Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

141

компьютера трехмерных составляющих вектора индукции магнитного поля

в зависимости от времени в режиме in situ, а также дальнейшей математиче-

ской обработки полученной информации, например, с помощью широко рас-

пространенной программы MathCAD. Диапазон регистрируемых квазистати-

ческих и динамических магнитных полей 0,01 мТл – 2 Тл. (Диапазон выби-

рался из условий регистрации магнитных полей при взрыве взрывчатки, мас-

сой до 2 кг.) Следует отметить, что под другие задачи этот диапазон легко

может быть, как на порядок расширен, так и на порядок сужен.

Комплекс может быть оснащен комплектом сменных датчиков, позво-

ляющих регистрировать электрические составляющие электромагнитного из-

лучения при взрыве и одновременно такую характеристику плазмы, как зон-

довый ток. В этом

случае по пути распространения движущейся турбулентной

плазмы можно располагать зонды, подключенные к постоянному источнику

напряжения для контроля за временными характеристиками тока плазмы.

Так как число одновременно регистрируемых во времени независимых

процессов ограничено числом каналов, т.е. не более 4, то вместо датчиков

Холла можно использовать другие взаимозаменяемые датчики с ГСП выход-

ным сигналом. В качестве первичных датчиков электрических составляющих

(t), E

(t)

электромагнитного излучения могут быть использованы

микрокатушки, размещенные таким образом, чтобы их оси были взаимно-

перпендикулярны, что является стандартным методом измерений. На рис. 2

представлена структурная схема магнитометрического комплекса.

Состав прибора (единичная продукция):

Блок первичных преобразователей Холла (по 3 шт.), размещенных в

трех взаимно перпендикулярных плоскостях X,Y,Z в герметичном немагнит-

ном микрокорпусе.

Блок сменных первичных преобразователей (по 3 шт.) для измерения

электрических составляющих электромагнитного излучения – 2 компл.

Блок усиления выходных сигналов первичных преобразователей двух-

каскадных широкополосных усилителя – 1 компл.

Аккумуляторный отсек блока питания – 1шт.

Блок измерения зондового тока плазмы

– 1 шт.

Жгут проводов соединительных, длиной 50 метров – 1 шт.

Разветвительная коробка – 1 шт.

Блок коммутации – 1 шт.

Высокоэнергетическая обработка материалов

142

Блок питания и зарядки аккумуляторов (~220 В, 50 Гц; 12 аккумулято-

ров Varta-AA 1.2 V-1400 mA/h) – 1шт.

Системный блок компьютера – 1 шт.

Плата АЦП – АDC10М/12 (внутренняя по отношению к компьютеру).

2 синхронных канала, время преобразования 40 нс; ОЗУ – 64 К слов на

канал, входной диапазон ± 2В; 4 линии цифрового (ТТЛ) ввода /вывода;

внешняя/внутренняя синхронизация; прерывание; 12 разрядов – 2 шт.

Соединительные провода высокочастотные

, 50 ОМ (АЦП – разветви-

тельная коробка – 8 шт.

Монитор – 1 шт.

Блок внешней синхронизации: для запуска платы АЦП – 2 шт.

Рабочая программа верхнего уровня – 2 шт.

Программа нижнего уровня – 1 шт.

