книги / Перспективные материалы и технологии порошковой металлургии

29

82

83

83

Почему в качестве носителя каталитической системы отдается предпочтение ВПЯМ? Как указывалось выше, ячейку ВПЯМ можно рассматривать как тетракисдодекаэдр. Известно, что внешний массообмен между потоком газа и пористой поверхностью характеризуется критерием Нуссельта, который используют для оценки ламинарности течения.

Если при описании пористости проницаемых материалов общеприняты такие параметры, как пористость и характеристика размера пор, то пористость ВПЯМ, полученных методом порошковой технологии, включает канальную пористость, микро- и нанопористость стенок, перемычек и пространство внутри ячеек материала – макропористость.

В отдельных задачах, связанных с течением потока газа или жидкости через основу ВПЯМ, определяющий вклад в проницаемость вносит макропористость, и именно она должна быть принята в качестве параметра структуры. Однако в ячеистой структуре имеют место перекрытия окна одной ячейки окном другой ячейки, в результате чего имеют место изменения режима течения. При канальной пористости при скорости потока 5–10 м/с реализуется ламинарный поток, а в ячеистых материалах при скорости 0,05 м/с уже наблюдается турбулизация потока, что значительно повышает массообмен. Все это увеличивает эффективность применения ячеистых материалов в каталитических системах и позволяет надеяться на перспективу создания нового поколения катализаторов. При этом надо учитывать, что это не вся каталитическая система и что поверхность ВПЯМ развита незначительно, но выше, чем в сотовых структурах. На поверхность ВПЯМ наносят вторичный высокоразвитый наноструктурный слой с последующим нанесением на него каталитического слоя. Таким образом, формируется высокопористая ячеистая каталитическая система.

Физико-механические свойства ВПЯМ

Механизм деформации при сжатии наблюдали, следя за поведением элементов каркаса, фиксируемым микрофотосъемкой.

Анализ фотоснимков образцов ВПЯМ–Сu при различных степенях деформации показал, что при сжатии тяжи подвергались сжатию с одновременным изгибом. Переход к изгибным деформациям носил тем более резкий характер, чем больше были диаметр ячейки (Dя) и пористость (П) образцов. У ВПЯМ с Dя, равным 2 мм, сначала деформировались тяжи наиболее ослабленного слоя приблизительно на высоту одной ячейки (рис. 40), а в дальнейшем деформация распространялась на тяжи прилегающего слоя ячеек. У ВПЯМ с величиной Dя < 1,6 мм также на-

84

блюдалось смятие поперечного слоя с наименее прочными тяжами, однако деформация распространялась более равномерно и дальнейшее уплотнение слоев происходило на высоту большую, чем Dя.

Установлено однозначное соответствие между характером деформации тяжей на микрофотографиях образцов ВПЯМ при различных степенях сжатия и соответствующими диаграммами нагружения. Диаграмма при сжатии имела переходные участки при тех же степенях деформации, при которых наблюдался ярко выраженный изгиб тяжей и потеря ими устойчивости. Чем более плавно совершалось сжатие с изгибом тяжей, тем более плавной диаграммой сжатия обладал ВПЯМ.

Рис. 40. Изменение макроструктуры ВПЯМ–Сu при одноосном сжатии: П = 84,2 %; dя = 2,75 мм; относительная дефор-

мация, %: а – 0; б – 1,32; в – 5,26; г – 11,25; ×3

85

Диаграмма сжатия (рис. 41, а, кривая 1) является общей для ВПЯМ с пластичной матрицей, в том числе для меди, для которой характерно наличие четырех участков.

Рис. 41. Кривые деформации ВПЯМ при различных видах нагружения: а – сжатие; б, в – растяжение; г – изгиб. Состояние матрицы: 1 – пластичная; 2 – средней пластичности; 3 – хрупкая

На первом участке, протяженность которого зависит от количества слабых элементов каркаса, происходит их деформация при небольших нагрузках. Слабыми элементами вследствие своей меньшей связности с каркасом оказываются поверхностные тяжи. Ближе к концу стадии деформирования (после выбора «слабины») усилие поэтапно передается на внутренние тяжи образца, и происходит нагружение большинства элементов каркаса, ориентированных вдоль направления приложения нагрузки. При этом совершается определенная работа по переориентации тяжей.

86

На втором участке имеет место упругая деформация сжатия и изгиба тяжей, и протяженность участка зависит от их степени устойчивости. На этой стадии нагруженными оказываются тяжи и мембраны, ориентированные близко к направлению приложения внешнего усилия.

