книги2 / 59

О.Б. СКВОРЦОВ, В.И. СТАШЕНКО

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва, Россия e-mail: oleg.b.skvorcov@gmail.com

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В ПРОВОДНИКЕ КАК ОТКЛИК НА ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА

Большое количество публикаций в отечественные и зарубежные периодики посвящено электропластическому эффекту. На процессы обработки металлов давлением с применением электропластического эффекта (ЭПЭ) оказывает влияние большое количество факторов. Поэтому в исследованиях ЭПЭ необходим конкретный набор условий эксперимента [1]. Одной из основных причин ограничивающей применение ЭПЭ в технологических процессах является отсутствие непротиворечивой теории эффекта [2]. Недавние публикации [3, 4], рассматривают в качестве механических сил, действующих на проводник, тепловые эффекты от прохождения тока. Такие эффекты действуют, по мнению авторов публикаций, вблизи областей дефектов и дислокаций, что вызывает их перемещение и деформацию материала.

Эти предположения плохо согласуется с экспериментальными данными по исследованию динамического виброакустического отклика [5] на действие короткого электрического импульса в исследованиях ЭПЭ. Вопервых, тепловое действие такого импульса крайне мало и не может вызвать заметного нагрева. Во-вторых, области вблизи дефектов и дислокаций обладают повышенным удельным сопротивлением, и через такие области протекает сравнительно меньшая часть тока. В-третьих, динамический деформационный процесс отклика развивается как ударный отклик на момент начала фронта электрического импульса, когда ток незначителен, также как и его тепловое действие. В-четвертых, механический отклик на действие электрического импульса носит полярный характер, т.к. его полярность зависит от направления приложенного электрического напряжения. Рассматриваемые же в публикациях процессы, такие как тепловое действие тока и пинч-эффект являются неполярными.

В нашей работе сделана попытка непротиворечивого описания процессов действия электрического импульса на проводник. Процесс генерации осевого силового воздействия на проводник представлен на рис. 1. В сечении проводника радиусом r толщиной l внешнее электрическое поле EA(t) электрического импульса направлено вдоль оси проводника и создает в скин - слое электрический ток с плотностью JA(t). Этот ток создает у поверхности проводника кольцевое магнитное поле с магнитной индукцией BC. На образующие ток электроны в магнитном поле BC действует сила Лоренца FL в радиальном направлении, которая вызывает механиче-

171

ские напряжения радиального сжатия, а также поляризацию поверхности и образование радиального поля Холла. Поле Холла компенсируется силами Кулона при поляризации. Кратковременный импульс радиального тока поляризации вызывает в каждом из сечений появление осевой силы Ампера. Сила Ампера и создает направленный ударный импульс в осевом направлении по всей длине.

Рис. 1. Модель формирования поляризационных радиальных токов в сечениях проводника и противофазных кольцевых составляющих на его

торцевых сечениях

1.M Pakhomov., O. Korolkov, M. Pigato, C. Gennari, V. Stolyarov Electroplastic Effect during Tension and Bending in Duplex Stainless Steel // Materials, 2023, 16, 4119. 13 p. https://doi.org/10.3390/ma16114119

2.Д.В. Минько Анализ перспектив применения электропластического эффекта в процессах обработки металлов давлением // Литье и металлургия, 4,’2020. –

125–130.

3.X. Li, J. Turner, K. Bustillo, A.M. Minor. In situ transmission electron microscopy investigation of electroplasticity in single crystal nickel // Acta Materialia. 2022. V. 223. Art. 117461.

4.В.А. Брызгалов, С.В. Дмитриев, Е.А. Корзникова Моделирование дислокационного электропластического эффекта // Нелинейные волны – 2022. Нижний Новгород. Тезисы докладов. Нижний Новгород, ИПФ РАН, 2022. – С.48–49.

5.Скворцов О.Б., Сташенко В.И., Троицкий О.А. Упругие деформации проводников при действии импульсов тока // Машиностроение и инженерное образование. № 1 (54). 2018. – С. 26–35.

