CC BY
13
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.762
В. Н. КОКОРИН
МОДЕЛИ КОНСОЛИДАЦИИ ПОЛИДИСКРЕТНЫХ КЛАСТЕРНЫХ ТЕЛ С РАЗЛИЧНЫМ ФАЗОВЫМ СОСТОЯНИЕМ
Рассмотрены проблемные вопросы прессования многокомпонентных смесей, одна из фаз которых является жидкой.
Ключевые слова: полидискретные кластерные тела, прессование, многокомпонентные смеси.
Один из основных механизмов зарождения дефектов в композиционных пористых материалах, получаемых методами порошковой металлургии, - это декогезия, т. е. образование не-сплошностей на границе матрицы и включения. Однако модели, учитывающие эффект разноуп-лотняемости вследствие декогезии, насколько нам известно, до сих пор не разработаны.
В настоящей статье композит рассматривается как трёхфазное тело матричного типа, имеющее структурные кластеры различных типов. Материал матрицы (первая фаза) изотропный, упругий и несжимаемый (поликристаллический или аморфный) - матричный кластер. Вторая фаза представляет собой распределённые по объёму поры, характеризуемые их объёмной
долей ( 0) - поровьгй кластер и третья фаза -распределённые по объёму прессовки жидкие включения.
В соответствии с методологией структурнофе-номенологического подхода, рассмотрим модель среды, представляющей собой конгломерат статически однородных плотноупакованных частиц изометрической формы, на границах которых локализуются несплошности. Укладка частиц при прессовании образует регулярные структуры - поры, заполненные жидкой (связующее) и газовой фазами.
Процессы, протекающие во внутрипоровом пространстве, отличаются существенным детер-менизмом и в значительной степени определяются как взаимодействием (сдвиговые деформации) между частицами самой жесткой матрицы проницаемой структуры, так и межфазным взаимодействием между наполнителями пор и жёстким каркасом. При этом реализуется как адсорбция - поглощение поверхностью пористого
В. Н. Кокорин, 2006
материала на открытых поверхностях тела, так и адсорбция, - поглощение объёмом пористого каркаса тела.
В результате эти процессы во всесторонней совокупности структурных и физических явлений характеризуются чётко выраженной нелинейностью как во временной, так и в пространственной областях, при этом уплотнение деформируемого тела реализуется в соответствии как с дискретной, так и с гомогенной моделями (в соответствии со стадийностью процесса уплотнения).
Гомогенная модель является достаточно наглядным и удобным способом континуального представления трёхфазной среды: несжимаемая матрица - газовая фаза (поры) - жидкостная фаза (как вариант: матрица - газовая фаза (поры) -газожидкостная смесь). Смесь жидкости и газа можно рассматривать как некую однородную среду со средней температурой Т, скоростью транспортирования и, плотностью р и давлением р. Давление в жидкой фазе р| либо равно давлению в газовой фазе р2, либо отличается на величину лапласовского давления Ар = 2сг/ Я ,
обусловленного поверхностным натяжением на границе газ - жидкость (Я - радиус поры, а -коэффициент поверхностного натяжения). Очевидно, температуры и скорости транспортирования (движения) фаз равны.
Жидкофазное связующее, содержащееся в шихте, с одной стороны уменьшает внешнее трение, а с другой - препятствует плотной упаковке дискретных порошковых частиц за счёт их несжимаемости. При этом создаются условия ювенильного контакта при переукладке в процессе прессования. Вторым фактором, снижающим эффективность уплотнения порошковых материалов, являются зажатые в порах (в усло-
виях замкнутого пространства) газы, оказывающие значительное противодействие усилию прессования.
В общем случае уплотнение сыпучей среды сопровождаете я двумя процессами: межчастичным смещением (структурной деформацией) и деформацией самих частиц с образованием и расширением зон контактов. Структурная деформация преобладает на начальной стадии уплотнения и может быть достаточно протяжённой.
Количественные зависимости между давлением уплотнения и плотностью среды в рамках дискретно-контактной теории устанавливаются на основе моделирования этого процесса с использованием представительного элемента самой среды и условия пластичности Губера-Мизеса. В работах [1,2] обоснована концепция стадийности процесса уплотнения порошков в замкнутых объёмах, описаны стадии процесса уплотнения с точки зрения контактного взаимодействия и консолидации уплотняемой среды.
Многостадийность и сложность процессов консолидации (прессования) двухкомпонентных шихт являются причинами слабой разработанности представлений о механизме прессования, описывающем процесс уплотнения. Установлено, что введение в шихту жидких неметаллических компонентов - жидких связующих сред (ЖСС) - оказывает сложное влияние на характер уплотнения [1]. Предложены две модели уплотнения и стадийности прессования: а) брикета в целом; б) приконтактной зоны. При малом давлении (< 400 МПа) присутствие второго (жидкого) компонента способствует интенсивному снижению пористости материала брикета, при давлении свыше 400 МПа повышается его пористость: при низких давлениях прессования уплотнение происходит в основном за счёт скольжения частиц относительно друг друга, а введение жидкого компонента облегчает этот процесс, способствует лучшей укладке частиц; при повышенных давлениях уплотнение происходит главным образом за счёт деформации прикон-тактных областей при гидростатистическом сжатии жидкой фазы; при этом снижается интенсивность уменьшения порового пространства при росте давления прессования - наличие жидкой фазы способствует повышению пористости (по сравнению с однокомгюнентной шихтой).