Третья стадия характеризуется необратимыми пластическими деформациями. Здесь происходит потеря устойчивости тяжей. Процесс, начавшись на одном из тяжей с невыгодной по отношению к направлению приложенного усилия ориентацией и наибольшей концентрацией микродефектов, распространяется на соседние тяжи, затем на ячейку и, наконец, на весь слой. В тяжах и мембранах происходит закрытие микропор и микротрещин. На участке нагруженными становятся все элементы каркаса независимо от их ориентации, что подтверждается наблюдаемыми поперечными деформациями образца за счет перемещения тяжей, ориентированных перпендикулярно направлению прикладываемого усилия.

На четвертом участке сдеформированные тяжи, мембраны, узлы и ячейки значительно уплотняются. При большой величине пластической деформации нарушается связность каркаса за счет разрушения тяжей и сдвига одной их части относительно другой.

Взависимости от величины П и Dя ВПЯМ наблюдаются некоторые отклонения от общей диаграммы. Так, для ВПЯМ с пластичной матри-

цей и Dя < 1,2 мм, П < 90–92 % практически не наблюдается третий участок. Из-за небольшого расстояния между тяжами и мембранами, принадлежащими одной ячейке, потеря устойчивости и уплотнение до взаимного соприкосновения перекрещивающихся элементов происходит практически одновременно (рис. 41, б).

Впроцессе деформирования образцов из ВПЯМ с П > 94–95 %,

Dя > 1,8 мм не наблюдается четвертый участок на диаграмме сжатия. При определенной величине деформации на третьей стадии происходит снижение нагрузки вследствие полной потери устойчивости, смятия и разрушения тяжей наиболее ослабленного слоя (рис. 41, а, кривая 2). Процесс дальнейшего деформирования образца до момента полного выбора «слабины», образовавшейся в результате смятия слоя ячеек, практически происходит без возрастания напряжения, хотя величина пластической деформации становится значительной. После уплотнения разрушенного слоя наблюдается увеличение напряжения в образце и

87

затем его смятие и разрушение по слою ячеек, прилегающему к разрушенному в предыдущем цикле нагружения. Этот процесс продолжается до полного смятия образца ВПЯМ.

Диаграмма сжатия образцов ВПЯМ с хрупкой матрицей, например из SiC, существенно отличается от рассмотренных выше (см. рис. 41, а, кривая 3). На первой стадии деформирования (ее протяженность существенно меньше, чем для ВПЯМ с пластичной матрицей) в случае даже незначительного отклонения от плоскостности оснований образцов наблюдается хрупкое разрушение наиболее невыгодно ориентированных элементов каркаса. Поэтому испытания на сжатие ВПЯМ–SiC проводили на специально подготовленных образцах, торцы которых заполнялись жестким связующим и шлифовались для придания им параллельности друг другу и перпендикулярности оси образца.

На второй стадии происходит упругая деформация тяжей. В тяжах образуются множественные микротрещины, размеры которых определяются структурной гетерогенностью материала. При достижении предельной концентрации микротрещин (начало третьей стадии) возникают условия для их взаимодействия с поверхностными дефектами, что приводит к потере устойчивости и разрушению наиболее нагруженных тяжей, невыгодно расположенных относительно направления приложения нагрузки. Дальнейшее нагружение образца приводит к формированию магистральной макротрещины, расположенной перпендикулярно направлению действия внешнего усилия.

Поведение ВПЯМ при кратковременном растяжении

Диаграмма «напряжение – деформация» при растяжении отражает специфические особенности деформирования ВПЯМ–Cu, в упругой и пластической области (см. рис. 41, б). Диаграмма характерна для ВПЯМ–Cu с П > 90 %.

На первой стадии деформации происходит выбор «слабины» в сет- чато-ячеистой структуре, заключающийся в переориентации тяжей в направлении приложения растягивающего усилия. На второй стадии происходит упругая деформация тяжей. Далее начинается участок квазипластической деформации, отражающий процесс разрушения контактов в тяжах (раскрытие микропор и микротрещин) и вязкоупругой деформации вследствие увеличения радиуса кривизны тяжей.

