний в другие. ??? (см. также Гордон) Твердость вещества – свойство, которое определяет (?) способность к разрушению, — обусловлена сопротивлением электронных облаков сжатию, что в твердом веществе сопровождается увеличением электронов. Физическую основу теории строения вещества составляет квантовая механика, в принципе позволяющая вычислить все физические константы, характеризующие свойства вещества, исходя только из четырех фундаментальных величин: заряда e и массы электрона m, постоянной Планка h и массы ядер. Силы квантово-механического взаимодействия между ядрами и электронами – межатомные химические связи – удерживают межатомные химические связи удерживают атомы в определенном порядке, чем и обусловливают структуру вещества. В структурном отношении твердые тела имеют кристаллическое или аморфное строение. Кристаллическое, органическое или неорганическое, твердое тело представляет собой совокупность множества произвольно расположенных и взаимно связанных кристаллов. Природные кристаллы, из которых сформированы твердые тела, в первом приближении соответствуют идеальному кристаллу, структура которого характеризуется периодически повторяющимся расположением в пространстве составляющих его атомов. Расположенные определенным образом в кристалле атомы, образуют его кристаллическую решетку. Простейшая кристаллическая решетка – кубическая. Стремление атомов занять места, наиболее близкие к другим атомам, приводит к образованию решеток различных типов: простая кубическая; кубическая объемно центрированная; кубическая гранецентрированная; гексагональная плотноупакованная. Отклонение структуры от идеальной, имеющееся в реальном кристалле, обуславливают различие физических свойств реальных и идеальных веществ. Каждому соответствует определенная кристаллическая структура, определяющая его свойства, изменяющаяся при изменении внешних условий и изменяющая при этом свойства. Способность вещества существовать в некоторых кристаллических формах называют полиморфизмом, различные кристаллические формы – полиморфными (аллотропическими) модификациями. При этом аллотропическую форму, соответствующую самой низкой температуре и давлению, при которых существует устойчивое состояние вещества, обозначают α, следующие состояния, при более высоких температурах и давлениях – β, γ и т. д. Переход вещества из одной формы в другую принято называть фазовым. Порядок расположения атомов в кристалле определяет его наружную форму. Совершенным кристаллом называют полностью симметричную структуру с атомами, размещенными строго в узлах решетки. При любых нарушениях в расположении атомов кристалл считается несовершенным. Характер и степень нарушения правильности (совершенства) кристаллического строения в значительной мере определяют свойства вещества. Поэтому, стремление придать тому или иному веществу определенные свойства обусловливает необходимость изучения возможностей изменения в требуемом направлении кристаллической структуры твердых тел или их аморфизиции с целью получения требуемых их физико-механических свойств. Аморфное состояние твердых веществ характеризуется изотропией свойств и отсутствием точки плавления. При повышении температуры аморфное вещество размягчается и переходит в жидкое состояние постепенно. Эти особенности обусловлены отсутствием у вещества, находящегося в аморфном состоянии строгой периодичности, присущей кристаллам, в расположении атомов, ионов, молекул и их групп. Аморфное состояние образуется при быстром охлаждении расплава. Например, расплавляя кристаллический кварц и затем быстро охлаждая расплав, получают аморфное кварцевое стекло.

    1.2. ФИЗИЧЕСКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВА ДЕФОРМИРУЕМЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

