НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

ім. І.М.ФРАНЦЕВИЧА

КУЗЬМОВ АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.762

РЕОЛОГІЧНА МОДЕЛЬ СПІКАННЯ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ З БІМОДАЛЬНИМ РОЗПОДІЛОМ ПОР В УМОВАХ КІНЕМАТИЧНИХ ОБМЕЖЕНЬ ТА ДОДАТКОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ

05.16.06 – порошкова металургія та композиційні матеріали

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича Національної Академії Наук України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, ШТЕРН Михайло Борисович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ, завідувач відділом мікро-механіки, реології та обробки тиском порошкових та композиційних матеріалів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор РУДЬ Віктор Дмитрович, Луцький державний технічний університет, директор Інституту інженерних та інформаційних технологій ЛДТУ

доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Лєщук Олександр Олександрович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Ба-куля НАН України, м. Київ, завідувач відділом досліджень фізико-механічних властивостей

надтвердих матеріалів та випробувань інструментів.

Захист відбудеться “28” січня 2008 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за адресою: м. Київ 03142, вул. Кржижанівського, 3; корп. Б, кімн. 208.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за адресою: м. Київ 03142, вул. Кржижанівського, 3

Автореферат розісланий “18” грудня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук _________ Мінакова Р.В.

(підпис)

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Згідно сучасних уявлень, спікання пористих напівфабрикатів розглядається не тільки як процес утворення контактів між частинками порошку та ущільнення, але й як додатковий засіб керування структурою. Зокрема, це стосується матеріалів, які містять декілька типів пор. Особливе значення для забезпечення функціональних властивостей має бімодальна пориста структура. До проблем, де актуальним є контроль її утворення та еволюції під час спікання можуть бути віднесені щонайменше дві наступні: консолідація нанодисперсних систем та створення біпористих матріалів. В першому випадку спонтанне формування бімодальної структури пор обумовлено феноменом агломерації наночастинок ще на стадії їх підготовки до подальшої обробки. Агломерати, що утворюються (гіперчастинки), містять дрібні пори, в той час як поміж гіперчастинками розташовуються великі пори. Додаткові технологічні засоби, що застосовуються поряд зі звичайним спіканням і спрямовані на гальмування росту зерен, можуть сприяти зростанню великих пор. Тому в даному випадку контроль бімодальної пористої структури спрямований на протидію можливому розпушенню. Інший тип проблем пов‘язаний з матеріалами, при виготовленні яких, слід забезпечувати не тільки заданий вміст пор, але й співвідношення розмірів пор, що відносяться до різних типів. Методи отримання таких матеріалів пов‘язані з використанням пороутворювача. Області застосування таких матеріалів включають біомедицинські проблеми, фільтри для очищення рідіин та газів, елементи паливних комірок.

Одна з проблем пов`язаних з отриманням таких матеріалів - це управління в ході спікання співвідношенням великих та дрібних пор. Явища, які при цьому спостерігаються, знайшли якісне пояснення в умовах макроскопічної однорідності та відсутності дії зовнішніх факторів в дослідженнях В.В. Скорохода, А.Г. Косторнова, Л.Є. Луніна, С.М. Солоніна, Л.І Чернишова. Коли ж розподіл густини в матеріалі, що спікається - є початково неоднорідним, або сам матеріал перебуває під дією зовнішніх сил або обмежень ця задача суттєво ускладнюється. Вирішення цього питання не може обмежуватись лише довготривалими та матеріаломісткими експериментальними дослідженнями. Воно потребує створення відповідних теоретичних засад спікання матеріалів з біпористою структурою. Така теорія повинна враховувати можливість виникнення та подальший розвиток макроскопічної неоднорідності під час спікання.

Саме її розвитку і присвячено дисертаційне дослідження, результати якого викладені в даному авторефераті. Запропонована теоретична модель є чутливою до розподілу пор за розмірами і узагальнює реологічну теорію спікання В.В. Скорохода. Вона трансформується до неї, коли розміри пор покладаються рівними один одному. На основі створеної теорії були змодельовані розповсюджені технологічні процеси спікання біпористих тіл, зокрема спікання ковкою двооксиду цирконію , що застосовується в технологіях отримання паливних комірок та спікання заготовок для багатошарових градієнтних фільтрів отриманих методом сухого радіально-ізостатичного пресування порошку сталі ШХ15 з пороутворювачем. Наведені проблеми є актуальними, як з точки зору внутрішніх проблем теорії спікання, так і технічних проблем отримання виробів методами порошкової металургії.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає основним науковим напрямкам робіт Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевіча НАН України і виконана в рамках НДР за темами:

· “Розробка мікромеханічної моделі консолідації гранульованих середовищ на основі порошків металів і кераміки при деформуванні та спіканні” № держреєстрації 0101U001488.

