ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Механизм хрупкого разрушения малых частиц из "Физика измельчения" На основании опытов, содержание которых изложено выше, можно сделать вывод об известной общности механизма разрушения хрупких металлов и неметаллических кристаллов. В обоих случаях хрупкому разрыву предшествует некоторая пластическая деформация, на создание которой затрачивается работа внешней силы. Общность закономерностей разрушения с металлами обнаружена и у стекла — явно аморфного и типично хрупкого материала [102]. С другой стороны, наши исследования закономерностей измельчения кристаллического кварца и кварцевого стекла указывают на идентичность их поведения при измельчении. [c.119] Согласно представлениям, развитым Лихтманом, Щукиным и Ребипдером [29], это обстоятельство несущественно, так как для выполнения условий Гриффитса достаточно, чтобы хотя бы в одном месте пластические деформации оказались заторможенными каким-либо препятствием. Тогда в месте такого заторможенного сдвига разовьется трещина, которая hj)h удовлетворении условию Гриффитса становится опасной . Таким образом, условие Гриффитса объясняет причину снижения прочности кристаллов опасными дефектами, а источником их возникновения является пластическое деформирование. Тре-пщиы возникают и развиваются в процессе пластического сдвига под действием скалываемых напряжений, и становятся опасными по достижении соответствующих размеров и при соответствующем уровне растягивающих напряжений. При сжатии разрушение материала происходит преимущественно по направлениям, на которых скалывающие и растягивающие напряжения равны по абсолютной величине [105]. (Это условие справедливо, вообще говоря, только для механически изотропных материалов, какими являются кварц и ряд горных пород). [c.121] Теория зарождения трещин в кристаллах в результате сдвига основывается на дислокационной модели. В общем случае, однако, применительно к развитию трещин можно, по-видимому, ввести представление о подвижных структурных дефектах атомного размера, характер движения и распределения которых таков же, как и в дислокационной модели. (Вектор Бюргерса-переменная величина). Тогда основные положения теории дислокации применимы и к хрупким аморфным телам, закономерности разрушения которых мало отличаются от закономерностей хрупкого разрушения кристаллических тел. О существовании многочисленных атомных дефектов в поверхностных слоях частиц измельченных материалов свидетельствуют описанные выше нарушёния кристаллической структуры, механохимические процессы, а также терыолюминесцен-ция, экзоэлектронная эмиссия и другие явления. [c.122] Принимая PJP iG [109], находим для кварца, например, 1,5—6 мкм. Если же PJP iQP, то , 150— 600 мкм. Размеры же частиц даже при сравнительно низкой дисперсности, равной 1 м г, составляют в среднем ОКОЛО 2 мкм. В процессе вибрационного измельчения нами получены порошки с удельными поверхностями более 100 м г. Средние размеры частиц таких порошков в десятки-сотни раз меньше опасных трещин. В этом случае модель Гриффитса должна быть дополнена учетом конечных размеров тела. [c.122] - кривая 1 (А ) — более выпуклая, чем по уравнению (3. 5). [c.123] Пусть под действием скалывающего напряжения твердое тело претерпело сдвиг, который заторможен вследствие присутствия некоторого непреодолимого препятствия, как-то рабочие поверхности сжимающего инструмента и области всестороннего сжатия или сдвиги, направление которых резко не совпадает с направлением рассматриваемого. Если наибольшим препятствием распространению сдвига служат поверхности инструмента, что наиболее вероятно, то он распространяется фактически па все сечение частицы. Вокруг незавершенного локального сдвига концентрируются высокие скалывающие и нормальные напряжения [105]. При этом максимальные растягивающие напряжения возникают под некоторым углом 6 к плоскости сдвига, где они достигают величины (С/г) / [29]. Здесь С — область локализации заторможенного участка сдвига, г — расстояние данной точки от его вершины. В области концентрации напряжений возможно образование клиновидной трещины, если упругой энергии, освобождаемой при ее образовании, достаточно для образования новой свободной поверхности. [c.124] Распространение трещины происходит, по-видимому, зигзагообразно, поскольку в местах всестороннего сжатия трещина встречает непреодолимые препятствия и отра-исается от них. Плотность упругой энергии в кубе со стороной, равной С, составит Шс г) т С12 г. При этом г меняется в интервале г Сг С.