Введение к работе
Актуальность работы. Большинство сред, встречающихся в природе и созданных в результате деятельности человека, имеют многокомпонентный состав. Многообразие комбинаций фаз и структур, многообразие межфазных и внутрифазных взаимодействий и процессов, а также различных видов воздействий на гетерогенные среды порождают проявление широкого спектра свойств многокомпонентных сред. Большое количество параметров, определяющих свойства гетерогенной среды, а также зависимость внутрифазных процессов от условий нагружения, создает трудности теоретического описания динамики многокомпонентных сред. Наиболее часто многокомпонентные среды рассматривают как сплошные, и изучение проводится на феноменологическом уровне.
В последние годы особый интерес представляет собой моделирование волновых процессов в многофазных средах. Одним из таких процессов является распространение звука в многофазной среде. Большое внимание уделяется ультразвуковому исследованию суспензий [1], представляющих собой жидкую несущую среду с включениями различной объемной доли с размерами от 10 нм до 100 мкм.
В настоящее время в промышленности широко применяются металлокерамические композиционные материалы инструментального назначения. Они изготавливаются методом спекания порошковых смесей высокотвердых тугоплавких химических соединений с металлической связкой. Для повышения износостойкости металлокерамических сплавов совершенствуют химический состав исходных порошковых смесей, технологические режимы спекания и упрочнения спеченных изделий (в том числе путем нанесения износостойких покрытий). Возможности известных методов повышения износостойкости крайне ограничены. Разрушение изделий из металлокерамических сплавов в процессе эксплуатации инициируется концентраторами напряжений, которыми являются отдельные микропустоты остаточной после спекания металлокерамики пористости, дефекты строения включений
высокотвердой фазы, неоднородность распределения высокотвердых частиц в объеме металлокерамического сплава и т.п.
Одним из методов повышения износостойких
характеристик металлокерамических композиционных
материалов является обработка изделий концентрированными потоками энергии, к которым относятся лазерное, ионное и электронное облучение, а также потоки плазмы. Обработка изделий концентрированными потоками энергии приводит к сверхвысоким скоростям нагрева (до 10 град/с) тонкого поверхностного слоя материала и формированию больших градиентов температур (до 10 - 10 град/м), что определяет необходимые условия образования в поверхностном слое новых структурно-фазовых состояний.
Применение концентрированных потоков энергии для обработки материалов обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными методами: возможностью обработки высокоточных деталей сложной формы, малыми временем обработки, простой автоматизацией процесса.
Наиболее перспективным методом упрочнения поверхностных слоев является метод импульсного электронного облучения. Этот метод обладает следующими достоинствами: высокий КПД преобразования энергии от «розетки» в пучок (более 90%), большая площадь облучения поверхности (более 10 см ), высокая плотность мощности (более 10 Вт/см ), высокая частота импульсов (более 10 Гц). В отличие от ионных пучков, электронные пучки генерируются при меньших ускоряющих напряжениях и не требуют создания специальной радиационной защиты.
Поэтому исследования, связанные с воздействием излучения на композиционные материалы являются актуальными, как с точки зрения понимания физических процессов, протекающих в гетерогенной среде при облучении, так и с точки зрения создания теоретической базы для радиационных технологий.
Для проведения теоретических исследований по воздействию интенсивных потоков излучения на композиционные материалы необходима модель, которая бы включала в себя описание взаимодействия излучения с гетерогенной средой и описывала бы весь спектр процессов, протекающих в гетерогенной среде при облучении.
В настоящее время при описании механики гетерогенных
сред большое внимание уделяется развитию моделей
многоскоростных взаимодействующих континуумов [2, 3].
Существующие модели гетерогенных сред на основе
многоскоростных взаимодействующих континуумов
недостаточно развиты, поскольку для формулировки замкнутой системы уравнений используется приближение несжимаемости одной из компонент, либо приближение равенства давлений в компонентах. Развиваемый в [3] подход также вызывает большие трудности при обобщении его на конденсированные среды. Поэтому разработка теоретических моделей гетерогенных сред и проведение на их основе исследований остаются сегодня актуальными.
