Введение к работе
Актуальность. Проблема разработки новых материалов с набором заранее заданных свойств требует исследования закономерностей формирования физико-механических характеристик в зависимости от состава, структуры, внешних условий. В случае материалов с резко неоднородной структурой такие закономерности весьма сложны и недостаточно изучены. Специфическим классом неоднородных материалов являются пористые металлы, которые выступают в качестве своеобразного предельного случая мезоне-однородной гетерофазной среды с максимально различающимися свойствами составляющих фаз - твердой и поровой. Это делает пористые металлы важным модельным объектом для анализа фундаментальных закономерностей поведения неоднородных конденсированных сред. С позиций прикладных задач такие материалы представляют также существенный интерес в связи с их широким распространением в качестве конструкционных. Указанные обстоятельства делают исследование физических свойств и деформационного поведения пористых металлов актуальной задачей современного физического материаловедения.
Выявление наиболее общих закономерностей влияния структуры пористых сред на широкий спектр физических свойств требует комплексного подхода, включающего как экспериментальное изучение процессов различной физической природы, так и привлечение новых теоретических методов, призванных адекватно описать исследуемые явления.
К настоящему времени среда явлений в пористых материалах наиболее изучены процессы переноса. Это связано прежде всего с успехом ь;;.'л.1сн.;ния методов, основанных на теории обобщенной проводимости. В то же время дальнейший прогресс теории сдерживается недостаточностью экспериментальных данных. Практически не изучены вопросы, связашше с полидисперсностью реальных сред, с влиянием параметров распределения структурных элементов фаз по размерам.
Прочностным и пластическим свойствам в силу их значимости уделялось большое внимание, поэтому макроскопические особенности деформационного поведения пористых материалов были изу-
чены достаточно подробно. В то же время остались вне рассмотрения физические механизмы формирования этих свойств на мезо-и микроуровнях,'что не позволило построить адекватной физической картины пластической деформации пористых металлов.
Необходимо подчеркнуть, что имеется целый ряд явлений в пористых материалах, для которых не только не было разработано теоретическое описание, но и практически отсутствовал необходимый для такой разработки набор экспериментальных дянчых. ? этот ряд нужно включить неупругие свойства. Влияние пористости на величину внутреннего трения, на температурные релаксационные спектры практически не было известно. Сюда же относятся магнитные свойства пористых материалов, прежде всего ферромагнетиков. В значительной степени это связано с сильной структурной чувствительностью магнитных характеристик. Более того, такой принципиальный вопрос, как влияние механизмов намагничивания на зависимости магнитных характеристик от пористости, не рассматривался даже в постановке.
Основной целью работы является систематическое комплексное исследование влияния структуры пористых металлов на их физические свойства и деформационное поведение и разработка подхода, позволяющего с единых физических позиций описать данное влияние.
В соответствии со сформулированной целью в работе поставлены следующие задачи.
-
Изучить закономерности влияния параметров пористой структуры на электро-, тепло- и температуропроводности, скорости упругих волн и модули упругости, сдвиговую вязкость, прочностные характеристики металлов. Установить зависимости магнитных восприимчивостей от пористости и механизмов намагничивания .
-
Изучить влияние пористости на внутреннее трение в металлах при различных видах напряженно-деформированного состояния. Выявить влияние пористой структуры на температурные релаксационные спектры.
-
Изучить специфику деформации в пористых металлах, установить доминирующие физические механизмы пластического течения и деформационного упрочнения. Изучить эволюцию механизмов
пластической деформации в зависимости от пористости.
-
На основе установленных закономерностей разработать количественный подход, позволяющий с единых позиций проводить описание зависимостей физических и механических свойств от параметров структуры пористых металлов.
-
Разработать метод описания ударноволнового поведения пористых металлов, применимый для расчета ударных адиабат в широком интервале пористостей.
