Дипломы-2 / ВЗД-172 / Документы / Производство / ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВТСНТ – 2013

гусеничного трактора класса 100 кН

Для работы в особых условиях отдельные узлы копров могут быть существенно изменены. Так, для работы в котлованах большой протяженности применяют специальные мостовые копры в виде стальной фермы, передвигающейся на тележках по рельсам, уложенным на противоположных бровках котлована. Поворотная платформа в этом случае заменяется перемещающейся вдоль мостовой фермы тележкой.

В промышленном и гражданском строительстве широко применяют копровое оборудование, навешиваемое на различные базовые машины (тракторы, автомобильные краны, одноковшовые экскаваторы). Отечественная промышленность выпускает копровое оборудование для работы со сваями длиной 3...12 м. Копровое оборудование на базе тракторов класса 100 кН автономно по энергообеспечению, маневренно на строительной площадке, надежно в эксплуатации. Его недостатком являются большие затраты времени на маневровые движения трактора при установке сваи в заданную точку свайного поля. Мачту располагают сбоку (боковая навеска) (рис. 2), сзади или спереди трактора (фронтальная навеска). По сравнению с фронтальной боковая навеска улучшает

189

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

обзорность рабочей площадки, позволяет повысить производительность оборудования, исключив в некоторых случаях, особенно при линейном однорядном расположении свай, непроизводительные маневровые движения машины при переходах к новому рабочему месту.

Анализ работы копров и копрового оборудования показывает, что навесное оборудование на базе автомобильных кранов применяют при малых рассредоточенных объемах свайных работ и необходимости быстрого перебазирования (пробные сваи при инженерно-геологических исследованиях, строительство линий электропередач, трубопроводов большой протяженности и др.).

Литература.

1.Мартюшев Н.В. Программные средства для автоматического металлографического анализа // Современные проблемы науки и образования. - 2012 - №. 5 - C. 1-6. - Режим доступа: http://www.science- education.ru/105-r6745

2.Пашков Е.Н., Мартюшев Н.В., Кузнецов И.В. Исследование эффективности балансировки жидкостным автобалансирующими устройствами // Современные проблемы науки и образования – 2013. – № 1. – с. 2-10. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/107-7919

3.Пашков Е.Н., Мартюшев Н.В., Кузнецов И.В. Влияние эллипсности и эксцентриситета резервуара на точность автоматической балансировки // Современные проблемы науки и образования – 2013. – № 2. – с. 8-13. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/108-8472

4.Пашков Е.Н., Мартюшев Н.В., Зиякаев Г.Р., Кузнецов И.В. Стационарное вращение неуравновешенного ротора, частично заполненного жидкостью при действии сил внешнего трения // Современные проблемы науки и образования – 2012. – № 6. – с. 102-107. – Режим доступа: http://www.science- education.ru/106-7825

РОЛЬ ПОВОРОТНЫХ МОД ДЕФОРМАЦИИ В УСТАЛОСТНОМ РАЗРУШЕНИИ ТИТАНА

М.Ю. Грошева, студентка НИИ ТПУ ИФВТ гр.4Б91, Т.Ф. Елсукова, д.ф.-м. н., вед.н.с., Ю.Ф.Попкова, м.н.с. ИФПМ СО РАН

Томский политехнический университет, 634050, г.Томск, пр.Ленина,30,

тел.(3822)-53-15-69

E-mail: _masha_@mail2000.ru

1. Введение

Хорошо известно, что при циклическом нагружении ниже предела текучести материала преимущественное накопление повреждений происходит в его поверхностных слоях, где, в основном, зарождаются усталостные трещины. Традиционно проблема усталостного разрушения рассматривается в рамках подхода металлофизики и механики разрушения без учета самосогласования пластически деформируемого поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки материала.

190

ВТСНТ – 2013

Вфизической мезомеханике пластическая деформация и разрушение твердых тел рассматриваются как две последовательные органически взаимосвязанные стадии одного процесса потери их сдвиговой устойчивости, представление о котором основано на анализе иерархии самосогласования поворотных мод деформации [1].