172

О.Б. СКВОРЦОВ, В.И. СТАШЕНКО

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва, Россия e-mail: oleg.b.skvorcov@gmail.com

О МЕХАНИЗМЕ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

Электропластический эффект в металлах проявляется для различных видов металлов и сплавов, при различной геометрии образцов, внешних условиях структурно-фазовом составе материала проводника. Рассмотрение различных материалов и условий испытания образцов [1] показывает, что имеется общий механизм воздействия происходящих процессов на материал образца. При исследовании электропластического эффекта в материале образца действие короткого электрического импульса от внешнего источника вызывает вибрационный отклик. Амплитуда такого отклика увеличивается при увеличении амплитуды внешнего электрического импульса. В ряде публикаций [2, 3] было отмечено, что вибрационный отклик может оказывать заметное влияние на электропластический эффект, способствую изменениям структуры материала проводника. При этом авторы публикаций в качестве основного механизма, как правило, рассматривают процессы прямого взаимодействия электромагнитных процессов со структурными элементами материала, такими как кристаллическая решетка, дислокации, доменные области, включения частиц парамагнитных примесей и т.п. Исследование механического виброакустического отклика на действие электрического импульса показывает, что происходит поэтапное воздействие на материал образца. В начальные моменты фронтов электрического импульса формируются процессы сходные с механическим ударом малой длительности. Направление таких ударных процессов определяется полярностью фронтов. В эти моменты величина тока через проводник незначительна, а последующее увеличение величины тока практически не влияет на протекающие виброакустические процессы. После окончания ударного процесса в материале наблюдаются затухающие колебания материала проводника. При этом поперечные колебания носят в основном изгибный характер, а продольные колебания во время действия электрического импульса синхронны по фазе для всего проводника, а после его окончания затухающие колебания в продольном направлении становятся рассогласованными по фазе для различных точек измерения по длине проводника, как показано на рис. 1.

Исследование процессов возбуждения вибрационного отклика в проводниках при воздействии одиночных, чередующихся по полярности и периодических импульсов, позволяет выбирать необходимое соотноше-

173

ние между ударными воздействиями на поверхностную область проводника. Также можно управлять затухающими колебательными процессами, которые могут обеспечить релаксацию остаточных напряжений в материале.

D1A, mkm; D2A, mkm

2

t. s

Рис. 1. Динамические перемещения в осевом направлении полученные для сигналов осевого ускорения двух датчиков, установленных в разных местах проводника из меди диаметром 4 мм

Возникающие при электроимпульсном воздействии виброакустические процессы в этом случае можно рассматривать как основное следствие и причину изменения свойств материала проводника. В этом случае можно рассматривать электропластический эффект так частный пример проявления вибропластического эффекта [4], результаты которого во многих отношениях похожи на результаты проявления электропластического эффекта в металлах при обработке их давлением.

1.O.B. Skvortsov, V.I. Stashenko, O.A. Troitsky Electroplastic effect and interaction of an electrical impulse with a conductor // Letters on, 11 (4), (2021) p. 473–

478www.lettersonmaterials.com https://doi.org/10.22226/2410-3535-2021-4-473–

2.B.J. Ruszkiewicz, T. Grimm, I. Ragai, L. Mears, J.T. Roth A review of electrical- ly-assisted manufacturing with emphasis on modeling and understanding of the electroplastic effect // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 139 (11): 110801, 2017. – 15 p. doi:10.1115/1.4036716

3.Т.В. Ерилова, И.Н. Воронов, В.Е. Громов, В.Я. Целлермаер Вибростимулирующее влияние импульсов тока при волочении сталей // Известия вузов. Черная, №10, 1996. – С. 41–44.

4.В.Н. Морозенко, Е.В. Кузнецов Резонансный вибропластический эффект / Металлы, № 3, 2000. – С.104–107.

174

В.И. СТАШЕНКО, О.Б. СКВОРЦОВ

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва, Россия e-mail: vis20-11@rambler.ru

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКОВЫМИ МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ

Применение действия импульсов электрических токов разной амплитуды и длительности позволяет создать методы обработки консолидированных и многофазных материалов для перемещения дефектов в материале и изменения внутренних напряжений, влиять на микроструктуру материала, включая поверхностные слои, проводить процессы спекания. Импульсы тока оказывают не только тепловое воздействие, но и механическое действие, вызывая вибрации проводника [1]. На микропроводящие структуры действуют радиальные и продольные динамические силы Лоренца и Ампера в условиях эффекта близости, а также пинч- и скинэф- фектов. Влияние скин-эффекта на процессы в микропроводящих структурах незначительно, а величина механического радиального сжатия из-за пинч-эффекта может быть существенно меньше сил связанных с эффектом близости. Если величина тока равна I, то величину механического сжатия в радиальном направлении от пинч действия можно оценить как

где a=4 10-7 [Гн/м] - абсолютная магнитная проницаемость воздуха и вакуума. Величина таких напряжений быстро увеличивается с увеличением величины тока и уменьшением диаметра проводника D.

