книги / Оксидные композиционные материалы

а

б

Рис. 7. Функции θ = f(ε1) (a) и θ = f(Р) (б) (цифры на кривых – значения Рбок, МПа;

тельного прессования образца). 1 – Al2O3

(Н); 2 – Al2O3-20 % Al2O3(МКС)-2 % Nb2O5 (Н); 3 – Al2O3-20 %Al2O3(МКС) (Н); 1′ – Al2O3 (М); 2′ – Al2O3-20 % Al2O3(МКС)-2 %Nb2O5 (М); 3′ – Al2O3- 20 % Al2O3(МКС) (М)

31

Рассмотрим результаты измерения размеров деформируемого образца в плоскости, ортогональной оси прессования. Если испытания проводят в направлении, совпадающем с направлением прессования образца кубической формы, то его боковые стороны М и В равноправны и деформируются одинаково. При допрессовке в гидростате кубических образцов, осадка которых велась в направлении, ортогональном оси прессования, стороны, ортогональные оси прессования образца (размеры М и В), с ростом давления в камере увеличивались, в то время как осевой размер (Н) образца уменьшался (см. рис. 6, д, е).

Показано, что наибольшее приращение размеров было в направлении исходной оси. Анизотропия структуры и свойств спрессованных брикетов приводит к тому, что равномерное их нагружение дает неодинаковую деформацию образцов по различным направлениям. Для изучения влияния величины гидростатического сжатия на сдвиговую прочность материала образца строили функцию τn = f(σn), как касательную к диаграммам Мора, построенным по данным, в которых учитывались состояние среды и условия нагружения при сопоставимых осадках, т.е. при равных ε1. Система диаграмм Мора дает представление о форме функции пластичности исследуемых пористых тел. Строя огибающие к системам таких диаграмм для разных величин осадков, можно получить информацию не только о функции пластичности пористого тела, но и оценить влияние осадки на изменение формы этой функции, вызванное приращением плотности сопутствующей осадке образца.

При построении диаграмм Мора в качестве минимального напряжения сжатия принималось давление в камере установки. Давление откладывалось на оси σn и от этой точки радиусом 1/2(σmax – σmin) = 1/2(σ1 – σ3) проводился большой круг диаграммы Мора.

Для каждого состава и некоторых степеней осадки образцов построены системы диаграммы Мора, к которым проведены общие касательные (рис. 8). Поскольку огибающие τn = f(σn) не параллельны оси σn, можно предположить, что сопротивление материала пластическому деформированию увеличивается с ростом среднего напряжения. Такие данные были получены при осадке образцов в направлении, как ортогональном оси

32

прессования, так и параллельном ей. Очевидно, если dτn/dσn ≠ 0, т.е. функция пластичности пересекает ось σn под некоторым углом, то пластическая деформация материала, чьи свойства она описывает, будет приводить к приращению его плотности, и чем больше этот угол (угол внутреннего трения), тем активнее и легче будет идти процесс уплотнения.

Начальные свойства образца (осадка 0,1–0,2 мм) имели малый угол ρ и малый коэффициент сцепления K, который характеризует прочность сцепления частиц в материале при отсутствии в нем сжимающих напряжений. С увеличением осадки растут сдвиговая прочность материала и коэффициент сцепления K. Согласно общим представлениям теории пластичности пористых тел, величина ρ должна падать, так как функция τn = f(σn) является касательной к кривой прессования порошка в матрице. Однако, как видно на рис. 8, это правило не выполняется. Объясняется этот эффект следующим образом. Как следует из графика, θ = f(ε1), с ростом осадки образца плотность его при разных Р увеличивается неодинаково, а при Р = 10 МПа осадка сопровождается разрыхлением материала уже на начальной стадии деформации, и с увеличением осадки начинаются рост микротрещин, приращение пористости и падение прочности. В то же время увеличение плотности и прочности имеет место при осадке образцов при давлениях гидростатического сжатия образца Рбок = 45…60 МПа. Падение или малый рост плотности и прочности с увеличением осадки у образцов, деформируемых при малых значениях гидростатического давления в камере установки, и значительный прирост плотности и, соответственно, прочности у образцов, деформируемых при больших значениях Рбок, приводит к увеличению крутизны функции пластичности с ростом осадки, т.е. к росту ρ.

Изменение параметров K и ρ спрессованного материала в двух взаимно ортогональных плоскостях для различных составов показано на рис. 9. С повышением степени деформации увеличиваются угол трения и коэффициент сцепления материала. При осадке образцов из А12О3 изменение параметров K и ρ в зависимости от направления осадки образца не имеет явно выраженного характера (рис. 9, а).