Рис. 2. Структурная схема регистрирующего комплекса: 1 – блок пер-

вичных преобразователей (датчиков) Холла в количестве трех штук, 2 – блок

усиления выходных сигналов, содержащий четыре двухкаскадных широко-

полосных усилителя, 3 – аккумуляторный блок питания, 4 – разветвительная

коробка, 5 – блок коммутации, 6 – системный блок с платами АЦП, 7 – мони-

тор, 8 – мышка, 9 – клавиатура, 10 – блок питания, 11 – провода, 12 – контакт

запуска программы измерений

Высокоэнергетическая обработка материалов

143

В приборе можно выделить три части: узкоспециализированную часть,

содержащую блок первичных преобразователей, выполненную во взрывоза-

щитном исполнении с возможностью размещения в эпицентре взрыва, а так

же общую часть, имеющую более универсальное назначение, выполняющую

функции усиления сигналов, питания первичных преобразователей, синхро-

низации запуска программы, аналогово-цифрового преобразования сигналов,

и часть компьютерного

обеспечения измерений и визуализации их на дис-

плее компьютера. Выполнение первой узкоспециализированной части в виде

модификаций под конкретные требования решаемой задачи позволяет ис-

пользовать весь комплекс в целом для измерения электромагнитных полей в

различных областях науки и техники, в том числе и для решения других тех-

нических проблем.

Методика расчета э.д.с. магнитного поля

Эффект Холла заключается в том, что в проводнике с током помещен-

ном в магнитное поле, возникают электродвижущие силы. Причины возник-

новения э.д.с. Холла заключаются в

изменении траектории движения электро-

нов и дырок в полупроводнике вследствие действия силы Лоренца при нали-

чии внешнего магнитного поля. Она действует перпендикулярно к направле-

ниям скорости носителей заряда и магнитной индукции В. Сила Лоренца

F=g[VxB] (1),

где g – заряд носителей, для электрона (-e) , дырки (+е), а V – их скорости.

Для дырки направления плотности

тока в отсутствии магнитного поля

и скорости дырки Vсовпадают, а для электрона они противоположны, поэто-

му сила Лоренца отклоняет и электроны и дырки к одной грани, и, следова-

тельно, напряжение Холла будет вызываться разностным эффектом.

Напряженность поля эффекта Холла Н и э.д.с. U Холла можно выра-

зить формулами:

H = R

j , (2)

U= R

I/ d, (3)

где d – толщина образца, I – полная сила тока, а R

– коэффициент Холла, B

– проекция величины магнитной индукции на плоскость, перпендикулярную

пластине Холла.

Высокоэнергетическая обработка материалов

144

Важным параметром для расчетов и измерений физических величин

является коэффициент Холла, который изменяется при изменении внешних

параметров, воздействующих на полупроводниковый материал датчиков.

Важно отметить и то, что в общем случае при наличии двух типов но-

сителей заряда коэффициент Холла может зависеть от магнитной индукции.

Для промежуточных полей коэффициент Холла можно

представить в виде:

e)np(Bb)pbn(

)np(Bb)nbp(

22222

2222

−++

−+−

, (4)

где b=μ

/μ

. Это выражение справедливо для случая, когда время жизни (ре-

лаксации) носителей постоянно и не зависит от их скорости.

Коэффициент Холла обращается в нуль при

222

)B(nb

= , (5)

Измерения составляющих вектора индукции магнитного поля В, т.е.

Вх, By, Bz в декартовой системе координат X,Y,Z. осуществляются с исполь-

зованием трех преобразователей (датчиков) Холла, размещенных в трех вза-

имно- перпендикулярных плоскостях, нормаль к которым проходит по осям

X,Y,Z соответственно. Датчики размещены в центре защитной коробки в

форме куба, в соответствие с указанными осями X,Y,Z.

Эффект Холла за-

ключается в том, что в полупроводниковой пластине (пленке) с протекаю-

щим током, помещенной в магнитное поле В, направленное по нормали к

пластине, возникает э.д.с., обуславливаемая силой Лоренца.

Чувствительность преобразователя Холла ϒ к магнитному полю В в

режиме изменения э.д.с. Холла описывается соотношением:

ϒ= U

/В= R

I d

-1

=I (end)

1=(Pbμ/lden)

1/2

, (6)

где U

– напряжение Холла на выходе датчика; В – величина индукции маг-

нитного поля (одна из составляющих Вх, Ву, Вz направленная по нормали к

соответствующему датчику); Р – мощность, рассеиваемая на ПХ; R

=-1/еn –

коэффициент Холла; n и μ

– концентрация и подвижность электронов, соот-

ветственно; b, l и d – ширина, длина и толщина пленки; I – ток питания пре-

образователя; -е – заряд электрона.