· “Дослідження особливостей синтезу керамічних композитів на металевому каркасі та тестування їх фізико-механічних та фізико-хімічних властивостей” № держреєстрації 0104U006145.

· “Консолідовані наноструктурні матеріали на основі тугоплавних карбідів, нітридів і боридів” № держреєстрації 0104U006632.

· “Моделювання еволюції пошкоджень в процесах порошкової металургії, обробки тиском композиційних матеріалів та нанотехнологіях” № держреєстрації 0103U05515.

· “Визначення еволюції затягування пор при спіканні та оцінка ефективних властивостей сирих та спечених пресовок шляхом прямого комп’ютерного моделювання на репрезентативній комірці” № держреєстрації 0105U001917.

· Міжнародна наукова програма DIENET , що виконувалася під патронатом Європейської Асоціації Порошкової Металургії (EPMA) 2001-2003 р.

· Міжнародної наукової програми CRDF за темою UKE2-2698-KV-06 “Modeling of consolidation of nanostructured materials” (2005 -2007)

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка реологічної моделі спікання матеріалів, що характеризуються наявністю бімодальної пористої структури; створення на підставі розробленої моделі засобів контролю еволюції бімодальної пористої структури, які, забезпечуючи досягнення та збереження заданих властивостей виробів з порошків металів, кераміки та нанопорошків, сприятимуть запобіганню їх руйнування під час спікання. Для досягнення поставленої мети досліджувались наступні питання:

· Проаналізувати чинники, що сприяють формуванню бімодальної пористої структури та оцінка спроможності моделей спікання пористих матеріалів, що існують, описати їх поведінку

· Побудувати модель поведінки біпористих матеріалів під дією Лапласівських сил, що є чутливою до наявності пор різних розмірів на підставі узагальнення реологічної теорії спікання

· Визначити вплив схем навантажень та умов, що обмежують рух біпористої заготовки на кінетику зміни великих та дрібних пор

· Методом скінчених елементів дослідити вплив кінематичних обмежень на розподіл великих та дрібних пор

· Сформулювати критерії руйнування та локального розпушення при спіканні

· З‘ясувати особливості перерозподілу великих та дрібних пор за умов використання технологій спікання ковкою та спікання шаруватих пористих циліндричних напівфабрикатів, що отримані за технологією радіального ізостатичного пресування

Об'єкт дослідження консолідація пористих та порошкових матеріалів з бімодальним розподілом пор за розміром..

Предмет дослідження – вплив макроскопічних факторів на процес спікання порошкових заготовок з бімодальним розподілом пор за розміром.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовувались уявлення континуальної механіки спікання та деформування пористих напівфабрикатів, сформульовані В.В. Скороходом, Г.А. Баглюком, Я.Ю. Бейгельзімером, Л.С. Богинським, В.М. Гороховим, Г.Я. Гуном, М.С. Ковальченко, О.М. Лаптєвим, O.O. Лещуком,. М.В. Новиковим, В.В. Новиковим, В.А. Огородніковим, Є. Олевським, Г.Л. Петросяном, В.Д. Рудєм, В.Н. Самаровим, А.А. Фроловим та іншими. Використовувались також ефективні методики обчислювального моделювання. Для знаходження визначальних співвідношень механічної поведінки пористого континууму використовувалась методологія мікромеханіки заснована на гіпотезі еквівалентної гомогенності та уявленні про репрезентативну комірку. Отримані таким чином визначальні співвідношення далі використовувались для моделювання макроскопічної поведінки тіла, що спікається. В тому випадку, коли розглядалося нерівномірне поле пористості, використовувалась дискретизація відповідних рівнянь в частинних похідних методом скінчених елементів. Для розв’язання дискретизованої задачі використовувались як ітераційні так і прямі сучасні методи обчислювальної алгебри Для комп’ютерної реалізації описаної вище методології автором було створене відповідне програмне забезпечення. При цьому отримані результати порівнювались з експериментальними даними, відомими з літератури.

Наукова новизна одержаних результатів.

· Вперше побудована замкнена реологічна теорія спікання тіл з бімодальним розподілом пор за розміром, яка крім еволюції загальної пористості, описує також еволюцію вмісту кожного типу пор.

· Теоретично обґрунтовано, що на відміну від мономодальної структури пор, бімодальна пориста структура може сама по собі бути причиною виникнення макроскопічних дефектів при спіканні пористих напівфабрикатів і приводити до їх руйнування у випадку наявності кінематичних обмежень.

· Удосконалено технологічний процес отримання багатошарових градієнтних фільтруючих матеріалів методом сухого радіально-ізостатичного пресування порошку сталі ШХ15 з пороутворювачем, з подальшим спіканням біпористих заготовок.

