Моделирование процессов ударной модификации порошкового тела

08.07.2015

Динамическое воздействие на порошковое тело обеспечивает интенсивную механическую активацию порошковой смеси. При ударном воздействии низкой интенсивности, характеризуемом амплитудой давления, не превышающим некоторого порогового значения, а также при неинтенсивном воздействии на неспеченное или нескомпактированное порошковое тело ударный переход может не реализоваться. Моделирование механического поведения прессованных порошковых компактов при динамическом нагружении с амплитудой, превышающей пороговое давление, возможно с позиций механики пористых сред.
Актуальность разработки адекватной модели пористых порошковых смесей, претерпевающих ударно запущенные химические превращения, заявлена в работе. Допущение Я.Б. Зельдовича о том, что закрытие пор в процессе ударного перехода происходит при практически нулевом давлении, после чего среда сжимается до конечного состояния, позволяет получить количественные соотношения для ударного воздействия на пористую среду, но оставляет в стороне физическую природу ударного перехода.
Модели, учитывающие эволюцию пористых структур, дают возможность более детально изучить процессы, протекающие в пористом материале при ударном нагружении. Ударно-волновое нагружение пористого материала исследовалось с позиций механики повреждаемой среды со структурными параметрами. При этом принималась во внимание релаксация напряжений во фронте ударной волны, определяемая кинетикой пластического течения матрицы и кинетикой затекания пор, имеющих свои характерные времена релаксации. Предполагается разделение вкладов от пор и микроповреждений матрицы: изменение объемной составляющей неупругой деформации структурированной среды считается зависящим от объема пор и микроповреждений, а изменение девиаторной составляющей — от пластического сдвига. При описании ударных волн в пористых средах предлагается записывать законы сохранения без использования формальной величины средней плотности пористой среды. Полученные таким образом соотношения, связывающие параметры сплошной среды при ударном переходе из начального состояния, удобны для анализа ударной модификации порошковых тел одного состава, но с разными значениями исходной пористости. Физическая природа ударного перехода объясняется тем, что частицы при динамическом воздействии нагружаются ударной волной, а затем разгружаются в окружающие их поры. В каждой частице циркулируют волны сжатия и разгрузки, поэтому между фронтом ударной волны и областью конечных состояний находится зона перехода, ширина которой определяется временем затухания в частицах волн сжатия и разгрузки и временем тепловой релаксации частиц. Диссипация кинетической энергии колебания материала частиц в зоне ударного перехода вызывает увеличение тепловой составляющей внутренней энергии и ударный разогрев пористой среды.
Предложенная М.М. Кэрроллом и А.К. Холтом модель единичной ячейки пористой среды, представляемой полой сферой, позволяет описать изменение пористости упругопластичной среды при ударном нагружении. В работе на основе модели Кэрролла-Холта исследуются ударно-волновые процессы в двухкомпонентных и двухфазных средах. Уравнения, описывающие поведение пористой упругопластической среды при ударно-волновом воздействии, базируются на законах сохранения массы, импульса и движения, замыкаются уравнением состояния пористого тела, построенном на модели единичной ячейки. В качестве параметров этих уравнений используются величины, осредненные по объему многофазной среды. Это дает возможность выделить различные составляющие диссипированной кинетической энергии, а также параметры структуры пористого тела (размеры пор или частиц материала). В зоне ударного перехода удельная диссипированная кинетическая энергия колебания материала частиц представляется в виде суммы средних диссипированных энергий пластической деформации, вязкого течения и средней кинетической энергии движения, возникающей при схлопывании пор. Оценки возможности существования ударного перехода, а также различных механизмов модификации порошковой среды на фронте ударного перехода в зависимости от размера пор или частиц материала и интенсивности ударного воздействия получены в работах.