Высокоэнергетическая обработка материалов

145

Составляющие вектора индукции магнитного поля В легко определить

из измерений э.д.с. датчиков Холла по каждому каналу соответственно:

Вх = Ux / ϒ

By = Uy/ϒ

, (7)

Bz = Uz / ϒ

где ϒ

, ϒ

– магнитные чувствительности датчиков Холла, измеренные при

постоянном магнитном поле ( в статике наиболее точные измерения).

Датчики Холла, выбирались (разбраковывались ) из партии с близкими

характеристиками по магнитной чувствительности, разброс которой не пре-

вышал ±1% Для блока датчиков Холла были выбраны следующие номиналы:

=ϒ

= (300 ± 3) мкВ/мТл, ( 8 )

Сигналы по каждому из каналов X.Y,Z подаются на первый каскад со-

ответствующего усилителя с коэффициентами усиления ϒ

,ϒ

, определяе-

мые отношением R

; R

соответственно. Отношения резисто-

ров подбирались с точностью ±2%.

=ϒ

= (10± 0,2 ), (9)

Далее сигналы по каждому из каналов X,Y,Z подаются на второй кас-

кад соответствующего усилителя с коэффициентами усиления у*

, у*

, y*

определяемые соотношением ϒ

/ R

)

-1

; ϒ

)

-1

;

)

Отношения резисторов подбирались с точностью ±2%.

= ,ϒ

= ϒ

= (9,43 ± 0,2), (10)

Сигналы с выхода усилителя каналов X,Y,Z подаются на соответст-

вующие входы плат АЦП системного блока компьютера.

Чувствительности прибора к индукции магнитного поля на входе пла-

ты АЦП получаются по каждому каналу перемножением выражений (8-10):

V = Vx =Vy=Vz =ϒ

=ϒ

= ϒ

=(28,3 ±1 ,4) мВ/мТл, (11)

Высокоэнергетическая обработка материалов

146

Если в момент времени t на экране монитора э.д.с. по каналам X,Y,Z

равны U

, Uz соответственно в [мВ] то, соответствующие составляющие

вектора магнитной индукции определяются в [мТл] по формулам:

Вх = Ux

/ V

By = Uy

/ V, (12)

Bz = Uz

/ V

Основная погрешность измерения не превышает ± 5%.

Модуль вектора магнитной индукции рассчитывается по формуле:

В= (Bx

+By

+Bz

)

1/2

={(U

)

1/ 2

}/ V, (13)

Дополнительная погрешность, вызванная отклонением размещения оси

(например) X от заданного направления на угол β вычисляется по формуле:

Δх= {Вх- Вх cos (β)}/Bx =1- cos (β), ( 14 )

Расчетная дополнительная (приведенная) погрешность, выраженная в

процентах от верхнего предела измерений (±2В) от изменения температуры

окружающего воздуха на каждые 10°С по сравнению с комнатной не должна

превышать

±0,75%.

Заключение

1. Проведенные исследования показали, что разработанный комплекс

регистрации и измерений электромагнитных характеристик в условиях удар-

но-волновой динамической обработки материалов с использованием энергии

взрыва и методика расчетов э.д.с. магнитного поля, позволяют использовать

их при разработке технологических процессов и оценки влияния электро-

магнитного импульса на конечный результат.