    Модель реального твердого тела может быть представлена сплошной средой с определенными физико-механическими свойствами, заключенной в области D объема V с площадью поверхности S. Движение частиц тела, находящегося под действием внешних сил, температуры и других факторов, определяется в большой степени физическим и механическим поведением среды тела. Физическое поведение среды характеризуется уравнением состояния σ = σ (ε, έ, Τ), (1.17) которое устанавливает связь между средним значением напряжения σ (давлением р) и средним значением деформации ε (плотностью ρ) в зависимости от температуры Т, средней скорости деформации έ и другил параметров. Установление уравнения состояния во многом зависит от характера объемного деформирования среды, которое связано с одним из фундаментальных ее свойств — сжимаемостью. Под сжимаемостью понимают способность среды изменять свою плотность в зависимости от действующего давления ρ = ρ (р). (1-18) Сложность зависимости (1.18) в первую очередь определяется внешним давлением, действующим на среду. Давление р будет низким, если справедлива зависимость р = —3Кε, где К. Adidas Zx Flux Pas Cher Adidas Zx pas cher — модуль объемного сжатия; средним, если ему соответствует область фазовых и полиморфных переходов; высоким если происходят электронные переходы; сверхвысоким, если происходи разрушение электронных оболочек и потеря атомами индивидуальных свойств с последующим превращением среды в электронный газ. Сжимаемость может быть статической, если зависимость (1.18) получена в условиях статического нагружения, и динамической если зависимость получена при динамическом нагружении в виде ударной адиабаты (рис.1.14) или в какой-либо другой форме. Для задач динамики разрушения тела в условиях газодинамического диспергирования наибольший интерес представляет динамическая сжимаемость. Анализ экспериментальных данных по динамической сжимаемости металлов, выполненный Л. П. Орленко [цитируется из работы: В.Н. Ионов, В.В. Селиванов. Динамика разрушения деформируемого тела. adidas superstar homme moins cher – М.: Машиностроение, 1987. – 272 с. ], позволил установить явный вид зависимости (1.18) Р = А (ρ / ρ0) n ! В. Для более широкого класса материалов р = — где А, В, n, С0, λ — постоянные материала; ε= ρ0/ρ— 1. Для решения задач о деформации и разрушении тел необходима более полная информация о поведении среды при нагружении, поэтому необходимо иметь уравнение состояния (1.17), усанавливающее связь между инвариантами – интенсивностью напряжений σi как основной характеристикой касательных напряжений и интенсивностью деформаций εi как основной характеристикой сдвиговых деформаций в зависимости от температуры Т, скорости деформаций έi и других параметров… При статическом нагружении, фиксированных температуре и других параметрах уравнение состояния …(см. с. 34) При динамическом нагружении тела, как показывают результаты многочисленных исследований, поведение среды иное, чем при статическом: изменение скорости деформации приводит к существенным изменениям ее механических свойств. Установлено, что:

    1. динамический модуль упругости Ел тел кристаллической структуры мало отличается от статического Ес, тогда как в телах органических с высокомолекулярной структурой влияние скорости деформации заметно в пределах упругости;
    2. с увеличением скорости деформации предел текучести σт увеличивается, причем увеличение значительнее в средах с выраженной площадкой текучести;
    3. предел прочности σв также зависит от скорости деформации, увеличиваясь с ростом последней, причем разрушение с большой скоростью деформации вызывает меньшую остаточную деформацию, чем разрушение с малой скоростью деформации при прочих равных условиях;
    4. упрочнение среды с увеличением скорости деформации уменьшается. Это указывает на существенное изменение диаграммы σ i — ε i (рис. 1.17) при динамическом нагружении. Количественное изменение σ i в зависимости от ε i описывается соотношением:

    σ т = σт0 [1 + K ln (έ / έ 0) n] с.36 Ион.. где σт0 – предел текучести при скорости деформации έ 0; К и n – постоянные. Экспериментально установлено, что для многих сред существует нижний порог чувствительности к скорости деформации:

  • при различных скоростях деформации, меньших критического значения, зависимость σ (ε) одинакова. Чувствительность среды при постоянной скорости деформации характеризуется коэффициентом динамической чувствительности λ = (дσ/д In ε) ε,T Peзультаты испытаний металлов при скоростях деформаций выше нижнего порога динамической чувствительности представлены соотношением σi ‌εiT = А + В lg έi,, где А и В — константы, зависящие от εi и Т. Для других сред типично увеличение значения λ по повышении скорости деформации.