· Із застосуванням методу скінчених елементів встановлено, що за наявністю зовнішніх обмежень, попри інтегральну усадку, притаманну звичайному спіканню, в деяких ділянках біпористого тіла може спостерігатися зростання великих пор.

· На підставі комп‘ютерного моделювання встановлені обмеження на метод спікання ковкою (sinterforging), які сприяють уповільненню зростання великих пор.

· Встановлено, що одним з чинників, що сприяють утворенню великих пор в дрібнопористій матриці може бути відокремлення жорсткого вкраплення, що міститься в пористому напівфабрикаті за наявності розтягуючих напружень.

· На підставі теорії нелінійно–в‘язкої течії порошкового матеріалу, що містить жорстке вкраплення і перебуває під дією розтягуючи зусиль, виявлено: якщо поведінка порошкового матеріалу близька до лінійно – в‘язкої, розподіл густини в пористій матриці близький до рівномірного; чим ближче поведінка матеріалу до пластичної, тим відчутнішим стає градієнт густини в околі вкраплення; зокрема для ідеально пластичної матриці на межі вкраплення–матриця спостерігається катастрофічне зростання пористості (локалізація розпушення), що й призводить до мікроруйнування.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в ході виконання роботи наукові результати використані для вдосконалення технологічного процесу отримання багатошарових градієнтних фільтруючих матеріалів методом сухого радіально-ізостатичного пресування порошку сталі ШХ15 з пороутворювачем, з подальшим спіканням біпористих заготовок. Ці випробування проводились на науково-виробничій базі Луцького державного технічного університету, з використанням створеної там оригінальної установки для радіально-ізостатичного пресування. На підставі комп‘ютерного моделювання встановлено взаємозв’язок між технологічними параметрами процесу отримання фільтруючого матеріалу (концентрація та фракційний склад пороутворювача, хід та початкові розміри камери пресування, товщина кожного окремого шару) і кінцевою пористою структурою. Це дозволяє знайти необхідні технологічні параметри, які забезпечують на виході потрібну пористу структуру фільтру.

Описана методика була використана при виготовленні двох- та трьохшарових градієнтних фільтруючих пористих порошкових матеріалів простої і складної форми, які були застосовані в умовах ВАТ “Електротермометрія” для очищення технічної води від механічних забруднень в водолічильниках.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно і вирішують важливу наукову задачу порошкової металургії – створення континуальної теорії спікання пористих та порошкових матеріалів з бімодальним розподілом пор , яка дає змогу оптимізувати технологію виготовлення та керування властивостями таких матеріалів за допомогою комп‘ютерного моделювання. .

Базуючись на теоретичних концепціях сучасної мікромеханіки автором було розроблено замкнену реологічну теорію спікання біпористого середовища. На відміну від існуючих, ця теорія містить два внутрішні параметри стану , що характерізують структуру порового простору. Кожний з них відповідає вмісту пор певного розміру і для кожного з цих параметрів сформульовані рівняння еволюції, які узгоджуються зі структурою біпористого тіла і законом збереження маси.

На основі розробленої континуальної теорії спікання біпористих метеріалів за допомогою комп’ютерного моделювання автором були досліджені процеси спікання ковкою агломерованих порошків та отримання багатошарових градієнтних фільтруючих матеріалів з порошку сталі ШХ15 методом сухого радіально-ізостатичного пресування з подальшим спіканням.

Експериментальні дослідження властивостей фільтруючих пористих проникливих метеріалів проводилось О.Ю. Повстяним з Луцького держ. техн. унівеситету.

Постановка задач досліджень, формулювання висновків та рекомендацій виконувались автором за участі наукового керівника.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях

· міжнародній конференції “Современное материаловедение: достижения и проблемы” (26—30 вересня 2005 р. м. Київ)

· міжнародній науково–практичній конференції “Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування” (28-31 травня 2007 року. Луцьк)

· міжнародній конференції “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”, 13-17 вересня 2004 г. (Кацивели-Понизовка)

· робочих нарадах, передбачених програмою DIENET, що виконувалась згідно з тематикою Європейської Асоціації Порошкової Металургії (EPMA) 2001-2003 р.

Публікації. Основні наукові результати, що отримані у дисертаційній роботі опубліковані у 6 наукових роботах в провідних фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота за структурою складається із вступу, 3 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Роботу викладено на 120 сторінках машинописного тексту, що містить 40 ілюстрацій та 3 таблиць, список використаних джерел із 175 найменувань наведено на 18 сторінках та додатки на 5 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, наукова та практична важливість створення континуальної теорії спікання біпористого тіла.