2. В перспективе ИК

и его модификации можно использовать при ре-

шении различных технических задач, например: при контроле процесса на-

магничивания деталей, который контролируется по регистрируемым величи-

нам компонент индукции магнитного поля (износ индукторов, обеспечиваю-

щих технологически процесс). Применение модификации магнитометриче-

ского ИВК целесообразно также для целей дефектоскопии, как дополнитель-

Высокоэнергетическая обработка материалов

147

ного метода обследования дефектных участков, совместно с традиционно ис-

пользуемыми методами ультразвуковой и СВЧ дефектоскопии. В области

экологического мониторинга окружающей среды (например, нахождение че-

ловека у рельс тормозящего поезда или электрички, вагонов метро и т.д. вы-

нуждает объект подвергаться сильному не регистрируемому, а значит, и не

нормируемому возмущению электромагнитного

характера с увеличением –

от среднего значения в 10-1000 раз. Использование импульсных магнитных

полей величиной в 1,5-2 Тл приобрела в последнее время особую актуаль-

ность в медицине, в области обогащения полезных ископаемых и др. Следо-

вательно, должны развиваться и методы измерений импульсных магнитных

полей в медицине.

Литература

1. Овчинников В.И. Магнитодинамические эффекты в кумулятивных

процессах взрыва // Физика и техника высокоэнергетической обработки ма-

териалов. – Д.: Арт-Пресс, 2007. – С. 134–143.

2. Эффекты электромагнитного излучения, наблюдаемые в условиях на-

гружения высокоэнергетическим потоком порошковых частиц / В.И. Овчини-

ков, Е.А. Дорошкевич, А.И. Белоус, Л.Д. Буйко, Т.В. Петлицкая, О.П

. Реут,

С.М. Ушеренко // Физика и техника высокоэнергетической обработки мате-

риалов. – Д.: Арт-Пресс, 2007. – С. 153–160.

Высокоэнергетическая обработка материалов

148

УДК 534.2

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЗРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЕЙ

В.И. Овчинников

, О.В. Роман

, Е.А. Дорошкевич

, Е.Е. Петюшик

А.С. Калиниченко

, О.П. Реут

ГНУ НИИ ПМ ОХП "Научно-исследовательский институт импульсных

процессов с опытным производством" ул. Платонова 12б, г. Минск, 220600

е-mail: impuls@bn

Белорусский национальный технический университет,

пр. Ф. Скорины г. Минск, 220600

В работе представлены результаты исследований по динамической обработке сталей

высокоэнергетическими потоками неидеальной плазмы взрыва и порошковых частиц. Ис-

следована структурная неоднородность в конструкционных сталях, вызванная обработкой

высокоскоростными потоками порошковых частиц при их соударении и проникании в ма-

териал в условиях ударно-волнового динамического нагружения. Показана возможность

нанесения защитных слоев до 50 мкм из любых порошковых смесей на конструкционные

материалы и изделия из них.

The results of researches on dynamic processing steel by high-energy flows of unideal

plasma of explosion and powder particles are submitted in work. The structural heterogeneity in

constructional steel, caused by processing by high-speed flows of powder particles is investi-

gated at them impact and penetrance in a material in conditions of shock-wave dynamic loading.

The opportunity of drawing of blanket up to 50 μm from any powder mixes on constructional

materials and products from them is shown.

Введение

Одной из задач физики взрыва и ударно-волнового воздействия, при

которых происходят процессы сверхбыстрого превращения вещества за

очень малые промежутки времени ~10

-5

-10

-6

с, является изучение неидеаль-

ной плазмы и возможности ее использования для обработки поверхности го-

товых деталей.

Обработка высокоскоростными потоками микрокристаллических по-

рошковых частиц высоких энергий, существенно интенсифицируют процесс

структурной перестройки поверхности материала и приводят к значительно-

му изменению его физико-механических свойств. Основными преимущест-

вами упрочнения металлов с использованием взрывчатых

веществ по сравне-

нию с известными методами упрочнения термообработкой и пластической

деформацией являются: большая глубина упрочненного слоя, простота тех-

Высокоэнергетическая обработка материалов

149

нологического процесса, простота и дешевизна применяемого оборудования,

возможность повышения ряда механических свойств.

Целью данного исследования является: изучение изменений структуры

на поверхностях конструкционных сталей, вызванных комплексным воздей-

ствием высокоскоростных потоков частиц и неидеальной плазмы взрыва.

