Теоретичні основи деформаційних процесів водних глинистих дисперсій

Процеси структуроутворення, що протікають у водних дисперсіях глин, залежать від природи глин. Типи й кількість глинистих мінералів, наявність у глині інших мінералів та їх властивості, концентрація твердої фази та її дисперсність, кількість і вид обмінних іонів сорбційного комплексу глинистої частки - саме ці фактори визначають особливості розвитку деформаційного процесу [2].

Чисельні дослідження механічних властивостей структур водних дисперсій глин показали, що процеси розвитку деформацій у часі ε = f(τ)при постійних напругах зсуву Р добре описуються рівнянням послідовно з’єднаних механічних моделей Максвела - Шведова - Кельвіна:

(3.1)

де e' – сумарна відносна деформація, що визначається як відношення абсолютної деформації зсуву ε до товщини шару керамічної маси, що деформується, a (або відстані між пластинками), тобто ; P – напруження зсуву, дин/см²; τ – час навантаження, с; η₂ – в'язкість пружної післядії, пз; – умовна статична границя текучості, дин/см²; η₁ – найбільша пластична в’язкість, пз.

З рівняння (3.1) видно, що в дисперсіях глин при навантаженні системи відбувається одночасний розвиток трьох видів деформацій, що розрізняються між собою за механізмом дії й тривалістю розвитку:

- швидкої еластичної; (3.2)

- повільної еластичної; (3.3)

- пластичної. (3.4)

Швидка еластична деформація завершується впродовж долі секунди і є зворотною [2]. Вона властива твердій фазі дисперсії й виникає внаслідок вигину та поворотів часточок глинистих мінералів відносно їх контактів.

Повільна еластична деформація також є зворотною, триває впродовж 3¸10 хві поступово загасає за логарифмічною кривою. Цей тип деформації характерний для просторової сітки, утвореної часточками, в якій наявні тонкі прошарки дисперсійного середовища. В даному випадку деформація є результатом ковзання часточок глини відносно одна одної. Вона відбувається без розриву міжмолекулярних зв’язків і тому не супроводжується руйнуванням структури.

Пластична деформація, незворотний розвиток якої визначається переходом через умовну статистичну границю текучості, являє собою текучість маси з одночасним руйнуванням і тиксотропним відновленням структури та збереженням рівноваги системи. У процесі пластичної деформації відбувається деяка зміна орієнтації глинистих часток, що обумовлена напрямком дії деформуючих систему сил [2].

Експериментальні дослідження деформаційних процесів глинистих дисперсій у подібних умовах (Р = 20∙10⁵ дин/см²; τ= 1000 с) показали, що за характером розвитку деформацій (швидкої еластичної, повільної еластичної та пластичної) можна визначити шість механічних типів структур керамічних мас (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Структурно-механічні типи керамічних мас на діаграмі та характер розвитку деформацій

Переважний розвиток швидких еластичних деформацій (0-й та 3-й структурно-механічні типи) вказує на погане формування керамічних мас. Таким керамічним масам властиве крихке руйнування структури.

Маси, що відносяться до 1-го і, особливо, до 2-го структурно-механічних типів відрізняються переважним розвитком повільних еластичних деформацій. Вони добре формуються і утворюють вироби без дефектів. Це пояснюється тим, що маса піддається дії формуючого органу протягом 5¸7 с. Впродовж цього часу відбувається розвиток повільних еластичних деформацій, здатних компенсувати виникаючі під час формування короткочасні напруги без порушень суцільності відформованого напівфабрикату.

Відмінністю 4-го й 5-го типів структур є значний розвиток пластичних деформацій. Такі маси легко деформуються і проявляють схильність до пластичного руйнування.

Кількісну оцінку деформаційного процесу дають константи моделей Максвелла - Шведова - Кельвіна (3.1):

· модуль пружності Е₁ (дин/см²), що відповідає швидкій еластичній деформації (умовно миттєвий модуль):

;(3.5)

· модуль пружності Е₂, що відповідає повільній еластичній деформації (еластичний модуль):

; (3.6)

· рівноважний модуль, що відповідає повному розвитку еластичної деформації:

. (3.7)

При цьому зберігається рівність

.(3.8)

Для визначення оптимальних умов пластичного формування за результатами експериментальних досліджень визначають також наступні характеристики керамічної маси:

· найменшу пластичну в’язкість (бінгамівську):

; (3.9)

· найбільшу пластичну в’язкість (шведівську):

, (3.10)

де P – напруження зсуву, дин/см²; – умовна статична границя текучості, дин/см²; – умовна динамічна границя текучості, дин/см²; – градієнт швидкості розвитку пластичної деформації, с^–1.

У деяких випадках виникає також необхідність визначення найбільшої граничної ньютонівської в’язкості η₀ (характерна для практично незруйнованої структури), найменшої постійної в’язкості η_m (характерна для практично зруйнованої структури), ефективної структурної в’язкості η та в’язкості пружної післядії η₂. Втім це вимагає спеціального обладнання, що обумовило недостатню для структурного аналізу керамічних мас кількість емпіричних досліджень. Відомо лише, що з ростом напруги зсуву η₀> η > η_m [2].

На практиці в більшості випадків достатнім є визначення основних структурно-механічних властивостей керамічних мас, якими є:

· еластичність ; (3.11)

· пластичність, с^–1, ; (3.12)

· період дійсної релаксації, с, ; (3.13)

· період пружної післядії, с, ; (3.14)

· умовна потужність деформації для секундного об’єму маси (3.15)

Величини цих характеристик є критеріями якості керамічних мас, за якими визначають їх придатність до пластичного формування.

На підставі аналізу деформаційних характеристик (3.2)–(3.4) і зазначених структурно-механічних властивостей (3.11)–(3.14) можна здійснювати регулювання формувальних властивостей керамічних мас шляхом варіювання їх шихтового складу, введення добавок або використання спеціальних прийомів механічної обробки [2].

Мета лабораторної роботи – отримання студентами практичних навичок з визначення деформаційних характеристик та структурно-механічних типів керамічних мас за допомогою пластометра Д. М. Толстого.

Обладнання та матеріали: сито з сіткою № 05, фарфорова ступка, ваги, мірний циліндр з водою, глина, керамічна маса, ексикатор, лабораторні чашки, вазелін, поліетиленова плівка, шпатель або ніж, пластометр Д. М. Толстого, індикатор або датчик пересування ИЧ-10 або діодний механотрон 6МХ5С з записуючим пристроєм, мікрометр, секундомір.

Поиск по сайту: