КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 5, с. 684-687
УДК 548.5:539.376
ДЕФОРМАЦИЯ НА КОНТАКТАХ КРИСТАЛЛОВ ХЛОРИДА НАТРИЯ
В ПРИСУТСТВИИ ВОДЫ
© 2007 г. 3. Н. Скворцова, И. В. Касьянова, Е. В. Породенко, В. Ю. Траскин
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет
119992 Москва, Воробьевы горы Поступила в редакцию 02.11.2006 г.
Исследованы процессы, происходящие на контактах зерен при прессовании порошков в растворяющих средах. Определено пороговое напряжение, соответствующее смене механизмов (переходу от скольжения дислокаций к рекристаллизационной ползучести) при деформации хлорида натрия в присутствии его насыщенного водного раствора. Предложено уравнение, описывающее изменение скорости компактирования порошков при их деформации.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из причин облегчения деформации твердых тел под действием жидких сред может служить ускоренный массоперенос через жидкую фазу вдоль градиента приложенных напряжений. Этот процесс, сопровождаемый, как правило, переосаждением вещества в ненапряженных участках, называется рекристаллизационной ползучестью (в англоязычной литературе pressure solution или dissolution-precipitation creep). Реологические характеристики твердых тел, деформируемых в подобных условиях, интенсивно изучаются в последние десятилетия в основном применительно к тектоническим, метаморфическим и техногенным процессам, протекающим в земной коре. Объектом исследования часто служит хлорид натрия, вещество, распространенное в природе и являющееся удобным модельным материалом [1, 2]. В ряде работ (например, [3]) в качестве метода испытаний применяется прессование порошка NaCl в насыщенном водном растворе, которое обеспечивает достаточно высокую скорость деформации и позволяет моделировать процессы формирования соляных пластов. Однако неопределенность геометрии контактов зерен и порового пространства, а также возможность реализации других механизмов деформации и разрушения создают трудности при интерпретации получаемых результатов.
Целью данной работы было уточнение условий, в которых рекристаллизационная ползучесть является преобладающим механизмом уплотнения порошка хлорида натрия в присутствии воды, и количественное описание этого процесса.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Одноосное сжатие монокристаллов, контактирующих по плоскости спайности
При исследовании процессов, происходящих при прессовании порошков, достаточно сложно оценить площадь контактов между частицами, которая определяет реально действующие напряжения. Для решения такой задачи был разработан метод исследования деформации на контактах монокристаллов хлорида натрия.
Монокристаллические призмы хлорида натрия высотой около 2.5 мм с квадратным основанием площадью от 15 до 25 мм2 получали из больших монокристаллов путем раскалывания по плоскости спайности. Профилометрические исследования показали, что поверхность образцов имеет характерный ступенчатый рельеф со средней высотой ступенек скола 30 мкм. Призмы располагали между двумя монокристаллами большего размера с поворотом вокруг вертикальной оси на 45° во избежание срастания, после чего всю стопку подвергали действию постоянной нагрузки от 10 до 90 Н в осушенном гептане или в насыщенном водном растворе №С1 (рис. 1). Перемещение АН верхней опоры под действием нагрузки ^ в зависимости от времени t измеряли на приборе ИЗВ-1 с точностью до 1 мкм.
За первые сутки происходит "расплющивание" контактов (средняя высота ступенек уменьшается, а площадь контакта растет), после чего в отсутствие воды деформация останавливается, а в насыщенном растворе продолжается с постоянной, но гораздо меньшей скоростью.
При фиксированной приложенной нагрузке скорость деформации на этапе установившейся ползучести практически не зависит от размера среднего кристалла, т.е. от макроскопической пло-
Рис. 1. Схема одноосного нагружения системы монокристаллов (виды сбоку (а) и сверху (б)). 1 и 2 - соответственно вазелиновое масло и клей, защищающие верхний и нижний контакты от водного раствора NaCl (3).
щади контакта S. Подобный эффект был обнаружен и в работе [4]. Для его объяснения авторы [4] предлагают сложную схему смены диффузионного и кинетического режимов в процессе массоперено-са через раствор, не учитывая при этом, что размеры кристалла могут и не определять истинную площадь контакта. Для того чтобы найти зависимость истинной конечной площади контакта Ä от приложенной нагрузки, нами была проведена специальная серия опытов. В зазор между монокристаллами перед нагружением на воздухе помещали каплю клея "Квинтол". По прошествии суток, когда клей застывал, кристаллы растворяли в воде и пленку исследовали под микроскопом. С помощью программы Adobe Photoshop по фотографиям пленки определяли размеры отверстий, соответствующих местам непосредственного контакта кристаллов. Было обнаружено, что площадь контактов прямо пропорциональна приложенной нагрузке с коэффициентом пропорциональности -0.05 МПа-1.
Прессование порошков
Смоченный порошок хлорида натрия (размер частиц 120-200 мкм), содержащий около 20 мае. % воды, что соответствует полному заполнению по-рового пространства, прессовали в цилиндрической матрице с диаметром канала 12 мм. Высота столба порошка И0 до прессования составляла око-
£, %
0 200 400 600
t, мин
Рис. 2. Типичные деформационные кривые, получаемые при прессовании порошков в режиме увеличения давления. Напряжение прессования Р = 0.2 (1), 0.6 (2), 1.0 (3), 1.4 (4) и 2.3 МПа (5).
