научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ПОЛЗУЧЕСТЬ ПО МЕХАНИЗМУ РАСТВОРЕНИЯ–ПЕРЕОСАЖДЕНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ПОЛЗУЧЕСТЬ ПО МЕХАНИЗМУ РАСТВОРЕНИЯ–ПЕРЕОСАЖДЕНИЯ»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2011, том 73, № 5, с. 680-685

УДК: 548.5:539.376

ВЛИЯНИЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ПОЛЗУЧЕСТЬ ПО МЕХАНИЗМУ РАСТВОРЕНИЯ-ПЕРЕОСАЖДЕНИЯ

© 2011 г. З. Н. Скворцова, Д. Н. Зубов, А. Е. Муралев, В. Ю. Траскин

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет

119991 Москва, Воробьевы горы Поступила в редакцию 15.12.2010 г.

Изучен процесс рекристаллизационной ползучести смоченных водой порошков хлорида натрия, карбоната кальция и нитрата аммония в условиях статического и циклического нагружения. Для первых двух солей обнаружен эффект резкого увеличения скорости ползучести при переходе от статического к циклическому режиму; при возвращении к статическому режиму скорость оказывается близкой к первоначальной. Для нитрата аммония ускорения ползучести не наблюдается. При испытаниях порошков в нерастворяющих средах (гептане, вазелиновом масле) эффект отсутствует. Предложен механизм, объясняющий наблюдаемые явления.

ВВЕДЕНИЕ

Рекристаллизационная ползучесть, или ползучесть по механизму растворения—переосаждения (dissolution—precipitation creep) — ускоренная деформация материала путем массопереноса через раствор, обусловленного градиентом приложенных напряжений [1, 2]. Наиболее медленная из трех стадий процесса (растворение, массоперенос, осаждение) определяет скорость ползучести. Несмотря на то, что рекристаллизационная ползучесть (РП) давно и интенсивно исследуется, так как является главным путем медленной деформации горных пород, контактирующих с жидкими фазами в естественных условиях, а также используется в ряде технологических процессов, многие особенности РП остаются до сих пор неясными. В частности, в рамках существующих моделей трудно количественно проанализировать роль движущей силы процесса — механических напряжений. Локальное возрастание химического потенциала твердого тела и соответствующее пересыщение раствора сравнительно легко поддаются оценке (хотя и здесь существуют разногласия между сторонниками теорий абсолютного и локального химического потенциала негидростатически напряженного кристалла [3]). Гораздо труднее учесть возможность тормозящего влияния давления на массоперенос в результате поджатия меж-зеренных жидких прослоек, которая до сих пор систематически не исследовалась. В работе [4] было высказано предположение о временном повышении скорости РП в горных породах вследствие циклического сброса напряжений в периоды сейсмической активности. Это согласуется с результатами экспериментов [5, 6], в которых наблюдалось некоторое возрастание скорости РП хлорида натрия под действием переменных нагрузок с периодом в несколько часов.

В данной работе было проведено систематическое изучение воздействия переменных нагрузок на различные материалы (NaCl, CaCO3, NH4NO3), деформируемые в условиях РП.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

За основу были взяты методы исследования РП (вдавливание сферического индентора в монокристалл, одноосное сжатие поликристаллов, компак-тирование порошков), подробно описанные ранее [7—9]. Поскольку все эти методы дали сходные результаты (значительное увеличение скорости РП в режиме чередования нагружения и разгрузки), в дальнейшем будет подробно рассмотрено компак-тирование порошков.

В качестве объектов исследования были использованы порошки хлорида натрия и карбоната кальция марки "ч. д. а." и порошок нитрата аммония марки "х. ч.". Фракционированием на ситах отбирали фракцию порошка NaCl с размером зерен 350 ± 50 мкм. Определенный седиментационным анализом размер зерен порошка СаСО3 составлял от 20 до 50 мкм. Нитрат аммония сушили в течение 4 ч при температуре 120°C, после чего выдерживали в эксикаторе над гранулами КОН не менее 24 ч (время, достаточное для завершения фазового перехода с образованием модификации IV, устойчивой при комнатной температуре). Использовали порошок с исходным размером 50 ± 25 мкм, а также более мелкую фракцию, которую получали растиранием порошка в агатовой ступке; средний размер зерен после этого, измеренный с помощью оптического микроскопа Zeiss Axioplan, составлял 20 ± 7 мкм.

Порошки NaCl и СаСО3 испытывали на сжатие поршнем в цилиндрической матрице с внутренним диаметром 1.2 см при комнатной температуре. Ис-

Деформация, %

Время, мин

Рис. 1. Деформационные кривые порошка хлорида натрия, испытанного в вазелиновом масле (7) и в присутствии собственного насыщенного водного раствора (2) при статическом (0.29 МПа) и циклическом (0.29—0.026 МПа) нагружении. Период нагрузки—разгрузки — 24 с. Временные интервалы приложения циклической нагрузки здесь и далее отмечены прямоугольниками.

ходная высота образцов к0 составляла 1.6—1.8 см. При статическом режиме испытаний прикладывали нагрузку 33 Н. В случае нитрата аммония использовали матрицу диаметром 0.8 см, нагрузка при предварительной прессовке составила 105 Н, затем ее уменьшали до 46.5 Н. Циклическое воздействие осуществляли с помощью кривошипно-шатунного устройства, которое позволяет изменять нагрузку (в интервалах от 33 до 3 Н или от 46.5 до 2 Н) с периодичностью от 5 до 120 с по закону, близкому к синусоидальному.

