Влияние начальной формы частиц порошка на структуру и свойства взрывных компактов

Влияние начальной формы частиц порошка на структуру и свойства взрывных компактов

Я.Л. Лукьянов, В.В. Пай, О.Л. Первухина, И.В. Яковлев, Г.Е. Кузьмин

Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск 630090, Россия

Исследовались взрывные компакты из медных порошков, существенно отличающихся по форме частиц. Показано, что относительное изменение удельной поверхности для всех порошков при одинаковых условиях компактирования практически одинаково, что свидетельствует о локальном подобии процесса деформации поверхностей частиц разной формы. С увеличением относительного изменения удельной поверхности электрическая проводимость порошков возрастает, что хорошо коррелирует с результатами исследования поверхностей разрушения. Компакты из порошка с дендритной формой частиц имеют более высокую электропроводность по сравнению с компактами из частиц сферической формы. Это связывается с большим количеством ювенильных поверхностей, возникающих при пластическом соскальзывании макроскопических объемов частиц по большеугловым границам деформационного происхождения, в порошках с частицами неправильной формы.

Influence of the initial form of powder particles on structure and properties of explosive compacts

Ya.L. Lukyanov, V.V. Pai, O.L. Pervukhina, I.V. Yakovlev, and G.E. Kuzmin

Explosive compacts from copper powders essentially different in the form of particles were investigated. It is shown that relative change of a specific surface under identical conditions of compaction is practically identical to all powders. This testifies local similarity of deformation process of surfaces of particles with different form. With increase in relative change of a specific surface electric conductivity of powders grows, that well correlates with results of research of destruction surfaces. Compacts from a powder with dendritical form of particles have higher conductivity in comparison with compacts of spherical particles. It is accounted by greater amount of juvenile surfaces arising in powders with irregular-shaped particles at plastic slide of macroscopical volumes of particles on strain-induced highangle boundaries.

Процесс динамического компактирования порошкового материала сопровождается интенсивной пластической деформацией частиц. При этом происходит разрушение поверхностных оксидных пленок, появление новых ювенильных поверхностей, их активация и, в конечном счете, образование прочной металлической связи между частицами. Величина обновленной поверхности определяется как параметрами динамического нагружения, так и параметрами исходного порошкового материала, такими как начальная пористость, размер частиц и их форма. Одной из характеристик формы частиц является удельная поверхность — отношение площади поверхности частиц к их объему Для изучения влияния формы частиц порошка на образование связи при динамическом ком-пактировании порошков проводились измерения удельной поверхности исходных порошков и полученных компактов, исследование их структуры на растровом

электронном микроскопе и измерения объемной электрической проводимости.

В экспериментах использовались медные порошки трех типов. Порошок I типа представлял собой гранулы строго сферической формы размером 75-100 мкм. Порошок II типа имел дендритную форму и калиброванный размер частиц 100 мкм. В качестве порошка III типа использовался порошок ПМСА с размерами частиц от нескольких мкм до 100 мкм. Все порошки предварительно восстанавливались в водороде при 500 °С в течение 1 часа.

Применялись две схемы взрывного компактирова-ния (рис. 1). Первая представляла собой стандартную осесимметричную схему без центрального стержня. Исходные порошки подпрессовывались гидравлическим прессом до плотности, равной 70 % плотности монолитной меди. Компактирование происходило за счет

© Лукьянов Я.Л., Пай В.В., Первухина О.Л., Яковлев И.В., Кузьмин Г.Е., 2004

Рис. 1. Схемы взрывного компактирования: а — осесимметричная, б—плоская: детонатор

действия продуктов детонации заряда взрывчатого вещества, который представлял собой смесь аммонита 6ЖВ и поваренной соли 1:1 по массе. Скорость детонации измерялась электроконтактным методом и составляла 2760 м/с. Выбранный режим нагружения позволяет получить компакт без особенности вдоль оси симметрии, связанной с нерегулярным отражением ударных волн. Во второй схеме ударник, представляющий собой стальную пластину толщиной 2 мм, метался под действием продуктов детонации взрывчатого вещества в режиме косого соударения на поверхность контейнера с порошком. В данной схеме можно сохранить однородный компакт при больших значениях ударных давлений по сравнению с осесимметричной схемой. Здесь начальная плотность всех порошков была равна насыпной плотности порошка I и составляла 56 % плотности монолитной меди.