Экспериментальные исследования механического поведения сред при переменной скорости деформации позволили предложить зависимость (с. σ * = А [ ∫(h (ε)/ έ 0) qdε ] [h (ε)/ έ 0]n, справедливую при произвольном изменении скорости реформации έ = h (ε), начиная со значения έ 0 при ε0. Для произвольной истории нагружения предложена зависимость (c.38 Ионов) … tσ = σ (ε (р) ) — ∫t0K(t-τ)σ( τ) dτ, где σ (ε (р) ) — предельная динамическая зависимость при έ → ∞; ε (р) = ε — σ /Е — пластическая деформация; К(t) — ядро, при обработке данных эксперимента принятое в форме ядра Абеля. ‘ В результате изучения механического поведения среды при динамическом нагружении установлен вид уравнения (1.31 с.37) в зависимости от свойств среды, температуры и скорости деформации. Описанные свойства упругопластической среды являются склерономными (не зависящими от времени), однако среда обладает и реономными (зависящими от времени) свойствами, которые характерны для релаксации и последействия. Процесс самопроизвольного уменьшения интенсивности напряжениё σi с течением времени t при постоянной интенсивности деформаций εi называют релаксацией (рис.1. 19). Для математического описания релаксации Максвеллом предложена зависимость dσi/dt =Еdεidt –σi/τ, где τ — постоянная, зависящая от температуры Т и называемая временем релаксации. При εi = С имеем (с.38 Ион) = сгг(М) ехр (~t/t). ………………………………………… которое может быть получено из следующих соображений. При небольших температурах Т -<\( acnh/(ak) свободная энергии в соответствии с (1.4) F = U0 + 77(9/7-)-Воспользовавшись термодинамическим равенством f~t(-^-\ — Г д ( F }] 1 \ дТ )v~ [ 5(1/7) \ Т /V получим дР ,, _ J_ д I F \ _ U D дв —I ~ 6 д(\1Т) \ Т ) 9 ‘ где UD — внутренняя энергия в дебаевском приближени i, обусловленная колебаниями атомов. Учитывая, что -р = — (dFldV)r, запишем уравнение состояния калорического типа dt/O . р Up rar /i 1Q4 Р — —^г t i —у~, Kf. U-iy/ полученное Грюнайзеном. На ударной адиабате давление ‘ можно представить в виде двух слагаемых: упругого /?у и тепле иого рт давлений, причем, как следует из термодинамического равенства р TdS = dE + pdV, ~»~§ъ при Т •— О К имеем k |^^>> /V- ди»/дУ\ pr^-TUn/V. ^ Щ%&’ (1-20) ^—^Ш& Как следует из (1.20), параметр Грюнайзена Г, характеризуемый отношением тепловой энергии решетки к тепловому j г^»^^/^^\ Рис. nike air max 90 1.14. Положение ударной адиабаты () n V V V относительно кривой холодной сжимаемой (2)

Физическая модель деформации и разрушения твердых тел, вызываемых внешними силами
Повреждения, накапливаемые при сложных нагружениях

Нагружение постоянным во времени напряжением, вызывающее ползучесть, циклическое нагружение с постоянной амплитудой напряжения или деформации, вызывающее усталость, или нагружения с постоянной скоростью изменения напряжения или деформации представляют собой простые нагружения. Между тем специфика обработки материала струями газа выдвигает на проблему поведения материала при динамическом нагружении в тех случаях, когда нагрузка изменяется со временем (например, при ползучести, когда заданное напряжение изменяется со временем; при усталости, когда амплитуда циклического напряжения меняется со временем), т. е. проблему накопления повреждений при сложных нагружениях. Однако теории, точно описывающие этот процесс, в настоящее время, по-видимому, не существует. Ранее применительно к усталости было сформулировано эмпирическое правило Майнера [48]. Суть его заключается в следующем. Если обозначить через Ni число циклов при амплитуде напряжения σi, а через Nfi — долговечность при воздействии только напряжением с амплитудой σi, то при нагружении с переменной амплитудой напряжения условием разрушения становится соотношение (8.103) Майнер [48] и большинство других исследователей следующим образом трактуют выражение (8.103). (Екобори с.214). Разрушение возникает тогда, когда общая сумма частных сумм различного рода поглощенных энергий, приходящихся на каждый цикл, становится равной некоторой постоянной величине. Причем практически все предложенные до сих пор многочисленные правила, описывающие накопление повреждений, включают в себя такого рода представление. Необходимо отметить, что одни исследователи рассматривают правило Майнера в виде (8.103) как простую эмпирическую формулу, другие — как выражение изложенной выше энергетической гипотезы. Прежде чем перейти к последующему изложению, необходимо, по-видимому, привести пример универсального представления, подразумеваемого выражением (8.103). А именно: выражение типа (8.103) есть выражение для времени до возникновения дискретного явления в условиях предшествующего воздействия различными нагрузками (текучесть [73], усталостное разрушение и разрушение при ползучести, разрушение при совместных усталости и ползучести.(Екобори, с.216).