Воздействие электрического импульса на проводниковую микроструктуру многоэтапное. Процесс поэтапного развития виброакустической реакции в проволочном образце из серебра на электроимпульсное воздействие представлен на рисунке 1. В начальные моменты t1 и t2 в материале проводника формируются ударные механические действия от импульса тока. Они вызывают затухающие виброакустические колебания, слабо зависящие от изменений тока и магнитного поля проводника [2]. Продольные ускорения во время действия электрического импульса синхронны для всей длины проводника и суммируются. Для переднего и заднего фронтов электрического импульса результирующее воздействие одинаково по амплитуде и противоположно по знаку, что вызывает продольное колебание проводниковой структуры. Амплитудой такого воздействия можно управлять выбором амплитуды импульса и его длительности.

175

В.И. СТАШЕНКО, О.Б. СКВОРЦОВ

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва, Россия e-mail: vis20-11@rambler.ru

ТЕПЛОВЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРОВОДНИКА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

При воздействии электрических импульсов тока на проводник происходит превращение энергии электрического импульса в энергию магнитного поля тока, тепловую и энергию механических деформаций. Величину тока по изменению индукции магнитного поля, тепловые изменения образца и его упругие механические деформации можно измерять с помощью датчиков (рис.1). Такой контроль позволяет оценить эффективность процесса преобразования энергии [1].

Рис. 1. Расположения бесконтактного датчика магнитной индукции B и вибрационных акселерометров VA1 и VA2 на проводнике при изучении

действия электрического импульса амплитудой U, создающего ток I(t)

Большая часть энергии электрического импульса идет на изменение температуры проводника. Учитывая малую длительность действующего электрического импульса можно оценить проявления температурного отклика на действие одиночного электрического импульса расчетным путем

(рис.2).

Контроль вибраций и магнитного поля датчиками позволяет оценить эффективность процесса преобразования энергии электрического импульса в энергию магнитного поля и в энергию механических колебаний. Активное механическое действие электрический импульс оказывает на образец в начальные моменты переднего и заднего фронтов, вызывая ударные импульсы близки по амплитуде, но противоположные по знаку. Каждый ударный импульс порождает затухающий колебательный процесс, а при небольшой длительности внешнего электрического импульса эти колебательные процессы накладываются.

177

В зависимости от полярности внешнего электрического импульса меняется и полярность ударных импульсов, а также полярность вибрационного отклика в направлении оси проводника.

Рис. 2. Температурные T изменения удлинения l и диаметра d проводника при действии электрического импульса J длительностью 100 мкс на проводник из меди диаметром 4 мм, длиной 150 мм

в зависимости от электрического напряжения.

Из полученным данным следует, что вклад тепловых деформаций, а также пинч-эффекта в деформацию проводника, для плотностей тока 4002000 А/мм2 и длительностей от 50 до 250 мкс мало значителен и не являются доминирующим.

1. О.Б. Скворцов, В.И. Сташенко, О.А. Троицкий. Упругие деформации проводников при действии импульсов тока. Машиностроение и инженерное образование. 2018. № 1 (54). С. 26-35.

178

Е.А. КУЛЕШОВА *,1,2, Д.А. МАЛЬЦЕВ,1,2, С.В. ФЕДОТОВА 1,2, А.С. ФРОЛОВ 1,2, Н.В. СТЕПАНОВ 1,2

1Национальный исследовательский центр «Курчатовский Институт», 2 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», e-mail: nikita_stepanov_1994@bk.ru

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ НИКЕЛЯ НА РАСПУХАНИЕ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ Х18Н10Т

Аустенитная сталь Х18Н10Т используется в качестве материала внутрикорпусных устройств (ВКУ) в российских реакторах типа ВВЭР. Предполагается, что реакторы ВВЭР следующего поколения будут работать при более высокой температуре и более длительное время, за которое наберут более высокую повреждающую дозу. Распухание считается критическим параметром работоспособности материалов ВКУ и после инкубационного периода монотонно увеличивается с ростом дозы облучения. Существующая сталь не соответствует требованиям по стойкости к распуханию, представляемым перспективным реакторам. Известно, что на стойкость распуханию значимое влияние оказывает концентрация никеля в стали [1]. Поэтому необходимо исследование и обоснование радиационной стойкости сталей с более высоким содержанием никеля.