После взрывного нагружения образцы отжигались при температуре 350 °С в течение 1 ч, а затем компакты извлекались из контейнеров. Границы изломов компактов исследовалась с помощью сканирующего электронного микроскопа LEO-420. Проводились измерения объемной электрической проводимости компактов методом токов Фуко [1]. Для этого из компактов вырезались диски диаметром 10 и толщиной 1 мм. Также измерялись удельные поверхности исходных порошков и

компактов стереологическим методом [2]. Результаты представлены в таблице 1, где £исх — удельная поверхность исходных порошков; £ — удельная поверхность компактов; с/с Си — отношение объемной электрической проводимости компакта и монолитной меди. Так как образец из порошка I, скомпактированный по осесимметричной схеме, разрушился при обработке, в таблице отсутствует значение его проводимости.

Из таблицы видно, что относительное изменение удельной поверхности для всех порошков при одинаковых условиях компактирования практически одинаково, что свидетельствует о локальном подобии процесса деформации поверхностей частиц разной формы.

Фрактограммы компактов, полученных по плоской схеме (рис. 2, а-в) демонстрируют наличие в местах схватывания трансгранульного излома с вязким характером разрушения. Сравнение данных фрактограмм наглядно свидетельствует об изменении доли трансгранульного излома при изменении исходной формы частиц компактируемого порошка. Структура поверхностей разрушения хорошо коррелирует с результатами измерения объемной электрической проводимости компактов для каждого типа порошков (см. табл. 1). С увеличением относительного изменения удельной поверхности электрическая проводимость порошков и объем доли трансгранульного разрушения возрастает. В част-

Таблица 1

Тип порошка ^исх» Vм с _ с с °исх -100% с °исх

I 7.2 • 104 8.7 17.7 - 0.74

II 9.2 • 104 7.1 13.4 0.34 0.72

Ш 2.7 • 105 12.5 19.8 0.62 0.82

Рис. 2. Фрактограммы образцов, полученных при плоской

ности, для порошка II при изменении удельной поверхности, равном 7.1 % (осесимметричная схема), электропроводность составила 0.34 от проводимости монолита, а при изменении удельной поверхности на 13.4 % (плоская схема) — 0.72.

Следует подчеркнуть, что высокая проводимость компакта III может быть связана с особенностями струк-турообразования в процессе компактирования. При этом наличие большого числа мелких пор и разветвленная форма поверхности частиц способствуют созданию сдвиговых неустойчивостей в объеме, при которых по большеугловым границам деформационного происхождения может осуществляться пластическое соскальзывание одних макроскопических объемов частиц относительно других. В этом случае возникают дополнительные ювенильные поверхности, и при их объемном

(г-е) схемах компактирования для порошка I (а, г); II (б, д);

взаимодействии в процессе совместной пластической деформации частиц происходит увеличение количества связей. При увеличении же размеров частиц дендритной формы (компакт II) при тех же режимах компактирова-ния затрудняется соскальзывание макроскопических объемов вследствие их увеличения. Так как для сферических частиц энергия, выделяемая в процессе нагружения, распределяется на меньшую поверхность по сравнению с частицами дендритной формы, то макроскопические включения в виде фрагментов окисных пленок в компакте из порошка с частицами сферической формы имеют меньшие размеры, чем в компакте из порошка с частицами неправильной формы. Однако за счет реализации механизма соскальзывания макроскопических объемов количество ювенильных поверхностей в компактах из порошков II и III может быть больше,

Рис. 3. Схема экспериментальной сборки: исследуемый порошок

чем в образцах из порошка со сферической формой частиц.

