高壓處理殘余應(yīng)力

高壓處理剩余應(yīng)力高溫高壓物理實(shí)驗(yàn)室王永照1.高壓制備熱電材料的進(jìn)展近年來，許多研究工作者利用高溫高壓技術(shù)處理超導(dǎo)體材料方面的研究結(jié)果說明：高溫高壓技術(shù)不僅能夠合成功能材料，同時(shí)它還是改善材料性質(zhì)的一個(gè)有效手段。熱電材料的制備多限于常壓下的高溫?zé)Y(jié)或其它氣相沉積等方法，而用高壓手段制備熱電材料，并研究其熱電性質(zhì)隨合成壓力的變化關(guān)系是一個(gè)新興的課題吉林大學(xué)的朱品文等人以高溫高壓為手段，成功地合成出了PbTe，對(duì)合成樣品的X射線測(cè)試結(jié)果顯示：其樣品具有NaCI結(jié)構(gòu)的多晶，并且其取向隨著合成壓力的升高發(fā)生變化；掃描電鏡分析結(jié)果顯示：其晶粒有明顯的取向。該樣品的電阻率比常壓樣品低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，并隨合成壓力的升高而降低，熱導(dǎo)率也同時(shí)低于常壓合成的PbTe樣品，說明高壓合成方法是改善材料性能的重要手段。針對(duì)傳統(tǒng)燒結(jié)工藝燒結(jié)溫度高、保溫時(shí)間較長(zhǎng)等導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大的缺乏，采用高壓燒結(jié)方法進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)。燒結(jié)時(shí)的壓力從傳統(tǒng)方法的100MPa左右，提高到1-6GPa，同時(shí)，燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間大幅度降低。從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到：在大多數(shù)情況下，燒結(jié)完成后，燒結(jié)產(chǎn)物發(fā)生了破碎或出現(xiàn)明顯的裂紋，很難得到完好的方鉆礦塊體。高壓燒結(jié)方鉆礦的裂紋問題成為進(jìn)一步研究高壓燒結(jié)方鈷礦方法的關(guān)鍵問題2.燒結(jié)的模型化理論對(duì)燒結(jié)過程模型化，即把燒結(jié)過程分解為一系列依次進(jìn)行的燒結(jié)階段，盡管在實(shí)際燒結(jié)過程中這些接管有時(shí)互相重疊。燒結(jié)過程一般可以被分解為下述7個(gè)階段：1．顆粒之間形成接觸；2．燒結(jié)頸長(zhǎng)大(頸長(zhǎng))；3．連通孔洞閉合；4．孔洞圓化；5．孔洞收縮和致密話；6．孔洞粗化；7．晶粒長(zhǎng)大。一般也有燒結(jié)初期、燒結(jié)中期和燒結(jié)后期的說法。燒結(jié)初期指的是顆粒之間形成接觸和燒結(jié)頸長(zhǎng)大階段；燒結(jié)中期包括了連通孔洞閉合、孔洞圓滑和孔洞收縮與致密化階段；燒結(jié)后期是指孔洞粗化和晶粒長(zhǎng)大階段。如圖1．2：由于粉末生產(chǎn)的方法不同，實(shí)際粉末的形狀是多樣的。在理論研究中，顆粒常常被認(rèn)為是球形，這是一種模型化。最簡(jiǎn)單的顆粒接觸模型球。球，球．板，線．線模型。這種顆粒形狀與接觸的極為簡(jiǎn)單的幾何抽象，脫離了復(fù)雜的實(shí)際情況，但卻為揭示燒結(jié)過程的物理本質(zhì)，進(jìn)行第一層面的燒結(jié)理論的研究開辟了道路。燒結(jié)定量理論的研究是從單元模型(球．球)開始的，如圖1．3，F(xiàn)renkel(1945)第一次把復(fù)雜的顆粒系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩球模型，研究了晶體顆粒的粘性流動(dòng)，導(dǎo)出了燒結(jié)頸長(zhǎng)大速率的動(dòng)力學(xué)方程。隨后，不斷有人研究這一方面的燒結(jié)問題。3.