Цель работы. Работа направлена на разработку метода теоретического описания динамики гетерогенных сред и исследование их поведения при воздействии интенсивных потоков заряженных частиц.
Задачи диссертационной работы.
Построение теоретической модели гетерогенной среды с учетом процессов теплопроводности, теплообмена, сил взаимодействия между компонентами и релаксации их к равновесию, которая обеспечивает выполнение законов сохранения.
Реализация модели в одномерной геометрии для гетерогенной среды, представляющей собой матрицу (несущую жидкость) со сферическими включениями.
Исследование зависимости скорости звука и полей напряжений в гетерогенной среде от размеров и объемной доли включений при различных условиях нагружения.
4. Исследование закономерностей формирования полей напряжений в композиционных материалах при воздействии интенсивных потоков заряженных частиц.
Методика исследования. В рамках подхода
многоскоростных взаимодействующих континуумов,
сформулирована замкнутая система уравнений, описывающая течения в гетерогенной среде с учетом процессов теплопроводности, теплообмена и трения между компонентами, релаксации компонент к равновесному состоянию. Система уравнений для гетерогенной среды включает в себя уравнения непрерывности, движения и внутренней энергии для каждой компоненты, которые имеют универсальный вид для любой гетерогенной среды. Данную систему замыкают уравнения, описывающие релаксацию компонент к равновесному состоянию, явный вид которых определяется конкретной структурой гетерогенной среды. В данной работе исследована гетерогенная среда - матрица (несущая жидкость) со сферическими включениями. При описании рассеяния электронов композиционный материал рассматривается как гомогенная среда со сложным химическим составом. Модель переноса быстрых электронов включает процессы упругого рассеяния, флуктуации потерь энергии в неупругих столкновениях и рождение вторичных электронов. Модель переноса быстрых ионов построена в пренебрежении влияния упругого рассеяния на изменение направления импульса.
Разработанная модель и реализующая ее программа были использованы для проведения численных исследований динамических процессов в суспензиях, а также для моделирования воздействия импульсного электронного пучка на композиционный материал.
Научная новизна и значимость результатов диссертационной работы состоит в построении модели гетерогенной среды, учитывающей процессы теплопроводности, теплообмена, трения между компонентами и релаксации компонент среды к равновесному состоянию; в изучении роли параметров гетерогенной среды (объемная доля и радиус
включений) в определении скорости звука и полей напряжений в суспензии; в изучении особенностей формирования полей напряжений в композиционном материале при облучении. Основные положения, выносимые на защиту:
Модель гетерогенных сред, в которой учтены процессы теплопроводности, теплообмена и трения между компонентами, релаксация компонент среды к равновесному состоянию.
Немонотонная зависимость скорости звука в среде со сферическими включениями от объемной доли и радиусов включений. Скорость ударной волны в композиционном материале меньше либо равна скорости распространения ударных волн в чистых материалах.
3) Как следствие, амплитуда ударной волны в
композиционном материале может превышать амплитуду волн в
чистых материалах при одинаковых воздействиях. Максимальная
амплитуда волны соответствует случаю равновесия компонент по
напряжениям.
4) При увеличении плотности тока излучения влияние
радиуса включений на амплитуду полей напряжений
уменьшается вследствие увеличения скорости релаксации
напряжений между компонентами.
Личный вклад автора. Участие в разработке модели гетерогенной среды. Построение акустического приближения данной модели. Разработка программного комплекса, реализующего указанную модель. Численные исследования динамических процессов в суспензии при различных объемных долях и радиусах включений. Численные исследования формирования полей напряжений в композиционном материале при различных объемных долях, радиусах включений и различных режимах облучения мишени электронным пучком, анализ полученных результатов.
Практическая ценность результатов работы заключается в возможности использования разработанной модели и программы для решения задач радиационных технологий при обработке композиционных материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международной конференции «9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2008); на XVI-й Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009); на международной конференции «Х-е Забабахинские Научные Чтения» (Снежинск, 2010); на международной конференции «10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010); на XVII-й Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, 6 статей в сборниках трудов конференций, в том числе 4 международных.
