Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси

09.07.2015

Поскольку все физико-химические процессы реализуются за очень короткое время (порядка долей микросекунд), то постулат о мгновенной реализации фазовых переходов и повреждаемости компонентов может оказаться неприменимым. Для проверки необходимости учета кинетики накопления повреждаемости в вычислительном эксперименте моделируется процесс синтеза в порошковой системе Ni-Al с массовым содержанием Al 31,5 % под действием ударного импульса длительностью 1 мкс и амплитудой 2 ГПа. Рассмотрены модельная структура исходного ультрадисперсного порошкового компакта с размером частиц 5 мкм, с различными значениями средней пористости и дисперсии концентрации компонентов, а также слой реагирующей порошковой смеси с объемом элемента структуры 9*10в-9 м3. Распределения исходных концентраций компонентов и удельного объема пор по толщине моделируемого реагирующего слоя представлены на рисунках 22, 23.
На рисунках 24, 25 представлены соответствующие моменты выполнения критерия перехода к нестационарному режиму уплотнения в микрослоях модельного образца для исходной модели и модели с учетом инкубационного времени повреждаемости. Для ультрадисперсных порошковых смесей в этих микрослоях возможно формирование наноструктуры продукта реакции.
Как следует из результатов вычислительного эксперимента, введение параметра инкубационного времени разрушения приводит к более позднему (относительно исходной модели) времени выполнения критерия, что, в свою очередь, вызывает уменьшение количества микрослоев, в которых возможно формирование наноструктуры.
На рисунках 26, 27 показаны времена инициирования химических превращений по толщине реагирующего слоя из двух реакционных ячеек. Уточнение модели механической активации порошковых материалов привело к существенному отличию результатов прогноза условий ударного синтеза. Наблюдается более неоднородный характер запуска химических превращений, а значит, импульсность процессов горения.
В ультрадисперсных порошковых реагирующих материалах зоны реализации нестационарного режима динамического уплотнения — это наиболее вероятные области формирования наноразмерных субструктур продукта реакции. Учет инкубационных времен нестационарных процессов модификации порошковых компонентов позволяет развить модель в области ударного синтеза нанокомпозитов.
На рисунках 28, 29 представлены соответствующие значения параметра энергии активации на момент окончания действия ударного импульса. Указанные результаты демонстрируют сильную зависимость достигаемого значения энергии активации от кинетики развития повреждаемости.
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси

На рисунке 30 представлены зависимости концентрации зон реализации нестационарного режима уплотнения (согласно комплексному критерию (3.1)) от параметров структуры для исходной и уточненной модели. Видно, что в обоих случаях характер кривых практически не изменился. Учет кинетики развития повреждаемости привел к смещению прогнозируемой зависимости концентрации в сторону больших значений пороговой величины средней пористости, ее преодоление вызывает существенный рост объема материала, в котором возможна реализация сверхбыстрых превращение (рис. 30).
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси

Как следует из рисунка 31, влияние модели на зависимости ξ, от величины b/а мало и проявляется в существенно неоднородных смесях (b/а = 1,3—1,5).
Зависимости массовой доли продукта реакции относительно массы исходных реагентов от времени синтеза представлены на рисунке 31 для различных параметров исходной структуры порошкового компакта, полученных с использованием исходной и уточненной модели. Наблюдается увеличение выхода продукта реакции на момент окончания действия ударного импульса с уменьшением параметра структуры концентрационной неоднородности (рис. 31, а) и укрупнением средней пористости исходного компакта (рис. 31, б). Неучет кинетики развития повреждаемости приводит к существенной погрешности прогноза скорости выхода продукта реакции.
Учет кинетики повреждаемости материала компонентов порошковой смеси

Таким образом, кинетика развития повреждаемости материала порошковых частиц является определяющим фактором механической активации порошковых компонентов реагирующей смеси на фронте ударного импульса. Как следует из результатов вычислительного эксперимента, введение параметра инкубационного времени разрушения приводит к существенно отличающимся результатам прогноза (относительно исходной модели) времени выполнения критерия и относительного объема зон реализация нестационарных процессов уплотнения.