33

34

Рис. 8. Функции пластичности τn = f(σn), построенные по диаграммам Мора, для материалов различного состава: а – Al2O3 (|| оси прессования); б – Al2O3 ( оси прессования)

34

35

Рис. 8. Функции пластичности τn = f(σn), построенные по диаграммам Мора, для материалов различного состава: в – Al2O3-20 %Al2O3(МКС) (|| оси прессования); г – Al2O3-20 %Al2O3(МКС) ( оси прессования)

35

36

Рис. 8. Функции пластичности τn = f(σn), построенные по диаграммам Мора, для материалов различного состава:

д – Al2O3-20 %Al2O3(МКС)-2 %Nb2O5 (|| оси прессования); е – Al2O3-20 %Al2O3(МКС)-2 %Nb2O5 ( оси прессования)

36

37

Рис. 9. Изменение параметров функции пластичности в зависимости от степени деформирования: а –

Al2O3; б – Al2O3-20 % Al2O3(МКС); в – Al2O3-20 % Al2O3(МКС)-2 % Nb2O5 (ρ – угол внутреннего тре-

ния; K – коэффициент сцепления материала)

в

37

Изменение параметра функции пластичности ρ более активно идет у образцов, содержащих МКС, осадка которых проводилась в направлении, ортогональном оси прессования. При осадке образца в направлении, ортогональном оси прессования наряду с приращением плотности идет перестройка его структуры, которая подстраивается к новому «направлению прессования». При этом изменяются уровень и тип анизотропии свойств прессовки по отношению к их начальным значениям.

Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что с увеличением давления в камере установки сдвиговая прочность материала растет практически во всех случаях и при любых режимах деформации.

Для удобства анализа полученные экспериментальные зависимости τn = f(σn) представлены в виде I2 = f (I1 ), где I1 –

первый вариант тензора напряжений; I2 – второй инвариант девиатора тензора напряжений (рис. 10, а, б).

Динамика изменения формы и взаимного расположения по-

в начальной стадии осадки образцы составов А12О3 и А12О3- МКС-Nb2O5, деформируемые вдоль оси прессования, имели вы-

сокую начальную прочность, а производная d I2′ / dI1 – низкие

значения. Эта производная, как и угол внутреннего трения, характеризует интенсивность приращения плотности и прочности среды с увеличением давления гидростатического сжатия. В начальных стадиях осадки и давлениях менее 30 МПа плотность образцов, деформируемых в направлении, ортогональном оси прессования, повышалась более интенсивно.

Следует отметить, что осадка образцов при давлениях гидростатического сжатия более 30 МПа дает достаточно резкое

увеличение производной d I2′ / dI1 . Однако при осадке образцов

> 0,6 мм (высота образца 15 мм) перегибы на графиках функции пластичности исчезают. Данный эффект позволяет оценить, при какой степени осадки происходит полная подстройка структуры образца к направлению осадки. Подстройка, структуры образца

38

39

Рис. 10. Функция пластичности образцов, деформированных в параллельном (1) и ортогональном (2) направлениях к направлению предварительного прессования: а – Al2O3; б – Al2O3 -20 % Al2O3(МКС); в – Al2O3 -20 % Al2O3(МКС)-2 % Nb2O5

в

39

имеет место даже тогда, когда осадка идет в направлении прессования образца, так как на стадии гидростатического сжатия образца при давлениях 20–40 МПа нарушается структура спрессованного в матрице образца. Это предположение следует из того, что уплотнение брикетов идет уже на стадии подъема давления в камере установки и при давлениях выше 20–25 МПа брикет, как отмечалось, начинает деформироваться (см. рис. 6), несмотря на то, что давление, при котором прессовали образец в матрице, имело значительно большую величину. Это объясняется анизотропией свойств прессовок и несовпадением характеристик внешних полей сжатия образца в гидростате и матрице.

При дальнейшей деформации, как было отмечено, наряду с приращением плотности образцов идет перестройка структуры и подстройка ее характеристик к новому направлению деформации. Показано, что в любой текущий момент прессования деформируемое, уплотняемое пористое тело имело структуру, соответствующую напряженно-деформируемому состоянию материала прессовки. В различных направлениях такое тело характеризуется прочностными свойствами, равными по величине и противоположно направленными к внешнему силовому полю. Поэтому, изменяя характеристики внешнего силового поля (его величину), анизотропию, направление и т.д., можно обеспечить остаточную (пластическую) деформацию пористого тела при существенно меньших значениях силовых параметров нагружения. А поскольку плотность деформируемого материала, угол внутреннего трения которого не равен нулю, изменяется, то, наряду с приращением получаемой телом деформации, будет иметь место приращение плотности материала.

Для определения достижимого уровня плотности прессуемых материалов проведены следующие эксперименты. Образцы, на которых снимались функции τ1 – τ3 = f(ε1) и ε3 = f(ε1), подвергались вторичной осадке в установке трехосного нагружения. Осадка велась в направлениях прессования и ортогональном оси прессования. Проведена серия экспериментов с многократным поэтапным обжатием образцов. В последнем случае направление осадки на каждом этапе менялось на ортогональное.

Экспериментальные данные по циклическому прессованию порошковых заготовок в координатах давление–плотность све-

40