Автоматический датчик перемещений ЛИР-15 непрерывно регистрировал смещение поршня с точностью до 0.1 мкм с интервалом 1 с.

Порошки испытывали в осушенной инертной среде (гептан, вазелиновое масло) или в присутствии воды (всегда предварительно насыщенной соответствующей солью; в случае СаСО3 насыщение проводили при рН 8.3). Количество добавляемой жидкости составляло около 20% от веса образца. На первой стадии каждого эксперимента образцы прессовали при постоянной нагрузке до достижения постоянной скорости деформации е =

А й/ А ^ АУ ^

=--—, где АЛ — изменение высоты образца за

Й0

время Аt . При переходе к периодическому режиму кривая деформации становилась зигзагообразной вследствие упругой деформации с амплитудой 18 мкм (13 мкм за счет нагружающего устройства, ~5 мкм за счет образца).

Деформация, %

Время, мин

Деформация, %

1248 1249 1250 1251 Время, мин

Рис. 2. (а) — Фрагмент деформационной кривой смоченного водой порошка хлорида натрия при различных периодах циклических испытаний (обозначены на рисунке); (б) — увеличенная часть кривой, представленной на рис. 2а, соответствующая периоду 120 с и включающая упругую деформацию. Пунктирные прямые показывают среднюю скорость деформации при нагрузке (1) и разгрузке (2).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 представлены типичные кривые деформации порошка хлорида натрия в вазелиновом масле (кривая 1) и в воде (кривая 2) в режиме статического (при 0.29 МПа) и циклического (от 0.29 до 0.026 МПа) нагружения. Период нагрузки-разгрузки составлял 24 с. Для образцов, деформированных в циклическом режиме, дана только нижняя огибающая кривой (упругая деформация не показана). Кривая деформации порошка хлорида натрия при приложении переменных нагрузок с различными периодами (обозначенными на кривой) демонстрируется на рис. 2а. При циклическом режиме испытаний скорость деформации заметно растет, причем наблюдается тенденция к усилению эффекта, т.е. к росту п = 8 цикл / 8 стат как с увеличением частоты, так и со степенью достигнутой деформации. Наиболь-

682

СКВОРЦОВА и др.

Деформация, % (а)

-0.2

1 2 Деформация, % -0.81

-0.84 -

4

Время, ч

(б)

-0.87 -

1440 1460

Деформация, %

-0.45 -

-0.50

-0.55 -

1480 1500

Время, мин

(в)

200 201 202 203 204 205

Время, мин

Рис. 3. Фрагмент деформационной кривой порошка кальцита в присутствии собственного насыщенного водного раствора при различных периодах циклических испытаний (отмечены на рисунке): общий вид (а) и увеличения (б) и (в). Стрелкой на рис. 3б показан момент, в который скорость возвращается к первоначальному значению. Рис. 3в: увеличенная часть кривой, соответствующая периоду 120 с и включающая упругую деформацию. Пунктирные прямые показывают среднюю скорость деформации при нагрузке (1) и разгрузке (2).

Ускорение 30

20

10

0.3

Частота, Гц

Рис. 4. Зависимость эффекта ускорения деформации при циклических испытаниях смоченного порошка кальцита от частоты циклов нагрузки-разгрузки.

ший эффект для порошка хлорида натрия (п « 3) достигался при частоте 0.2 Гц.

Для порошка синтетического кальцита переход от статической к циклической нагрузке также приводит к возрастанию скорости компактирования, причем в данном случае наблюдаемый эффект значительно выше, чем для хлорида натрия: при длительности цикла 24 с п « 10 при деформации 0.3% и п « 40 при деформации 0.8% (сравните рис. 3а и 3б). Как и для хлорида натрия, эффект возрастает при увеличении частоты (рис. 4).

Для порошков №С1 и СаС03 после каждого возвращения от циклического к статическому режиму скорость деформации постепенно падает до значений, наблюдаемых до начала циклических воздействий, как это видно на рис. 3б. Продолжительность этого процесса возрастает с увеличением общей деформации образца (рис. 5).

Чтобы отличить деформацию нитрата аммония, обусловленную присущей ему пластичностью, от деформации, происходящей по механизму РП, на первом этапе осушенный порошок КИ4К03 подвергали предварительному нагружению под давлением 2.1 МПа в течение 24 ч, затем давление понижали до 0.9 МПа. Скорость деформации порошка со средним диаметром зерна 50 мкм возрастала после добавления насыщенного водного раствора нитрата аммония примерно на порядок (от 4.2 х 10-8 до 3.7 х х 10-7 с-1). Скорость деформации смоченного порошка со средним размером зерна 20 мкм при тех же условиях составляла около 7 х 10-7 с-1. Приложение циклических нагрузок (0.9-0.043 МПа) с частотами от 0.04 до 0.02 Гц не приводило к изменению скорости деформации (рис. 6).

3

0

8, %

Рис. 5. Зависимость времени восстановления исходной скорости ползучести порошка хлорида натрия от степени деформации.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Процесс компактирования порошков хлорида натрия и карбоната кальция в присутствии воды является предметом интенсивного изучения [8, 10-14]. Среди возможных механизмов компактирования в широком диапазоне напряжений обсуждаются, помимо РП, пластическая деформация на контактах, образование микротрещин или разрушение зерен

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.

Показать целиком