После достижения нагрузки, соответствующей пределу прочности σв, начинается разрушение образца ВПЯМ. Ему предшествует, как пока-

88

зал микро- и макроструктурный анализ, появление макроразрывов в перенапряженных тяжах, геометрически невыгодно расположенных относительно направления приложения нагрузки и имеющих меньшую связность с матрицей. После разрушения тяжей, в которых напряжения достигли предела прочности матрицы, снижение нагрузки на образец тормозится сопротивлением менее напряженных тяжей, не оказывавших до этого момента активного противодействия. Происходящее перераспределение напряжений в образце ВПЯМ приводит к дополнительному нагружению неразрушенных тяжей, их последующей деформации и разрушению при медленном уменьшении нагрузки. Благодаря последовательному разрыву отдельных тяжей наблюдаются значительные деформации образца после достижения предела прочности σв.

При испытании ВПЯМ с менее пластичной матрицей (ВПЯМ–Cu с П < 89 % и Dя < 1,4–1,6 мм) протяженность третьей стадии значительно короче, а четвертая стадия на диаграмме деформации практически не наблюдается (см. рис. 41, б, кривая 2). Прочность ВПЯМ определяется наличием наиболее ослабленных тяжей, имеющих большое количество микропор и микротрещин. Если при испытании ВПЯМ с достаточно пластичной матрицей эти дефекты лишь подготавливают разрушение образца и в целом его прочность зависит от среднего напряжения в тяжах, то в случае ВПЯМ с менее пластичной матрицей концентрация напряжений в местах дефектов тяжей является решающей.

Микро- и макроструктурные изменения в образце ВПЯМ–Cu при растяжении находят отражение на кривой изменения электросопротивления (рис. 41, в). На первой и второй стадии деформации электросопротивление образца не изменяется. Третий участок деформации характеризуется возрастанием сопротивления образца на 8–13 %. Это происходит из-за множественного накопления микротрещин, их взаимодействия и слияния с микропорами. На четвертой стадии происходит ступенчатое увеличение электросопротивления, соответствующее последовательному разрыву отдельных или нескольких тяжей.

Сетчато-ячеистая структура предопределяет дискретный характер разрушения из-за неравномерности распределения напряжений по отдельным тяжам. Ячеистые поры играют роль своеобразных стопоров, тормозящих развитие магистральной трещины на своих границах. В ВПЯМ с пластичной матрицей ее движение по ячейкам протекает без динамического взаимодействия отдельных микротрещин. Разрушение образцов для ВПЯМ с хрупкой матрицей происходит практически вслед за стадией упругого деформирования (см. рис. 41, б, кривая 3).

89

Поведение ВПЯМ при изгибе

Типичные диаграммы изгиба ВПЯМ приведены на рис. 41, г. Первая из них относится к ВПЯМ с достаточно пластичной матрицей (ВПЯМ–Cu с любыми значениями П и Dя).

Процесс деформации при изгибе ВПЯМ происходит в четыре стадии, что находит отражение в диаграмме изгиба. От диаграмм сжатия и растяжения ее отличает наличие почти вертикально расположенного первого участка. Запаздывание появления прогиба относительно начала приложения нагрузки связано с развитием фронта деформации, распространяющегося от верхних слоев образца под нагружающим наконечником к нижним слоям.

Относительная протяженность этой стадии зависит от П и Dя исследуемого ВПЯМ с тенденцией к снижению при их уменьшении и переходе от пластичной к хрупкой матрице.

На первой стадии происходит выбор «слабины» в области ВПЯМ, находящейся непосредственно в месте приложения нагрузки. На второй стадии изгиба происходит упругое сжатие верхних и растяжение нижних слоев сетчато-ячеистого каркаса. На третьей и самой протяженной стадии одновременно протекают процессы, описываемые третьей стадией диаграмм сжатия и растяжения ВПЯМ. Находящиеся под наконечником тяжи теряют устойчивость и сминаются. Нижние поверхностные тяжи претерпевают пластические деформации при своем растяжении. Процесс распространяется от периферии к центру образца до полного исчерпания пластичности наружных тяжей, при этом в них образуются и развиваются микропоры и микротрещины. К концу третьей стадии зависимость изгибающего усилия от стрелы прогиба дает максимум. Концентрация дефектов возрастает настолько, что расстояние между ними становится соизмеримым с самими дефектами. Поля перенапряжений вокруг них накладываются, приводя к увеличению скорости их прорастания и слияния и далее – к разрыву тяжей и образованию магистральной трещины.

На четвертой стадии происходит последовательное разрушение тяжей и продвижение фронта макротрещины от нижней поверхности образца к верхней. После разрушения нижнего слоя тяжей требуется дополнительная величина прогиба для нагружения ближайших незатронутых тяжей, которые воспринимают нагрузку практически неповрежденными и активно препятствуют распространению микротрещины. При

90