У першому розділі роботи проаналізовано чинники, що сприяють формуванню бімодальної пористої структури та оцінка спроможності моделей спікання пористих матеріалів, що існують, описати їх поведінку.

Встановлено, що одним з чинників, який сприяє утворенню великих пор в мілкопористій матриці, може бути відокремлення жорсткого вкраплення, що міститься в пористому напівфабрикаті за наявності розтягуючих деформацій. На підставі теорії пластичності пористого тіла розглянуті закономірності поведінки жорсткого вкраплення в нелінійно–в‘язкому пористому середовищі за наявністю розтягуючих деформацій: якщо поведінка матеріалу пористої матриці близька до лінійно – в‘язкої, розподіл густини в пористій матриці близький до рівномірного; чим ближче поведінка матеріалу до пластичної, тим відчутнішим стає градієнт густини в околі вкраплення; зокрема для ідеально пластичної матриці на межі вкраплення–матриця спостерігається катастрофічне зростання пористості (локалізація розпушення), що й призводить до мікроруйнування Рис.1.

Рис.1. Якісне уявлення про вплив реології матеріалу матриці на розподіл пористості в околі жорсткого вкраплення при розтязі

У цьому ж розділі аналізується також сучасний стан теоретичних концепцій спікання. При цьому увага зосереджується на континуальному підході до опису спікання, який дає змогу враховувати макроскопічні фактори при спіканні реального пористого тіла, на відміну від локального фізичного підходу який обмежується лише описом однорідного вільного спікання. Аналіз літературних джерел свідчить, що попри те, що порошкові тіла характеризується складною геометрією порового простору яка еволюціонує під час спікання, переважна більшість існуючих реологічних теорій спікання містять тільки один внутрішній параметр стану матеріалу. Цим параметром є пористість. Тому такі теорії в принципі не можуть описувати еволюцію морфології (форми пор) чи топології (розміру та взаємного розміщення пор в просторі) пористої структури. Далі розглядається важливий випадок неоднорідної пористої структури, - бімодальна пориста структура. До проблем, де актуальним є контроль бімодальної пористої структури можуть бути віднесені щонайменше дві наступні: консолідація нанодисперсних систем та створення біпористих матеріалів. В першому випадку спонтанне формування бімодальної структури пор обумовлено феноменом агломерації наночастинок ще на стадії їх підготовки до подальшої обробки. Інший тип проблем пов‘язаний з матеріалами порошкового походження, при виготовленні яких у шихту додається пороутворювач, який видаляється під час спікання.

Виявляється також, що не дивлячись на певну кількість робіт, зокрема теоретичних, присвячених консолідації матеріалів з бімодальним розподілом пор за розміром не існує замкненої континуальної теорії спікання біпористих матеріалів за допомогою якої, можна розглядати не лише випадки однорідного спікання, а й ставити початково–крайові задачі для аналізу неоднорідного розподілу характеристик при спіканні. Деякі континуальні моделі спікання, які у виразах для модулів в’язкості або потенціалу спікання враховують бімодальний характер порового простору не описують еволюцію біпористої структури під час спікання. Таким чином показано що, створення замкненої континуальної теорії спікання біпористих матеріалів за допомогою якої можна розглядати не лише випадки однорідного спікання, а й ставити початково–крайові задачі математичної фізики для аналізу неоднорідностей характеристик при спіканні і прогнозування на її основі впливу макроскопічних факторів при спіканні (початкова неоднорідність заготовки, зовнішні обмеження та зусилля) на неоднорідність біпористої мікроструктури в об’ємі заготовки є важливою та актуальною задачею теорії спікання.

Об‘єктом розгляду в другому розділі – є пористі тіла, що характеризуються бімодальним розподілом пор. Для них формулюється нова механічна модель поведінки порошкового матеріалу за умов спікання. Співвідношення моделі будуються як узагальнення реологічної моделі спікання В.В. Скорохода , М.Б. Штерна, Є. Олевського.

(1)

В основу побудови покладені уявлення лінійної мікромеханіки середовищ, що мають матричну структуру. Розглядаються біпористі тіла, які мають подвійну матричну будову, що включають безпористу матрицю для маленьких пор, та пористу матрицю для великих пор Рис.2.

Рис.2. Стилізований фрагмент біпористого матеріалу.

Формулюються вирази для ефективних коефіцієнтів в‘язкості та Лапласівського тиску. З цією метою використовується самоузгоджений метод, де на відміну від моделі В.В. Скорохода враховується стисливість пористої матриці. В результаті були отримані наступні реологічні визначальні співвідношення для опису спікання біпористого середовища

(2)

(3)

(4)

де e – швидкість зміни об‘єму,

- коефіцієнт зсувної в‘язкості нестисливої матриці

- ефективний коефіцієнт зсувної в‘язкості,

- ефективний коефіцієнт об‘ємної в‘язкості,

- ефективний Лапласівський тиск або ефективний потенціал спікання,

- вміст маленьких пор в дрібнопористій матриці,

- вміст пор великого радіусу в об’ємі всього біпористого композиту.