ло 20 мм. Прессование проводили в двух режимах: 1) при ступенчатом увеличении нагрузки на пуансон от 3 до 45 Н и 2) при ступенчатом уменьшении нагрузки после выдерживании образца в течение суток под нагрузкой 45 Н, что обеспечивало относительную деформацию 8 = -Ah/h0 - 0.1. В экспериментах первой серии увеличение нагрузки каждый раз вызывало быструю деформацию, которая затем сменялась стадией установившейся ползучести (рис. 2). Скорость деформации на этой стадии уменьшается с увеличением нагрузки (рис. 3, кривая 1). В экспериментах второй серии
Рис. 3. Зависимости скорости деформации увлажненного порошка ШС1 от нагрузки Р в режимах ее ступенчатого увеличения (1) и уменьшения (2).
686
СКВОРЦОВА и др.
[мкм/мин]
-3 2_1_1_1_1_I_
' 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
^ А [мм2]
Рис. 4. Зависимость скорости деформации стопки монокристаллов №01 от площади контакта А в присутствии насыщенного водного раствора N01.
е х 106, с-1
Р/е2, МПа
Рис. 5. Результаты опытов по прессованию порошков в координатах уравнения (3) в режимах ступенчатого увеличения (1) и уменьшения (2) нагрузки.
каждый раз при уменьшении нагрузки сразу устанавливается постоянная скорость ползучести, не изменяющаяся в течение длительного времени. Скорость ползучести в этом случае прямо пропорциональна нагрузке (рис. 3, кривая 2).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Вполне очевидно, что на первой стадии деформации монокристаллов и порошков КаС1, протекающей практически одинаково в различных средах, реализуются хорошо изученные дислокационные механизмы пластического течения. Это возможно при напряжениях, превышающих предел текучести деформационно упрочняемого материала Р*, известные значения которого [5] близки к значению 20 МПа, найденному нами для монокристаллов. Другими словами, деформация монокристаллов в нерастворяющей среде должна прекращаться, когда площадь контактов возрастает до величины А = Е/Р*. В соответствии с этим, эксперименты проводили в два этапа: сначала формировали заданную площадь контакта между монокристаллами, выдерживая их в течение суток под нагрузкой а затем испытывали в присутствии насыщенного водного раствора КаС1 под другой нагрузкой Е2 < т.е. при известном истинном напряжении Р = Е2/А.
Вид деформационных кривых и порядок величины скорости ползучести (несколько мкм/сутки) говорят о том, что механизмом деформации является рекристаллизационная ползучесть. Это подтверждается расчетом, аналогичным проведенному в [6] для другого метода испытаний (вдавливания сферического индентора в монокристаллы КаС1). Можно показать, что для деформации, скорость которой лимитируется диффузией или рас-
творением, должны соответственно выполняться соотношения
или
4Вс0 юЕ5 ЯГ а А2
к с0 юЕ
2ЯТА '
(1)
(2)
где В и с0 - коэффициент диффузии и растворимость соли в воде, ю - мольный объем соли, 5 - средняя толщина жидкой прослойки, к - константа скорости растворения, а <1 - средний коэффициент анизометрии контактов, Я - газовая постоянная, Т -температура.
Обработка экспериментальных данных в логарифмических координатах подтверждает пропорциональную зависимость (коэффициент корреляции равен 0.99) между величинами ёк/А и Ат1 (рис. 4). Наклон прямой составляет -2.02, коэффициент пропорциональности - 1.4 х 10-22 м5/с. При подстановке в формулу (1) значений В = 1.3 х 10-9 м2/с [7] и 5 = = 10-7 м [1, 8] получаем для нагрузки Е = 45 Н близкое значение коэффициента (около 10-22 м5/с, с колебаниями в пределах порядка в зависимости от величины а), что свидетельствует о диффузионном режиме рекристаллизационной ползучести при деформации системы монокристаллов.
Различный вид зависимостей скорости деформации порошка КаС1 от нагрузки в режимах ее ступенчатого увеличения и уменьшения (рис. 3) хорошо объясняется в рамках схемы, использованной при анализе деформации системы монокристаллов. Предположим, что откликом на повышение нагрузки является быстрое увеличение площади контактов между зернами, которое про-
исходит до тех пор, пока напряжение на контактах не упадет до предела текучести соли (в первой серии - в начале каждого цикла испытаний, во второй - только в начале опыта). Тогда в первой серии действующее напряжение оказывается постоянным и равным пределу текучести, а диффузионный путь растет от цикла к циклу; во второй серии напряжение с каждым циклом уменьшается, а диффузионный путь остается практически постоянным.
Для количественного описания полученных данных следует учитывать увеличение площади контактов между зернами с ростом степени деформации порошка е. Для не очень большой степени компактирования (е < 10%) можно считать, что эти величины пропо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.