В качестве объектов исследования были выбраны пористые железо, никель, медь и титан. Такой выбор позволил охватить широкий спектр упругих и прочностных характеристик, тешюфизи-ческих и электрических параметров, магнитных свойств.
Научная новизна. Впервые с единых позиций проведено систематическое комплексное исследование широкого спектра физико-механических свойств пористых металлов, позволившее установить общие закономерности влияния структуры на физические свойства и деформационное поведение.
Экспериментально установлены зависимости электро-, тепло-и температуроггроводностей пористых металлов от параметров распределения пор по размерам. Выявлены зависимости скоростей продольных и поперечных упругих волн, модулей Юнга, всестороннего сжатия и сдвига от параметров пористой структуры. Развит подход, позволивший на основе единого описания учитывать влияние на физические характеристики металлов интегральной пористости, параметров распределения пор по размерам, особенностей процессов рассеяния, показавший свою адекватность для явлений переноса и упругих свойств.
Впервые проведено систематическое исследование влияния пористое:".! ir, внутреннее трение металлов в амплитудонезависи-мой области. Выявлено влияние вида напряженно-деформированного состояния на величину внутреннего трения, связанное с вкладом термоупругой релаксации. Обнаружен максимум внутренего трения в области перехода от изолированных пор к "бесконечному" норовому кластеру. Установлено влияние пористости на температурные релаксационные спектры, приводящее к сдвигу зернограничного пика в сторону низких температур. Предложена реологическая модель внутреннего трения в пористых металлах.
- b -
Впервые исследовано влияние пористой структуры на начальную магнитную восприимчивость пористых ферромагнетиков. Выявлен аномально резкий спад магнитной восприимчивости в области разрушения "бесконечного" кластера магнитной фазы, качественно аналогичный поведению электропроводности в районе порога пер-коляции. Развита структурная модель, исходящая из представлений о влиянии пористости на доменную структуру.
Впервые проведено исследование эволюции ij ivi- " \\ механизмов пластической деформации металлов в зависимости от пористости. На примере железа для внутризеренных дислокационных процессов установлены закономерности формирования зон скольжения в пористых металлах. Выявлены и количественно описаны зер-нограничное проскальзывание и повороты зерен как целого, практически не наблюдаемые в компактном состоянии. Сформулирована новая физическая концепция пластической .деформации пористых металлов, центральной идеей которой является смена доминирующих механизмов деформации при росте пористости.
Предложен полуэмпирический метод расчета ударных адиабат пористых металлов, использующий аналитические выражения для изэнтроп с параметрами, определяемыми по характеристикам компактных металлов в свободном состоянии. Метод показал свою эффективность при описании ударных адиабат в широком интервале пористостей, включавшем адиабаты аномальной конфигурации. Выявлены особенности полиморфных фазовых переходов при ударном нагружении пористого железа.
Достоверность полученных результатов обеспечивается физической корректностью постановки задачи, соответствием установленных закономерностей данным, полученным другими авторами или методами, совпадением результатов расчета с экспериментами.
Научное и практическое значение. Полученные в диссертационной работе результаты формируют современные представления о закономерностях влияния структуры на физические свойства и деформационное поведение пористых материалов.
Практическую ценность представляют разработанный подход к описанию зависимостей явлений переноса и упругих свойств от параметров распределения пор по размерам, способы учета в этих зависимостях особенностей конкретных процессов рассеяния, ме-
тодн расчета характеристик внутреннего трения, модели для описания магнитних свойств пористых металлов.
Установленные в работе новые закономерности, в частности, связанные с обнаруженными аномалиями физических и деформационных характеристик при качественном изменении топологической картины структуры, позволяют выявить особенности формирования физико-механических свойств и тем самим создают научные основы для разработки пористых материалов с заранее заданными характеристиками.
Полученные в работе результаты,предложенные методы являются основой для изучения более сложних гетерофазных систем, в качестве примера которых выступают пористые псевдосплавы.
