Технические науки/1. Металлургия

К.т.н. Денисенко А.И., Балакин А.А.

Национальная металлургическая академия Украины

О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ДИССИПАТИВНЫХ СТРУКТУР НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛЕНТЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ДВУХФАЗНОЙ СТРУИ

При воздействии двухфазного потока с микрочастицами на тонкую металлическую ленту экспериментально наблюдалось формирование диссипативных структур, имеющих разную конфигурацию в зависимости от кинетических и энергетических характеристик воздействия [1].

Известно [2], что в открытых системах, постоянно обменивающихся с окружающей средой энергией и веществом, для состояний, далеких от равновесия, возникают эффекты согласования, когда частицы как бы устанавливают связь друг с другом на макроскопических расстояниях, через макроскопические интервалы времени. В результате согласованного взаимодействия подсистем происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса определенных структур, их преобразования и усложнения. В качестве примера такого рода структуры могут быть приведены гексагональные ячейки Бенара, играющие исключительную роль в неравновесной термодинамике, поскольку в этом явлении отчетливо проявляются все основные черты термодинамики необратимых процессов [2].

Для разработки методов управления структурообразованием металлокомпозитного электрода, формируемого инжекцией в его приповерхностный слой микрочастиц оксидов металлов двухфазной струей, представляется перспективным анализ механизма структурообразования при кинетических фазовых переходах, сопровождающих энергетическое воздействие двухфазной струи на движущуюся металлическую ленту. Среди экспериментально наблюдавшихся диссипативных структур нами выделена для анализа механизма образования структура, также содержащая гексагональные ячейки (см. Рис. 1).

а б

Рис. 1. Диссипативная складчатая структура, сформированная на движущейся металлической ленте воздействием двухфазной струи (а – лента после воздействия, б – направления (по стрелкам) развития складок (область воздействия двухфазного потока представлена размытой линией внизу).

Рассматриваемая структура (Рис. 1а) сформирована протяжкой с постоянной скоростью металлической (алюминиевой) ленты через прямоугольную область воздействия на ее поверхность двухфазной струей. Визуально наблюдались гладкая поверхность ленты вплоть до входной границы области воздействия, а также полностью сформировавшийся рельеф ленты на линии выхода из этой области. С учетом того, что на Рис. 1б соблюдены размерные пропорции ширины полосы воздействия на ленту двухфазной струей (размытая линия) и гексагональных ячеек, сформированных в результате этого воздействия, отметим, что средний размер гексагональных ячеек почти на порядок величины превышает размер области воздействия двухфазной струи в направлении перемещения ленты.

Вследствие того, что на линии выхода ленты из области воздействия двухфазной струи наблюдается уже сформировавшийся рельеф (в сечении плоскостью, пересекающей под прямым углом ленту по упомянутой линии), все необходимое для функционирования “эффектов согласования, когда частицы как бы устанавливают связь друг с другом на макроскопических расстояниях через макроскопические интервалы времени”, должно быть локализовано в пределах фрагмента ленты в области воздействия и в воздействующей двухфазной струе. Кроме того, в пределах плоскости фрагмента ленты в области воздействия должен функционировать механизм двумерной транспортировки фактора, ответственного в конечном счете за крупномасштабное двумерное структурообразование ленты на линии выхода из этой области.

Известно [2], что “возникновение макроскопических структур обусловлено рождением коллективных типов движения (мод) под действием крупномасштабных флуктуаций, их конкуренцией, отбором наиболее приспособленных мод, т.е. в конечном счете спонтанное возникновение структур в неупорядоченных системах связано с совместным коллективным поведением подсистем, образующих систему”.

Выделим в анализируемом процессе в качестве взаимодействующих две подсистемы: подсистему микрочастиц дисперсной фазы двухфазной струи, формирующих поток ударов, в первом приближении равномерно распределенных во времени и по площади ленты в пределах области воздействия, а также подсистему импульсно деформирующихся при ударах одиночными частицами фрагментов поверхности ленты. В качестве наиболее характерных и определяющих структурных элементов складчатого рельефа, составляющего рассматриваемую диссипативную структуру (см. Рис. 1.), выберем: первый – складку не меняющую или плавно меняющую направление при удлинении; второй – объединение двух встречающихся под углом складок в одну, удлиняющуюсяся вдоль ленты; третий – разделение складки, удлиняющейся вдоль ленты, на две складки, расходящиеся под углом.

Искомый механизм образования диссипативных структур на металлической ленте под воздействием двухфазной струи можно считать сформированным на качественном уровне, если будет выявлена специфика различий формирования всех трех структурных элементов складчатого рельефа выаимодействием выделенных подсистем.

Отметим, что складчатость под воздействием двухфазной струи формируется вследствие присущих материалу ленты (алюминию) ковкости, тягучести и упругости. Фрагменты поверхности ленты, локализованные на склонах формирующихся в пределах двухфазной струи складок, в отличие от фрагментов плоской части ленты, взаимодействуют с частицами, подлетающими к ним, под углами, отличающимися от 90^о. Изменение угла встречи частицы с преградой приводит к изменению результата ударного взаимодействия [3], вследствие чего воздействие двухфазной струи на склоны складок менее интенсивно, чем на плоскую ленту вблизи них.

Естественно предположить необходимость существования и динамического поддержания вблизи линии выхода ленты из области воздействия двухфазной струи некоторой локализованной в области воздействия объемной структуры, пространственно согласующей сечение складки, наблюдаемой за пределами зоны воздействия, с плоской частью ленты. В качестве иллюстрации на Рис. 2 приведена фотография сформированной при отключении двухфазной струи области перехода от двух складок к плоской поверхности ленты.

К воспроизводству, объединению и расщеплению такого рода простанственных структур, происходящим в пределах зоны воздействия двухфазной струи на движущуюся ленту, сводима специфика упомянутых ранее различий формирования соответственно первого, второго и третьего структурных элементов складчатого рельефа.

Рис. 2. Фрагмент ленты с областью перехода от складчатого рельефа к плоскому в направлении развития складок (сверху вниз).

Динамического взаимодействия выбранных подсистем с учетом особенностей ударов высокоскоростных частиц под углом к поверхности преграды [3] в областях формирующейся складчатости ленты оказывается достаточно для объяснения на качественном уровне механизма образования в пределах зоны воздействия двухфазной струи на движущуюся ленту основных структурных элементов диссипативной структуры, представленной на Рис. 1.

Литература

1. Денисенко А.И. К формированию диссипативных структур энергетическим воздействием двухфазной струи на металлическую ленту // Материалы Международной научно-практической конференции "“Новости научной мысли – ‘2007”. – Технические науки. – www.rusnauka.com/Page_ru.htm

2. Белонучкин В.Е., Заикин Д.А., Ципенюк Ю.М. Основы физики. Курс общей физики: Учебн. в 2 т. – Т. 2. Квантовая и статистическая физика / Под ред. Ю.М. Ципенюка. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 504 с.

3. Мержиевский Л.А., Уруткин В.П. Особенности взаимодействия высокоскоростных частиц с экраном при ударе под углом // Физика горения и взрыва. – 1980. – № 5. – С. 81-87.