Слід відзначити залежність кожної з реологічних констант та Лапласівського тиску не від одного параметру, як це мало місце в класичній реологічній моделі спікання, а від двох, кожний з яких відповідає вмісту пор певного радіусу.

На відміну від моделі Олевського – Скорохода, наведена модель потребує додаткового рівняння єволюції для кожного типу пор. Нагадаємо, що в класичній теорії спікання роль єдиного еволюційного рівняння відігравало рівняння нерозривності. Такі додаткові рівняння були отримані в ході аналізу на репрезентативній комірці

(5)

Отримана модель, дозволяє визначити чутливість кожного типу пор до характеру обмежень та навантажень. Отримані співвідношення застосовані до аналізу кінетики спікання в найбільш розповсюджених випадках цієї технології, поєднаної з дією зовнішніх навантажень або обмежень Рис.3, які розглядаються в припущенні про однорідний розподіл обох типів пор та напружено – деформованого стану

q SINTERHIP (спікання, що супроводжується всебічним стисненням)

q SINTERDIE (спікання, що супроводжується стисненням в матриці)

q SINTERFORGING (спікання, що супроводжується вільною осадкою або спікання ковкою)

Рис.3. Спікання суміщене з дією зовнішніх сил

Попри ідеалізований розгляд такі схеми є вельми репрезентативними для технологій спікання пористих напівфабрикатів на основі металів, кераміки та нанопорошків. Зокрема, схема спікання ковкою рис.6. використовується з метою пришвидшити процес закриття великих міжагломератних пор, і за рахунок цього зменшити перiод нагрiвання,i вiдповiдно не допустити надмірного зростання кристалічних зерен. . Модель дає змогу порівняти не лише співвідношення темпів зміни вмісту дрібних та великих пор, але й проаналізувати чутливість кінетики загальної усадки до схеми навантажень. Були отримані результати, що іллюструються даними на Рис. 4-7.

Аналіз впливу різних шляхів навантаження на швидкість збільшення густини, свідчить, що:

· Найбільш інтенсивне ущільнення має місце при застосуванні схеми SINTERHIP (спікання, що супроводжується всебічним стисненням); далі йде SINTERDIE (спікання, що супроводжується стисненням в матриці); найменший темп ущільнення має місце за умов застосування схеми SINTERFORGING (спікання, що супроводжується вільною осадкою)

· Для всіх схем навантаження, що супроводжуються спіканням, включаючи і вільне спікання, заліковування великих пор проходить повільніше ніж маленьких.

· Наявність обмежень при деформації зразка, які обумовлені спіканням (зв‘язане спікання), дозволить керувати вмістом великих та маленьких пор; так однобічне обмеження спричиняє різке уповільнення темпу зменшення великих пор, при тому що маленькі пори заліковуються майже як при вільному спіканні. рис.4,7.

· Посилення обмежень (поступовий перехід до всебічних обмежень) має наслідком зростання великих пор за умов загальної інтегральної усадки.

Як видно з рис.5. при зв'язаному спіканні спостерігається зростання великих пор, а отже в деяких ділянках безпористої матриці виникають розтягуючі напруження і тому стає актуальною проблема прогнозування моменту руйнування біпористого матеріалу. На практиці до випадку звязаного спікання може бути віднесене перш за все спікання за наявності в тілі жорсткого каркасу, причому цей каркас може створюватись штучно або виникати самоплинно внаслідок наявності в порошковій шихті великої концентрації тугоплавкої фази яка не спікається. Серед низки чинників, що визначають руйнування біпористого матеріалу може бути виділений той, який пов'язаний з руйнуванням безпористої матриці. У такому випадку критерій руйнування може пов'язуватися з досягненням інтенсивністю дотичних напружень в ній критичного значення. Відповідний розрахунок, проведений на основі концепції “середньоквадратичних” свідчить про те, що середньоквадратичні в'язкі напруження для зв'язаного спікання виявляються пропорційними до різниці Лапласівських тисків для різних типів пор, а також добутку їх об'ємних вмістів.