Первая стадия уплотнения (структурная) характеризуется значительным преобладанием автономной деформации, нарушающей контакты насыпки. После снятия нагрузки формовка превращается в несвязанное сыпучее тело. При необходимости ограничения первой стадией уп-
лотнения следует вводить в формуемую шихту ЖСС. При использовании двухкомпонентной шихты, содержащей жидкую фазу, «арки» заполняются как твёрдыми частицами, так и жидкой фазой, причём преимущественное перемещение наблюдается прежде всего у жидкой фазы.
Вторая стадия уплотнения характеризуется пластической деформацией частиц твёрдой среды приконтактных областей. Препятствием для образования контактов являются плёнки ЖСС, при этом жидкая фаза частично или полностью выдавливается в поры.
На первой стадии наблюдается переукладка дискретных частиц матрицы и транспортирование в поры газа и жидкости. На второй стадии материал прессовки - беспористая структура -деформируется как и компактный, однако при этом действует гидростатическое давление в жидкости.
При использовании смеси с наличием жидкой фазы третья стадия прессования отсутствует, что отличает процесс прессования шихты, имеющей в своем составе жидкий компонент, от прессования однофазных структур. Этот механизм коренным образом отличается от классических теорий прессования порошковых тел (заполнение пор фракцией твёрдой фазы не наблюдается, создаётся гидростатическое давление).
Таким образом, изучение влияния второго компонента на уплотняемость двухкомпонентных смесей позволяет выявить область перехода от одной стадии прессования к другой.
В отличие от однофазных порошковых структур статическое прессование полифазных дискретных тел заканчивается второй стадией (завершающей), которая характеризуется изменением механизма уплотнения. Это обусловлено неизбежным полным фиксированием контактов замкнутых локальных систем: матрица - газ -леидкость. Вторая стадия прессования характеризуется интенсивным смещением объёмов полифазной структуры, которую можно рассматривать как двухфазную: неуплотняемая часть (металлическая матрица и жидкость) и уплотняемая - газы.
Отсутствие теоретических и экспериментальных данных о механизме прессования плотно-упакованного матричного кластера (в моделируемой области формируется единая структура, включающая в себя оба кластера - поровый и дисперсный), о влиянии жидкой, газовой, жид-костно-газовой фаз в шихте на формирование свойств прессуемых изделий существенно ограничивает возможности прессования.
Рис. 1. Характеристика формируемой структуры:
Фазовое состояние пористой структуры зависит от допустимого набора фазовых состояний исходного вещества, однако для анализа теоретических моделей выделим состояние двух основных элементов пористой среды прессовки: образуюгцую фазу - структуру, формирующую матрицу, пористой среды и образ)тощую её основную структуру (как правило, имеет твёрдое поликристаллическоё или аморфное состояние); заполняющую фазу - структуру, находящуюся в поровом пространстве и образующую (вместе с матрицей) единую гетерогенную систему (в момент транспортирования в поровое пространство находится в жидком или газообразном состоянии).
На начальной и завершающей стадиях прессования наблюдаются характерные различия выделенных структур: их непрерывность,, связность, регулярность, анизотропия, фазовое состояние (рис. 1). Использование физических и расчётных моделей предполагает учёт особенностей структур на выделенных этапах прессования.
Теории пластичности, предложенные для любой рассматриваемой модели полидискретных
кластерных тел с различным фазовым состоянием, должны обеспечивать возможность корректно описывать приведённые структурные модели.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кокорин, В. Н. К стадийности прессования двухкомпонентных смесей с различным агрегатным состоянием / В. Н. Кокорин, М. В. Кокорин //ВестникУлГТУ.-2002.-№ 1.-С. 38-41.
2. Радомысельский, И. Д. Некоторые особенности уплотнения порошков на разных стадиях прессования / И. Д. Радомысельский, Н. И. Щербань // Порошковая металлургия. -1980. - №11.- С. 12 - 19.
Кокорин Валерий Николаевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрог4 «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ. Работает в области теории и технологии прессования многокомпонентных структур.
УДК 621.923.045 М. Е. КРАСНОВА
СТРУКТУРИРОВАННЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ОЧИСТИТЕЛИ
Приведена классификация структурированных гравитационных очистителей. Разработан тонкослойный гравитационный очиститель, обеспечивающий высокую степень и тонкость очистки СОЖ
от магнитных и немагнитных примесей.
' г 1 '
Ключевые слова: очиститель гравитационный, СОЖ, очистка, примеси.
Гравитационные очистители, широко используемые в промышленности для очистки СОЖ от механических примесей, относят, как правило, к средствам предварительной (грубой) очистки жидкости от относительно крупных частиц [1]. Исследования и опытно-конструкторские разработки, выполненные в УлГТУ и ЗАО НЛП «Волга-ЭКОПРОМ», открывают возможности создания структурированных гравитационных очистителей (СГО) для очистки СОЖ от частиц механических примесей размером менее 5 мкм.
Как показано на рис. 1, возможны различные схемотехнические решения СГО (одна из первых разработок была представлена в статье [2]).
© М. Е. Краснова, 2006
Структуризация рабочего объёма очистителя позволяет ламиниризовать поток водной СОЖ, уменьшить высоту осаждения частиц примесей и, в итоге, повысить степень и тонкость очистки СОЖ.
В структурированных гравитационных тонкослойных очистителях осаждение частиц происходит в слое жидкости между осадительными пластинами. Производительность тонкослойного очистителя прямо пропорциональна числу слоев. Расстояние между пластинами определяется особенностями процесса регенерации и ограничено противоречивыми требованиями удобства и надежности регенерации, с одной стороны, и стремлением к увеличению производительности очистителя, с другой стороны.