Дисперсность частиц, как фактор физико-химических свойств материала

Критический анализ опубликованных данных показывает, что вопреки утверждениям ряда авторов, якобы наблюдавших драматические изменения фундаментальных физических свойств у сравнительно крупных частиц диаметром (D) более 100 А, в действительности эти свойства практически не отличаются от таковых для массивного тела. Обнаруженные «эффекты», как правило, объясняются влиянием окисной оболочки частиц и взаимодействием их друг с другом и с окружающей средой. Природа сильных изменений свойств частиц, имеющих D < 100 А, недостаточно ясна, поскольку, согласно материалам первой части этой книги, основные характеристики массивного тела почти полностью сформированы уже в агрегатах, содержащих менее 1000 атомов (D ≤ 10 Ǻ). Предполагается, что причиной таких изменений может быть изомерная перестройка структуры кластеров, составляющих частицы. Предлагаемый критический обзор физических свойств малых частиц имеет целью, во-первых выявить, где возможно, размерную зависимость этих свойств, и, во-вторых, установить роль структурных единиц — кластеров в формировании наблюдаемых явлений. Большинство исследований вы полнено на аэрозольных частицах, полученных методом так называемого («газового испарения») «газодинамического диспергирования». (Петров Ю. И. Физика малых частиц. – М.: Наука, 1982.) с.63 Краткая характеристика метода газодинамического диспергирования. Петров с.63 + Структура и прочность материалов при лазерных воздействиях / М. С. Бахарев, Л. И. Мирин, С. А. Шестериков и др. – М.: Из-во Моск. ун-та. nike pour homme pas cher 1988. –224 с. Р а з м о л доломита. 1 ! Сырьем для помола служил 90 % кристаллический доломит, который подвергался размолу под давлением помольного газа II атм при исходном | размере крупинок материала в 6Э мкм. Запасы энергии кристаллической j структуры продуктов размола увеличиваются в процессе помола как в | воздушной среде, так и в среде CO2. Это видно на экзотермическом максимуме при температуре около 200 °С для серии кривых снятых ДГА показанных на рис.б. Подобное, но в процентном отношении меньшее накопление энергии, по лучил Kkac S. в процессе размола доломита на вибрационных мельницах. Помол, производимый С02 является более производительным ,чем воздушный помол, так как 98 % исходного материала размалывается до средней величины частиц в 1-2 мкм. Общее кристаллическое состояние доломита не изменяется,хотя в результате сутце ствуюцих примесей некоторый процент кальцита становится аморфным. ! Размол известняка. ! Производился дальнейший размол в струйных мельницах при давлении помольного газа I атм, материала, предварительного размельченного до размера 200 мкм. nike roshe run homme bleu marine Помол, производимый воздухом, оказался результативнее. 98 % материала размалывается до размера частиц менее чем 2 мкм, но зато уменьшается до 60 % содержание карбоната в продукте помола. Уменьшение содержания СО? при помоле в среде помольного газа СО, носит затухаюций характерно при этом ухудшается размалывающая способность. На основании проведенных рентгеновских исследований было обнаружено, что 50 % кальцита становится аморфным в процессе помола газом СОг), а при размоле воздухом приобретает аморфное состояние всего несколько процентов.

Добавить комментарий