Выявленные особенности фазових превращений в пористом железе при ударноволновом нагружении представляют ценность ь связи с практическими задачами взрывного упрочнения железа и его сплавов.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при составлении учебных программ, написании учебников и учебных пособий, подготовке новых лекционных курсов по соответствующим разделам современного физического материаловедения.
Положения, выносимые на защиту.
-
закономерности влияния параметров пористой структуры на характеристики явлений переноса, упругий и прочностные свойства, магнитные характеристики, внутреннее трение металлов .
-
Описание на основи единой модели зависимостей физических и механических характеристик пористых металлов от параметров СТГ !' .
... .,,.,,.,1,1^...1 механизмов пластической деформации металлов в зависимости от пористости. Физическая концепция пластической деформации пористых металлов, исходящая из смены доминирующих механизмов при росте пористости.
4. Метод расчета ударных адиабат пористых металлов, основанный на использовании характеристик свободного компактного состояния.
Лпробаі;ия__і;)а^бо'Ш. Результаты работы докладывались на еле-
дующих научных конференциях: YI Всесоюзный симпозиум по распространению упругих волн (Фрунзе, 1975), Y Всесоюзная конференция по химической связи (Минск, 1974), Y Международная конференция по физике и технике высоких давлений (Москва, 1975), Y Всесоюзное совещание по упорядочению,атомов и влиянию упорядочения на свойства сплавов (Томск, 1976), II, III и IY Всесоюзные симпозиумы по импульсным давлениям (Москва, 1976, 1979, 1983), Всесоюзная конференция "Проблемы современной кристаллохимии" (Ленинград, 1976), II и III Координационные семинары по деформационному упрочнению сталей и сплавов (Барнаул, 1979, 1981), X и XI научные семинары "Влияние высоких давлений на вещество" (Киев, 1985, Одесса, 1986), Всесоюзная конференция "Методы и средства измерений электрических характеристик материалов" (Новосибирск, 1987), II Всесоюзная конференция по акустической эмиссии (Кишинев, 1987), YIII Всесоюзная конференция по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988), Международная конференция "Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела" (Терскол, 1990), Всесоюзная конференция "Современные проблемы порошковой металлургии, керамики и композиционных материалов" (Киев, 1990), II Всесоюзная конференция "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Юрмала, 1990), II Всесоюзная конференция "Измерения и контроль при автоматизации процессов" (Барнаул, 1991), Республиканская научно-техническая конференция "Прогрессивные технологии'производства, структура и свойства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1992), Республиканская конференция "Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции" (Пермь, 1993), YIII Симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 1993), Международная конференция "Датчики электрических и неэлектрических величин" (Барнаул, 1993), III и IY Международные конференции "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (Николаев, 1993, Новокузнецк, 1995), Республиканская конференция "Получение, свойства и применение энергонасыщенных ультрадисперсных порошков металлов и их соединений" (Томск, 1993),
II Международная школа-семинар "Эволюция дефектных структур в
металлах и сплавах" (Барнаул, 1994), Международная конференция
"Проблемы СВС-технологий" (Барнаул, 1994), III Международная
конференция "Прикладная рентгенография металлов" (Москва,
1994), III Республиканский семинар "Акустика неоднородных
сред" (Новосибирск, 1994), 4th European Conferense on Advanced
Materials and Processes "Euromat-95" (Venice, Italy, 1995),
III Международный семинар "Структурно-морфологические основы
модификации материалов методами нетрадиционных технологий"
(Обнинск, 1995), XIII Международная школа по моделям механики
сплошной среды (Санкт-Петербург, 1995), IY Международная кон
ференция "Компьютерное конструирование перспективных материа
лов и технологий" CADAMT-95 (Томск, 1995), I, II и III
научно-технические конференции "Порошковые материалы и покрытия" (Барнаул, 1986, 1988, 1990), а также на региональных научных конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 100 работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и списка литературы. Она содержит 101 рисунок, 10 таблиц, список литературы включает 238 наименований. Общий объем диссертации составляет 318 страниц.