Данный вывод подтверждают результаты исследования образцов, полученных при компактировании по осесимметричной схеме. При используемом режиме нагружения элементы фракции претерпели меньшую деформацию по сравнению с компактированием по плоской схеме, что выразилось в снижении качества связи и проводимости компактов (см. табл. 1). Однако и в этом случае образцы III показали лучшие результаты по измерениям электропроводности (с/ с ^ = 0.62) и по сравнению с компактами I и II. На фрактограммах видно, что размеры фрагментов, очерченные границами разрушения (рис. 2, е), соизмеримы и даже превышают размер частиц исходных порошков I и II (рис. 2, г, д). Это свидетельствует об образовании конгломератов, появление которых, вероятнее всего, также обусловлено созданием ювенильных поверхностей при соскальзывании одних макроскопических объемов частицы относительно других в процессе компактирования. Действием этого механизма объясняется факт отсутствия связи в компакте I при большем изменении удельной поверхности по сравнению с компактом II (8.7 и 7.1 % соответственно).

С целью выявления зависимости ширины фронты ударной волны от формы частиц порошка проводились эксперименты по измерению скорости компрессии магнитного поля в исследуемых порошках [3]. В работе [4] показано, что эта величина зависит как от ширины фронта ударной волны, так и от электропроводности за ее фронтом. Схема экспериментов представлена на рис. 3.

Для порошков сферической формы скорость компрессии магнитного поля увеличивается и приближается к значению массовой скорости за фронтом ударной волны с уменьшением размера частиц порошка. Для по-

рошков II и III эта величина оказалась практически равной массовой скорости. Анализ результатов этих экспериментов и экспериментов по измерению проводимости компактов показал, что несмотря на то, что компакты I и II, полученные в плоской схеме, показали одинаковую проводимость, структура фронта ударной волны в них существенно различается. Причем ширина фронта в порошках II и III определяется не размером частиц, а характерным размером структурных элементов, которые на порядок меньше размеров частиц.

Выводы

1. Относительное изменение удельной поверхности для всех порошков при одинаковых условиях компактирования практически одинаково, что свидетельствует о локальном подобии процесса деформации поверхностей частиц разной формы.

2. Результаты измерений электрической проводимости компактов соответствуют характеру поверхности разрушения. С увеличением относительного изменения удельной поверхности электрическая проводимость порошков и объемная доля вязкого разрушения возрастают.

3. Установлено, что для получения прочного компакта при компактировании взрывом использование порошка с частицами дендритной формы более предпочтительно, чем порошка сферической формы, так как разветвленная форма поверхности частиц способствует созданию сдвиговых неустойчивостей в объеме, и увеличению количества ювенильных поверхностей при пластическом соскальзывании макроскопических объемов частиц по большеугловым границам деформационного происхождения.

4. Ширина фронта ударной волны в порошках с частицами дендритной формы определяется размером структурного элемента частицы в отличие от порошка со сферическими частицами.

Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ № 03-01-00831).

Литература

1. Кузьмин Г.Е., Пай В.В., Яковлев И.В. Экспериментально-аналитические методы в задачах динамического нагружения материалов. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. - 311 с.

2. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970. - 375 с.

3. Лукьянов Я.Л., Пай В.В., Яковлев И.В., Кузьмин Г.Е., Злобин С.Б. Возмущение магнитного поля ударно-индуцированной волной проводимости при взрывном компактировании металлической порошковой среды // Труды Всероссийской конференции «Процессы горения и взрыва в физико-химии и технологии неорганических материалов», Москва, 24-27 июня 2002 г. - С. 230-233.

4. Пай В.В., Лукьянов Я.Л., Яковлев И.В., Кузьмин Г.Е. Изменение магнитного поля в металлической порошковой среде при ее взрывном компактировании // ФГВ. - 2000. - Т. 36. - № 6. - С. 164170.