(6)

Звичайно, що цей попередній розгляд кінетики спікання біпористих тіл має істотні обмеження, пов‘язані в першу чергу, з припущенням про однорідність протягом всього часу спікання макроскопічних полів. Пом‘якшення цього обмеження потребує використання чисельного методу у сполученні з комп‘ютерним моделюванням, чому присвячений наступний розділ дисертації

Неоднорідний розподіл дрібних та великих пор, що є наслідком контактного тертя, повного або часткового прилипання інструменту до пористого напівфабрикату, розглянуто в третьому розділі. Розгляд базується на використанні реологічної теорії спікання порошкових матеріалів, сформульованої в попередньму розділі. Окремо розглянуто спікання ковкою Рис.8. діоксиду цирконію та спікання багатошарових градієнтних фільтруючих матеріалів з порошку сталі ШХ15 методом сухого радіально-ізостатичного пресування. Еволюція зміни вмісту кожного типу пор, їх перерозподіл в об‘ємі напівфабрикату, та спотворення форми зразка внаслідок контактної взаємодії з інструментом відтворені засобами комп’ютерного моделювання. З цією метою використано власну версію методу скінчених елементів.

Результати обчислень порівнювались з експериментальними даними ориманими Mayo та Hugo Рис.9.. Результати чисельного моделювання в цілому непогано узгоджуються зі згаданими вище експериментальними даними і підтверджують те, що накладення одновісних напружень пришвидшує процес закриття великих міжагломератних пор.

Результати моделювання дозволяють доповнити дані, відомі з експериментальних досліджень. Зокрема, за умов навантаження, що супроводжується зовнішнім контактним тертям чи прилипанням, в порошкових напівфабрикатах утворюються зони розташовані в околі кутових точок, де попри інтегральну усадку спостерігається зростання великих пор Рис.10,11.

Рис.10. Розподіл вмісту дрібних пор в об’ємі пористого напівфабрикату при спіканні під одновісним тиском (відносний час спікання – 0,51, початковий вміст дрібних пор – 0,3)

Рис.11. Розподіл вмісту великих пор в об’ємі пористого напівфабрикату при спіканні під одновісним тиском (відносний час спікання – 0,51, початковий вміст дрібних пор – 0,2)

Наведена обставина може бути пов'язана з феноменом руйнування при спіканні. На практиці це може бути спричинено поєднанням великих пор.

Таким чином, бімодальна пориста структура сама по собі може бути джерелом генерування дефектів, якщо певні ділянки границі не є вільними. Їх подальше зростання може призводити до катастрофічного зростання пористості і, як наслідок, до руйнування.

Одним з виробів порошкової металургії де доцільно штучно створити біпористу структуру за допомогою пресування шихти з пороутворювачем є пористі проникливі матеріали (ППН), які використовують в якості фільтрів, що забезпечують очищення рідини та газів практично у всіх галузях промисловості. З метою їх оптимізації розглянуто спікання багатошарових градієнтних фільтруючих матеріалів з порошку сталі ШХ15, які отримані методом сухого радіально-ізостатичного пресування. Разом з порошком ШХ15 шихта містить пороутворювач, що власне, й забезпечую біпористу структуру.

Суть процесу отримання таких проникливих конструкцій полягає в тому, що пористі циліндричні шари отримують покроково стискаючи радіально пористий циліндр, що зовні обмежений порошком - порошок та пористий напівфабрикат ущільнюють разом. В дисертації розроблено теоретично - розрахункову методику прогнозування розподілу пористості по перерізу фільтру. Спочатку методами теорії пластичності пористого тіла визначався розподіл пористості по перерізу заготовки фільтра після радіального ізостатичного пресування Рис.12.. На підставі визначеного розподілу, далі, засобами, що запропоновані в дисертації, досліджувалась еволюція бімодальної структури пор під час спікання Рис.13,14.

За результатами комп’ютерного моделювання встановлено, що за умов рівномірного розподілу початкової густини, сухе радіально ізостатичне пресування має наслідком більшу густину, що має місце на внутрішньому циліндрі. Густина зовнішнього циліндра досягає найменшого значення. Результатом подальшого спікання є той факт, що дрібна пористість, також досягає мінімального значення на внутрішньому циліндрі, в той час як вміст великих пор є максимальним в просторі зовнішнього циліндру.

Запропонована методика була використана для оптимізації розмірів циліндрів та пористості кожного з них, зокрема було встановлено, що ефективність дії таких фільтрів на 52% перевищує ефективність одношарових фільтрів.

ВИСНОВКИ

Теоретичні та практичні результати, що одержані в результаті виконання дисертаційної роботи зводяться до наступного:

1. Встановлено, що одним з чинників, що сприяють утворенню великих пор в дрібнопористій матриці може бути відокремлення жорсткого вкраплення, що міститься в пористому напівфабрикаті за наявності розтягуючих напружень.