С, где Го Ю А определяет предел применимости теории упругости, С — модуль сдвига, т — напряжение сдвига [29]. [c.125] Щукину и Ребиндеру [29] максимальное значение области локализации сдвига, необходимое для создания опасной трещины, приблизительно тех же размеров, что и величина опасной трещины, которая для сравнительно массивных частиц, как указывалось выше, порядка 10 — 10 А. [c.126] В массивных телах (X 1 ) заторможенные участки сдвига локализуются в малых областях вблизи препятствий и не распространяются на все сечение частицы. В тех же случаях, когда частицы малы (Х 1 ), область заторможенного сдвига охватывает все ее сечение. [c.126] При сжатии разрушение происходит по направлениям, где (Рр I I Тр ( рв/ /2. — разрушающее внешнее напряжение. [c.127] Необходимо заметить, что формулы (3. 6)—(3. 8) представляют собой критерий энергетической выгодности образования трещин. Реальная возможность их образования определяется в соответствии со статистической теорией твердого тела уровнем возникающих перенапряжений и числом одновременно возникающих сдвигов. В связи с этим в предельно напряженном образце образуется не одна, а множество трещин. [c.127] При X С уравнение (3. 12) переходит в уже известное выражение P 1 =fЪP. тJ [29]. Если же X мало, то С- кХ, где к — постоянная порядка единицы. [c.128] Из формул (3. 13)—(3. 15) видно, что с уменьшением размера частиц их прочность приближается к теоретической, а с увеличением — к прочности массивных образцов. [c.129] Формулы (3. 5)—(3. 16) получены в предположении отсутствия в образцах до приложения к ним напряжений каких-либо трещин. Фактически же в них содержатся структурные дефекты, число и степень опасности которых зависит от предыстории образцов. В случае измельчения это особенно существенно, поскольку каждая частица представляет собой осколок разрушенной частицы большей крупности и, следовательно, многократно подвергалась напряжениям, близким к предельным. Причем чем мельче частицы, тем большее, в среднем, число циклов разрушения они испытали. На этом основании можно полагать, что зависимость прочности от размера частиц фактически слабее, чем дается выражением (3. 15). При измельчении в активной среде для зависимости усталостной прочности металлических образцов от их размеров [29] можно ожидать либо неизменности, либо даже снижения прочности с ростом дисперсности твердых тел. К сожалению, механизм масштабного эффекта прочности, хотя и подвергается систематическому исследованию, все еще неясен. Более того, закономерности масштабного упрочнения из-за многочисленности факторов, на него влияющих, не установлены однозначно. [c.130] Влияние масштабного фактора при измельчении осложнено также и тем, что частицы в каждом акте соударения или сжатия подвергаются разрушению не в одиночку, а группами. Объем групп, вероятно, не зависит от размеров частиц, когда те становятся достаточно мелкими. Границы между однородными зернами вряд ли служат серьезными препятствиями распространению сдвига при сжатии группы, а вероятность нахождения опасного сдвига в одной из частиц группы не меньше, чем в сплошном теле того же объема. Все это делает учет масштабного фактора в теории измельчения, особенно принимая во внимание отсутствие каких-либо падежных прямых экспериментальных данных, крайне неоднозначным. [c.130] В связи С общим развитием техники приборостроения. Созданный Шёнертом и Румпфом [112] прибор позволил изучить процесс разрушения частиц размером от 2 мкм до 10 мм и в каждом случае измерить также зерновой состав продуктов разрушения частиц. В установке предусмотрена запись перемещения штока, осуществляемая посредством электромагнитной системы с разрешающей способностью 1/50 мкм. Усилие, передаваемое разрушаемой частице, при медленном нагружении измеряется по изменению тока точным потенциометром, а при быстром — электроннолучевым осциллографом. Образец помещается между двумя нлоско-параллельными сапфировыми пластинками, сквозь верхнюю из которых можно было наблюдать и фотографировать с помощью микроскопа процесс разрушения. [c.131] Осколки частиц собирали на нижней пластинке, а для предотвращения их разлета разрушаемая частица помещалась в каплю поды. Полученный таким путем препарат фотографировали. Для повышения точности измерения частицы разделяли в центробежном поле на фракции. По снимкам измеряли гранулометрический состав порошка и подсчитывали его удельную поверхность. Во избежание повторного разрушения осколков между сапфирами помещали имеющую кольцевой вырез пленку толщиной 0,5—0,0 диаметра частицы. Было специально [юказано, что прочность стеклянных шариков в воде и 30 влажном воздухе практически одинакова. [c.131] Величина прочности измерялась как отношение раз-Jyшaющeй силы к площади сечения частицы в плане. [c.131] В опытах учитывался холостой ход прибора и напряжения его частей. По диаграммам напряжение—дефор-ация были вычислены прочность и работа разрушения астиц различных размеров и формы, кроме специально зготовленных стеклянных шариков, а также были испы-шы частицы кварца, известняка, угля, клинкера и пор-ира. [c.131] Вернуться к основной статье