燒結(jié)中的彈性后效現(xiàn)象與剩余應(yīng)力彈性后效是粉末冶金中的現(xiàn)象【391，金屬粉末在坯體溫壓燒結(jié)成型過程中，顆粒之間發(fā)生彈性變形和塑性變形，以及機(jī)械咬合等物理現(xiàn)象。在成型壓力去掉后和脫模時(shí)，坯體釋放應(yīng)力能而膨脹，產(chǎn)生彈性后效。壓坯的彈性后效并非是自由的，而是要受到粉末顆粒之間接觸區(qū)域結(jié)合強(qiáng)度的限制。彈性后效持續(xù)的時(shí)間可能很長(zhǎng)。粉末的特性、成型的壓力、成型劑等因素決定彈性后效的大小。彈性后效會(huì)引起相應(yīng)的剩余應(yīng)力，嚴(yán)重者使坯體分層和產(chǎn)生裂紋，這種缺陷對(duì)燒結(jié)體均勻顯微結(jié)構(gòu)的形成產(chǎn)生持續(xù)的不利的影響。已見有關(guān)燒結(jié)剩余應(yīng)力以及彈性后效的報(bào)道多為實(shí)驗(yàn)方面的研究，有關(guān)其理論的研究很少。3.高壓燒結(jié)中的剩余應(yīng)力在高壓燒結(jié)方鈷礦的實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)燒結(jié)產(chǎn)物均存在明顯的裂紋或發(fā)生破裂，初步分析認(rèn)為是由于燒結(jié)產(chǎn)物的彈性后效引起的。在高壓燒結(jié)過程中，方鈷礦粉體顆粒在高壓狀態(tài)下燒結(jié)而形成塊體材料，顆粒之間發(fā)生接觸、形等物理現(xiàn)象，同時(shí)晶粒生長(zhǎng)結(jié)合，當(dāng)撤去外加壓力并降溫時(shí)，燒結(jié)物應(yīng)變能釋放并膨脹，產(chǎn)生彈性后效，由于粉末之間接觸區(qū)域結(jié)合強(qiáng)度的限制，產(chǎn)物內(nèi)產(chǎn)生剩余應(yīng)力，從而過高的剩余應(yīng)力和較低的結(jié)合強(qiáng)度將引起材料發(fā)生破壞。3.1高壓燒結(jié)剩余應(yīng)力模型的建立顆粒的燒結(jié)過程是多因素(溫度、壓力、氣氛、粉末性質(zhì)等)影響下的化學(xué)、物理、物理冶金和物理化學(xué)程，由于因素的復(fù)雜性，關(guān)于燒結(jié)理論的研究，還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的燒結(jié)理論，往往多為定性的解釋。單元模(球．球模型)是燒結(jié)定量理論研究的開始，顆粒燒結(jié)的模型被簡(jiǎn)化為兩球燒結(jié)模型。兩球接觸部位稱為燒結(jié)頸，以及燒結(jié)頸的擴(kuò)展、拓寬和生長(zhǎng)，以及兩球心距離的縮短表示燒結(jié)過程的進(jìn)行。本文在球-球模型的根底上，將高壓燒結(jié)熱電材料中的粉體顆粒燒結(jié)過程初步簡(jiǎn)化為以下的模型：兩個(gè)同等大小、材料屬性相同的圓球在集中力荷載的作用下接觸，接觸區(qū)域由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，如圖3．1中a、b所示，模擬加壓過程；保持集中力不變，升溫，接觸面燒結(jié)在一起，如圖3．1中c，模擬保壓升溫?zé)Y(jié)過程；撤掉集中力，降溫，如圖3．1中d，模擬卸壓降溫、脫模過程。為了減少影響因素，沒有考慮顆粒之間的摩擦和其他作用，對(duì)于溫度的影響，也只認(rèn)為其引發(fā)燒結(jié)，而暫未考慮其對(duì)球體變形和其他的影響本文在球-球模型的根底上，將高壓燒結(jié)熱電材料中的粉體顆粒燒結(jié)過程初步簡(jiǎn)化為以下的模型：兩個(gè)同等大小、材料屬性相同的圓球在集中力荷載的作用下接觸，接觸區(qū)域由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，如圖3．1中a、b所示，模擬加壓過程；保持集中力不變，升溫，接觸面燒結(jié)在一起，如圖3．