2. На підставі теорії пластичності пористого тіла розглянуті закономірності поведінки жорсткого вкраплення в нелінійно–в‘язкому пористому середовищі за наявністю розтягуючих деформацій: якщо поведінка матеріалу пористої матриці близька до лінійно – в‘язкої, розподіл густини в пористій матриці близький до рівномірного; чим ближче поведінка матеріалу до пластичної, тим відчутнішим стає градієнт густини в околі вкраплення; зокрема для ідеально пластичної матриці спостерігається на межі вкраплення–матриця спостерігається катастрофічне зростання пористості, що й призводить до мікроруйнування.

3. Сформульовано узагальнено реологічну теорію спікання. Ця теорія містить два параметри, що характерізують властивості пористого тіла, тобто визначають макроскопічні коефіцієнти зсувної в‘язкості, об‘ємної в‘язкості та Лапласівського тиску. Кожний з них відповідає вмісту пор певного розміру і задовольняє рівнянням еволюції, які узгоджуються зі структурою біпористого тіла та законом збереження маси.

4. Для всіх схем навантаження, що супроводжуються спіканням, включаючи і вільне спікання, заліковування великих пор проходить повільніше ніж маленьких.

5. Наявність обмежень при деформації зразка, яке обумовлені спіканням (зв‘язане спікання), дозволяє керувати вмістом великих та маленьких пор; так однобічне обмеження спричиняє різке уповільнення темпу зменшення великих пор, при тому що маленькі пори заліковуються майже як при вільному спіканні.

6. Посилення обмежень (поступовий перехід до всебічних обмежень) має наслідком зростання великих пор за умов загальної інтегральної усадки.

7. Бімодальна пориста структура сама по собі може бути джерелом генерування дефектів, якщо певні ділянки границі не є вільними. Їх подальше зростання може призводити до катастрофічного збільшення пористості і, як наслідок, до руйнування

8. У випадку повного зв‘язаного спікання критерій руйнування може формулюватися відносно середньоквадратичних в‘язких напружень, які в даному випадку виявляються пропорційними різниці Лапласівских тисків та добутку їх об‘ємних вмістів

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Скороход В.В., Штерн М.Б., Кузьмов А.В. Реологічна модель поведінки тіл з бімодальним розподілом пор при спіканні та гарячому деформуванні „Наукові нотатки” Міжвузівський збірник за напрямком „Інженерна механіка”, Випуск 14, Луцьк 2004, с. 29–34

2. Кузьмов А.В., Штерн М.Б. Механика спекания материалов с бимодальным распределением пор. Часть I. Эффективные характеристики бипористых материалов и уравнения эволюции для пор разных радиусов. // Порошковая металлургия, № 9–10, 2005, с 21–28

3. Скороход В.В., Штерн М.Б., Кузьмов А.В., Рагуля А.В. Механика спекания материалов с бимодальным распределением пор. Часть III. Кинетика спекания, совмещенного с различными схемами нагружения и условиями закрепления. // Порошковая металлургия, № 5–6, 2006, с 10–15

4. Кузьмов А.В., Штерн М.Б., Фролова О.Г. Вплив зовнішніх обмежень та зусиль на неоднорідність пористої структури при спіканні біпористих заготовок. Труды ИПМ НАНУ. Серия “Моделирование в материаловедении”. Выпуск 7. “Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении”. Киев. 2005. с. 17–23.

5. Штерн М.Б., Майданюк О.П., Кузьмов А.В., Аналіз взаємодії жорсткого вкраплення та пластичної матриці при деформуванні дисперсно зміцненого композиту „Наукові нотатки” Міжвузівський збірник за напрямком „Інженерна механіка”, Випуск 16, Луцьк. 2005. с. 262–269

6. Повстяной О.Ю., Кузьмов А.В. Моделювання пористої структури в багатошарових градієнтних фільтруючих матеріалах отриманих методом сухого радіально–ізостатичного пресування металічного порошку з пороутворювачем. Міжвузівський збірник за напрямком „Інженерна механіка”, Випуск 20, Луцьк 2007, с. 140–145

АНОТАЦІЯ

Кузьмов А.В. Реологічна модель спікання порошкових матеріалів з бімодальним розподілом пор в умовах кінематичних обмежень та додаткових навантажень. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.06 – порошкова металургія. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАНУ, Київ, 2007.

Дисертація присвячена створенню теоретичної методології яка дає змогу відслідковувати еволюцію бімодальної пористої структури в реальних макроскопічних тілах під час спікання з урахуванням неоднорідностей, прикладених зовнішніх сил та кінематичних обмежень.

Базуючись на теоретичних концепціях сучасної мікромеханіки розроблено замкнену реологічну теорію спікання біпористого середовища. На відміну від вже існуючих ця теорія містить два внутрішні параметри стану , що характерізують структуру порового простору. Кожний з них відповідає вмісту пор певного розміру і для кожного з цих параметрів сформульовані рівняння еволюції, які узгоджуються зі структурою біпористого тіла і законом збереження маси.