Для анализа влияния концентрации никеля на стойкость к распуханию были проведены исследования сталей с содержанием никеля 10, 20 и 25 мас.% после нейтронного облучения в реакторах СМ-3 и БОР-60 (до повреждающих доз > 10 сна и температурах облучения 330-425°С), в том числе комбинированное. Комбинированное облучение в реакторах СМ-3 и БОР-60 сводилось к моделированию эксплуатации материала в смешанном спектре нейтронов, где в СМ-3 происходила наработка гелия до необходимого уровня, а облучение в БОР-60 обеспечивало более высокую скорость набора повреждающей дозы, а также имитацию облучения внешних слоев выгородки (при температуре 330°С) и внутренних слоев выгородки, подверженных γ–разогреву (при температуре 425°С). Облучение в БОР-60 до более высоких (29 сна) повреждающих доз проводилось для оценки распухания сталей с различным содержанием никеля при температуре облучения, близкой к максимуму порообразования (425°С).

Нейтронное облучение в СМ-3 и БОР-60 привело к образованию в сталях с различным содержанием никеля радиационных дефектов, таких как дислокационные петли Франка и «black dots» [2],

пор, радиационно-индуцированных сегрегаций (РИС), радиационноиндуцированных фаз [3].

179

Увеличение концентрации никеля в стали привело к увеличению суммарной плотности радиационных дефектов. В исследованных образцах повреждающая доза составляет >10 сна и поэтому плотность радиационных дефектов не зависит от повреждающей дозы, так как плотность дефектов выходит на насыщение при повреждающих дозах ~10-15 сна, и падает с увеличением температуры облучения.

При исследовании распухания было выявлено, что повышение концентрации никеля показало тенденцию к снижению распухания. Положительное влияние никеля на стойкость против распухания обусловлено снижением скорости зарождения вакансионных пор, в том числе и за счет образования никелем и межузельными атомами комплексов, которые являются местом для рекомбинации вакансий.

Уровень РИС никеля и хрома по межфазным границам, границам зерен и пор, в стали с более высоким содержанием никеля (25 мас.%) оказался самым высоким (обогащение Ni на 36 ат.% и обеднение Cr на 9 ат.%). Однако даже в этом случае не происходит образования охрупчивающей α-фазы и радиационное охрупчивание данной стали не наблюдается. Кроме того, при снижении концентрации Cr на границе зерна, повышение содержания Ni также оказывает положительное влияние на коррозионные свойства.

Крупные выделения γ′- и G- фаз на основе Ni-Si-Ti-Al/Ni-Si-Ti, которые зарождаются гетерогенно на стоках при сравнительно высоких температурах облучения, суммарная объемная доля которых коррелирует с РИС. Более мелкие выделения γ′-фазы зарождаются гомогенно в матрице подобно Ni-Si-Mn преципитатам в сталях корпусов реакторов.

Комплекс исследований показал, что в исследованных сталях уровень распухания снижается с увеличением концентрации никеля.

Работа выполнена в соответствии с Тематическим Планом работ НИЦ «Курчатовский институт»

1.R. Schäublin Nanometric crystal defects in transmission electron microscopy // Microsc. Res. Tech. 2006. Vol. 69, № 5. P. 305–316.

2.А.М. Паршин, Н.Б. Кириллов, В.Б. Звягин Особенности радиационного распухания и принципы легирования сплавов // Радиационная физика твердого тела: Труды XIV Международного совещ. (г. Севастополь, 5-10 июня 2004г.).- НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ), 2004.- С. 43-47.

3.E.A. Kuleshova et al. Microstructure degradation of austenitic stainless steels after 45 years of operation as VVER-440 reactor internals //

J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2020. Vol. 533. P. 152124.

180