1中c，模擬保壓升溫?zé)Y(jié)過程；撤掉集中力，降溫，如圖3．1中d，模擬卸壓降溫、脫模過程。為了減少影響因素，沒有考慮顆粒之間的摩擦和其他作用，對(duì)于溫度的影響，也只認(rèn)為其引發(fā)燒結(jié)，而暫未考慮其對(duì)球體變形和其他的影響。由于燒結(jié)塊體在六個(gè)面上分別受到相同大小的壓力的作用，顆粒堆積情況非常復(fù)雜，本文模型假設(shè)的集中力與對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)真實(shí)燒結(jié)壓力的關(guān)系也非常復(fù)雜，所以本文在模型的集中力與燒結(jié)壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系上，也做了一定的簡(jiǎn)化：將燒結(jié)顆粒做整齊排列，并只考慮單軸上的壓力，從而得到燒結(jié)壓力90和集中力P之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：P=4R2吼，R為顆粒的半徑。3.2模型的理論值對(duì)于上節(jié)提出的高壓燒結(jié)剩余應(yīng)力的力學(xué)模型，該模型的兩球在沒有燒結(jié)結(jié)前即赫茲球球接觸問趔431，可以得到此時(shí)兩球接觸處的接觸壓力分布，稱之為第一步；燒結(jié)卸壓后兩球接觸處接觸壓力的求解，稱之為第二步。求得此時(shí)的接觸壓力分布，根據(jù)布希涅斯克解答，即可求得此時(shí)球體內(nèi)剩余應(yīng)力的分布。在第二步的求解中，將借助赫茲接觸的求解思想和希賴什爾問題的解。兩個(gè)彈性體都是圓球體，其半徑分別為R和恐，如圖3-3。當(dāng)沒有壓力作用時(shí)，兩球體僅在一點(diǎn)D接觸。設(shè)兩球體外表上距公共法線為，的M點(diǎn)和鴆點(diǎn)，它們距公共切面的距離分別為Z1和z，那么由幾何關(guān)系有當(dāng)兩球體以某一力P相壓時(shí)，在接觸點(diǎn)附近將發(fā)生局部形變而出現(xiàn)一個(gè)邊界為圓形的接觸面。由于接觸面的邊界半徑總是遠(yuǎn)小于足和足，故可以用關(guān)于半空間體的成果來分析此種局部形變。命M沿zl方向的位移及腹沿z：方向的位移分別為w和％，并命zI軸上及乞軸上“距O較遠(yuǎn)處’’的兩點(diǎn)相互趨近的距離為口，那么M和M：之間距離的縮短為a-(w。+w2)。這里所謂“距D較遠(yuǎn)處"，是指該處的形變已經(jīng)可以略去不計(jì)。假定在發(fā)生局部形變以后，M和M，成為接觸面上的同一點(diǎn)M，那么由幾何關(guān)系有剩余應(yīng)力模型理論值兩球接觸處燒結(jié)并撤掉壓力后，由于兩球完全相等，根據(jù)對(duì)稱原理，撤壓后的兩球之間接觸面仍為原圓接觸面，并只存在法向接觸壓力，兩球在接觸處的豎向位移仍應(yīng)滿足相同形式的方程式：從力學(xué)意義上分析，暫不考慮上球，暴露赫茲接觸接觸壓力，而在下球接觸處疊加上希賴什爾接觸壓力大小相等，方向相反的拉力，此時(shí)下球接觸處的受力狀態(tài)正好為燒結(jié)卸壓后的狀態(tài)。此時(shí)接觸面上點(diǎn)豎直位移為常數(shù)口一口’，方向指向球心。如圖3．7。上球同理。3.3有限元驗(yàn)證本章針對(duì)上一章描述的高壓燒結(jié)方鈷礦材料實(shí)驗(yàn)燒結(jié)產(chǎn)物發(fā)生破裂或存在明顯裂紋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)燒結(jié)過程的彈性后效力學(xué)原理和兩球燒結(jié)模型的模型化思想，對(duì)高壓燒結(jié)剩余應(yīng)力進(jìn)行了初步的研究：1．建立了一個(gè)計(jì)算高壓燒結(jié)剩余應(yīng)力的簡(jiǎn)化力學(xué)模型。在該模型中，燒結(jié)顆粒被簡(jiǎn)化為兩個(gè)同等大小的圓球，在集中力荷載下發(fā)生接觸變形，然后在一定的溫度下