Компактирование порошковых тел

Процессы компактирования порошковых материалов и эффективные структурно-механические свойства, получившиеся в результате уплотнения и спекания порошковых компактов, изучались в работах М.Ю. Бальшина, Г.М. Ждановича, В.Е. Перельмана, Я.Е. Гегузина и других основоположников современной порошковой металлургии.
Неспеченные порошковые материалы обладают особыми механическими свойствами и занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими телами. Такие материалы названы зернистыми структурами. Особенность механического поведения зернистых структур обусловлена их низким сопротивлением растяжению и сдвигу. Фундаментальные законы поведения твердых тел и жидкостей (уравнения теории упругости, уравнения Навье—Стокса и т. п.) определяются из общих принципов механики сплошных сред, однако формулировка уравнений для зернистой среды сопряжена с некоторыми трудностями. Под зернистой средой понимается связная совокупность хаотически упакованных частиц, которая сохраняет контакты между соседними частицами при движении. При умеренных деформациях среда с достаточно плотной начальной упаковкой сохраняет равновесие в деформированном состоянии, подобно упругому телу, но при достаточно больших деформациях она теряет устойчивость и, подобно жидкости, проявляет текучесть. После такого перехода кинематическими переменными становятся уже не деформации, а скорости деформаций.
Применение модели зернистых сред позволяет выявить механические и теплофизические свойства порошковых компактов для последующего моделирования физико-химических процессов в реагирующих порошковых смесях. Процессы уплотнения порошковой смеси исследованы экспериментально и теоретически М.Ю. Бальшиным, Г. М. Ждановичем, B.C. Смирновым и др. Интересны феноменологические результаты в теории обработки и уплотнения нескомпактированных тел. Этот класс материалов изучался В.Я. Перельманом, М.Ю. Балышшым и др. Развитию теории деформации спеченных пористых тел посвящены работы зарубежных авторов. Различные закономерности деформации уплотняемых порошковых сред предлагались В.В. Скороходом, Н.Б. Штерном, Г.Л. Петросяном, И.Ф. Мартыновой, П.А. Витязем и др. В частности, на основе представлений о среднеквадратичных напряжениях и скоростях деформаций в пористом теле, развитых В.В. Скороходом, предложена модель пластического поведения пористых тел. Достоинством этой модели является возможность характеризовать поведение пластически деформируемого пористого тела не только его текущей пористостью, но и степенью пластических деформаций, накопленных в материале основы.
Существует также метод решения задач прессования пористых порошковых изделий с использованием зависимостей осевого и бокового давления. Полученные зависимости позволяют оценить распределение средней пористости по высоте заготовки для различных схем прессования.
В соответствии с методом прогнозирования структуры каркаса пористого тела и управления его свойствами на базе так называемой глобулярной модели порошкового тела представляется в виде определенной укладки частиц сферической формы.
Значительное развитие получила теория спекания порошковых материалов, в которой основополагающее значение имеют работы Я.И. Френкеля, Б.Я. Пинеса, Я.Е. Гегузина.
Я.Е. Гегузин привел общие основы физики спекания и показал, что в процессе спекания всегда наблюдается тенденция к уменьшению свободной поверхности ансамбля пор. Уменьшение свободной поверхности может происходить за счет процессов залечивания отдельных пор с увеличением плотности и (или) процесса коалисценции пор — уменьшении поверхности пор при сохранении их объема (слияние пор и т.п.). Хотя при большом количестве пор оба эти процесса оказываются в равной степени термодинамически целесообразными, Гегузин теоретически обосновал, что на практике всегда один из указанных процессов оказывается преимущественным.
М.Ю. Бальшин в работах по порошковой металлургии определяет спекание как качественное и количественное изменение контактов между атомами, вызванное их температурной подвижностью. Считается, что при холодном формовании всегда выделяется тепло. Причем выделенного тепла в момент вхождения атомов частиц в контакт обычно достаточно для расплавления слоев вещества, непосредственно участвующих в контакте. В связи с этим холодное формование — это локализованное горячее спекание. Отмечается, что при спекании порошковых тел без приложения внешнего давления частицы собираются в группы от нескольких штук до нескольких тысяч. Пористость внутри такой группы частиц незначительна, в то время как межгрупповая пористость существенно больше; а степень межгруппового контакта намного меньше, чем между частицами внутри групп. Этот процесс определяет второй механизм формирования структуры концентрационной неоднородности после механизма образования конгломератов частиц.
Г.М. Жданович, развивая подход М.Ю. Бальшина, разработал дискретную контактную теорию прессования порошковых материалов, учитывающую поведение частиц при различных контактных воздействиях. Им рассмотрены вопросы статического и динамического прессования порошков при высоких скоростях нагружения, получены выражения, позволяющие определить плотность брикета при прессовании металлического порошка, и установлены основные количественные закономерности процесса прессования в широком диапазоне изменения давлений, плотности и скорости приложения нагрузки.
Теоретическому исследованию процессов ударного и взрывного компактирования порошковых материалов посвящены работы Н.А. Костюкова, В.Ф. Нестеренко, А.М. Ставера, Г.Е. Кузьмина, О.В. Романа, И.П. Габриелова, И.М. Пикуса, П.А. Витязя, В.М. Канцевича, А.Г. Косторнова, В.К. Шелега, В.П. Георгиева и других российских и зарубежных авторов. Следует отметить возможность применения моделей уплотнения пористых сред для анализа процесса сжимаемости порошковых компактов при давлениях, существенно превышающих нагрузку предварительного компактирования.