На основі розробленої континуальної теорії спікання біпористих метеріалів за допомогою комп’ютерного моделювання автором були досліджені процеси спікання при одноосному навантаженні агломерованих порошків та отримання багатошарових градієнтних фільтруючих матеріалів з порошку сталі ШХ15 методом сухого радіально-ізостатичного пресування з подальшим спіканням. Показано, що бімодальна пориста структура сама по собі може бути джерелом генерування дефектів при спіканні, якщо певні ділянки границі не є вільними. Удосконалено технологічний процес отримання багатошарових пористих проникливих матеріалів з використанням порошків сталі ШХ15.

Ключові слова: бімодальний розподіл пор за розміром, релогічна теорія спікання, градієнтні пористі проникливі матеріали, комп’ютерне моделювання спікання, спікання при одноосному навантаженні.

АННОТАЦИЯ

Кузьмов А.В. Реологическая модель спекания порошковых материалов с бимодальним распределением пор в условиях кинематических ограничений и дополнительных нагрузок. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.06 – порошковый металлургия. – Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАНУ, Киев, 2007.

Диссертация посвящена созданию теоретической методологии которая дает возможность отслеживать эволюцию бимодальной пористой структуры в реальных макроскопических телах во время спекания с учетом неоднородностей, прилагаемых внешних сил и кинематических ограничений.

Установлено, что одним из факторов способствующих возникновению крупных пор в мелкопористой матице может быть отчуждение жесткого включения, содержащегося в пористом полуфабрикате, при наличии растагивающих деформаций. На основе теории пластичности пористого тела выявлены следующие закономерности поведения жесткого включения в нелинейно-вязкой пористой среде: чем ближе свойства материала к жестко пластическим, тем существенее становится градиент плотноти в окрестности включения, в частности для идеально-пластической матрицы наблюдается катастрофический рост пористости, что и приводит к микроразрушению. Выявлено также, что при наличии деформационного упрочнения в материале пористой матрицы окружающей включение, катастрофический рост пористости и вызваное им микроразрушение может происходить на некотором отдалении от границы включения.

Базируясь на теоретических концепциях современной микромеханики разработана замкнутая реологическая теория спекания бипористых сред. В отличие от уже существующих, эта теория содержит два внутренних параметра состояния, характеризующих структуру порового пространства. Каждый из них отвечает содержанию пор определенного размера и для каждого из этих параметров сформулированы уравнения эволюции, которые согласовываются со структурой бипористого тела и с законом сохранения массы.

На основании разработанной континуальной теории спекания бипористых материалов при помощи компьютерного моделирования автором были исследованы процессы спекания, совмещенного с одноосной нагрузкой агломерированных порошков диоксида циркония и получения многослойных градиентных фильтрующих материалов из порошка стали ШХ15 методом сухого радиально-изостатического прессования с последующим спеканием. Показано, что бимодальная пористая структура сама по себе может быть источником генерирования дефектов при спекании, если определенные участки границы несвободны. Усовершенствован технологический процесс получения многослойных пористых проницаемых материалов с использованием порошков стали ШХ15.

Ключевые слова: бимодальное распределение пор по размерам, релогическая теория спекания, градиентные пористые проницаемые материалы, компьютерное моделирование спекания, спекания под одноосной нагрузкой.

Аnnotation

Kuzmov A.V. Rheological model of sintering for materials, containing the bimodal pore size distribution, under the external forces and constrains .

Thesis on the competition of the scientific degree of candidate in Technical Sciences in the specialty 05.16.06. – Powder metallurgy and the composite materials. I.N. Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, NASU, Kyiv, Ukraine.

The model of the sintering for materials with bimodal porous structure is formulated as the extension of continual isotropic theory of sintering. Contrary to known models containing the only one constitutive parameter – porosity, model suggested in the given article described by two parameters for each type of porosity. Evolution equations for each type of porosity as well as the effective viscosity coefficients and Sintering potential are defined by the Unit Cell analysis.

Peculiarities of sintering of materials with bimodal pores distribution under constraining are analyzed. It was found that full constraining under the sintering stipulates the non – stability of porous structure. Besides the matrix deformation takes place unlike to the case of material , containing the only one kind of pores.

The technological process of obtaining of multilayer gradients filtering materials from steel powder by the method of the dry radial isostatic pressing is examined. For establishment of interrelation between the operating practices of filters obtaining and their functional performance the theoretical method of porous structure prognostication in multilayer gradients filtering materials obtained by the method of the dry radial isostatic pressing of metallic powder with porophore was offered.

Keywords: bimodal pore size distrribution, computer modeling of sintering, sintrforging, multilayer gradients filtering materials