Анализ процесса

Основой концепции моделирования и создания технологии обработки

поверхности деталей с применением энергии взрыва, является

комплексный

подход, заключающийся в реализации рационального сочетания деформаци-

онного – ударно-волнового воздействия (Д), обработки высокоскоростным по-

током частиц (ВПЧ) и неидеальной плазмы (НП) их комбинирования по опре-

деленным пространственно-временным принципам с определением механиз-

мов формирования поверхностного слоя материалов по оценкам конструктив-

ной прочности, напряженного состояния и микрогеометрии поверхности.

Анализ возможных

сочетаний процессов показал, что совокупность

схем обработки основана на четырех основных вариантах приведенных на

схеме, рис. 1.

Рис. 1 – Схема комбинирования процессов: Д – деформационный про-

цесс, ВПЧ – Высокоскоростной поток частиц, НП – неидеальная плазма

1-й вариант проявляется при параллельном развитии процессов схема

(Д-НП), с образованием аморфного поверхностного слоя обрабатываемого

материала, толщиной 10-30 мкм.

Комбинированный процесс

Д-ВПЧ

(Д-НП)+(Д-ВПЧ)

Д-НП-ВПЧ

Д-НП

деформационный

процесс

Микрогеометрия

субмикрогеометрия

Деформационно-

структурное состояние

аморфный слой

Деформационно-

структурное состояние

защитное покрытие

Аморфный слой, защитное

покрытие, фазовое

состояние

Высокоэнергетическая обработка материалов

150

2-й вариант реализуется при параллельном введении в зону обработки

высокоскоростного потока частиц порошка, ускоренного энергией взрыва по

схеме (Д-ВПЧ), с образованием на обрабатываемой поверхности материала

слоя защитного покрытия из частиц порошка.

3-й вариант проводится при последовательном введении процессов в

зону обработки. Первоначально проводится обработка по схеме (Д-НП),

в ре-

зультате в материале формируется поверхностный слой с высокой степенью

деформации с неравновесным атомно-вакансионным состоянием структуры,

затем производится обработка по схеме (Д-ВПЧ), в общем случае реализует-

ся процесс по схеме (Д-НП)+ (Д-ВПЧ). На поверхности образовавшегося де-

формационного слоя, формируется слой защитного покрытия толщиной 30-

40 мкм с

определенной микроструктурой, зависящей от размеров, состава

применяемого порошка и технологических условий реализации процесса.

4-й вариант предполагает совмещение всех процессов и достигается

при сочетании схемы (Д-НП) с процессом по схеме (Д-ВПЧ) в результате по-

лучаем комбинированную схему (Д-НП-ВПЧ), в структурном сочетании од-

новременного формирования поверхностного слоя обрабатываемого

мате-

риала и защитного покрытия из материала порошка.

Методика и материал исследования. Обработка образцов производи-

лась по схеме нагружения, приведенной на рис. 2, гарантирующей получение

модифицированных слоев поверхности и нанесение покрытий. Фоновое дав-

ление составляло порядка 2 ГПА, время воздействия порядка 50 мкс.

В качестве взрывчатого вещества использовался аммонит 6ЖВ, коли-

чество взрывчатого вещества

150-200 г на один взрыв, высота регулирующей

опоры в виде сопла Лаваля 90 мм. В качестве легирующего материала при-

меняли порошки SiC фракции 50-70 мкм. В качестве модельных образцов

использовали стали 40, 45, 40Х в виде цилиндров диаметром d = 10-15 мм,

длиной L = 50-60 мм. Микроструктуру образцов до и после обработки иссле-

довали на микроскопах "Метам-21", электронном микроскопе "Camscan",

элементный и

фазовый состав определяли методами микрорентгеноспек-

трального и рентгенофазового анализа на микроанализаторе "Cameca" и

рентгеновском аппарате "ДРОН-3" соответственно.