Пластические сдвиги развиваются в поверхностном слое в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений. Объем образца нагружен упруго. Он создает моментные напряжения на пластические сдвиги поверхностного слоя. Возникающие при этом поворотные моды деформации обусловливают зарождение трещин в поверхностном слое. Они определяют начало усталостного разрушения, которое сильно зависит от состояния поверхностного слоя.

Внастоящей работе исследуется роль поворотных мод деформации в усталостном разрушении технического титана. Представляется важным выявить специфику развития поворотных механизмов деформации в поверхностных слоях титана и их влияние на циклическую долговечность.

2.Материалы и методы исследования

Вкачестве материала исследования использовали технический титан ВТ1-0.

Впостановке данной работы титан интересен тем, что, с одной стороны, он характеризуется очень высокой температурой плавления вследствие высоких сил

связи в кристаллической решетке и высоким модулем сдвига, с другой – он имеет низкую сдвиговую устойчивость (его энергия дефекта упаковки всего 10 мДж/м2) и склонен к полиморфизму. Последнее обстоятельство предсказывает существование в поверхностных слоях титана спектра различных атомных конфигураций, что должно облегчать развитие потоков деформационных дефектов. То есть при высоких прочностных характеристиках объема в поверхностных слоях титана при нагружении можно ожидать облегченное развитие процессов структурных перестроений из одной кристаллической решетки в другую.

Титан и сплавы на его основе широко используются в различных отраслях промышленности благодаря их высоким значениям удельной прочности и коррозионной стойкости, низкой теплопроводности и малого коэффициента

линейного расширения.

Образцы в форме двойной лопатки отжигали при температуре 800оС в вакууме в течение 1 часа, затем шлифовали. Электрополировку проводили в электролите: плавиковая кислота (HF) – 30%, азотная кислота (HNO3) – 10%, серная кислота (H2SO4) – 60%, напряжение на клеммах ванны Uкл = 10 – 12В, анодный ток

Iа=2 – 2,5 А, время t =5 – 10 минут.

На полированную поверхность образцов перед испытанием на усталость наносили координатную сетку. Это позволяет анализировать развитие сдвиговых и поворотных составляющих деформации, а также распределение деформации на поверхности поликристалла.

Испытания на усталость проводили знакопеременным изгибом при частоте 480ц/мин, при комнатной температуре.

Для изучения динамики структурных изменений образцы периодически вынимали из захватов машины и фиксировали сформировавшуюся структурную картину. Трехмерную поверхностную картину мезоскопической субструктуры получали с использованием микроскопа Zeiss Axiovert 25CA, снабженного устройством DIC для получения дифференциально – интерференционного

191

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

контраста. Вся полученная в экспериментах информация обрабатывалась на компьютере.

3. Результаты исследования

Учитывая выше отмеченную специфику титана, при его высоких прочностных характеристиках объема можно ожидать в поверхностных слоях при нагружении облегченное развитие процессов структурных перестроений из одной кристаллической решетки в другую [2].

Действительно, выполненное в настоящей работе исследование мезосубструктуры поверхностных слоев титана на разных этапах знакопеременного изгиба показало аномально низкую их сдвиговую устойчивость. Помимо низкой сдвиговой устойчивости кристаллической решетки, связанной с низким уровнем энергии дефекта упаковки, установлена и очень низкая сдвиговая устойчивость границ зерен в поверхностных слоях титана. Это проявилось в экструзии поверхностных зерен недеформированного отожженного титана. Одной из причин установленной высокой подвижности границ зерен в поверхностных слоях титана при комнатной температуре (0,2Тпл) может быть их насыщение водородом, находящемся в воздухе. При последующем знакопеременном изгибе эффект экструзии зерен значительно увеличился. Экструзия зерен есть проявление механизма движения зерен как целого, который обычно реализуется при повышенных температурах нагружения. А в титане он реализуется при низкой температуре (0,2Тпл), что свидетельствует об очень низкой сдвиговой устойчивости границ зерен в титане.

На более поздней стадии циклического нагружения титана проявляется эффект самоорганизации экструдированных зерен в деформационные конгломераты с формированием более крупных структурных элементов деформации (рис.1). По мере их формирования типичная поверхностная картина пластической деформации представлена грубыми мезополосами локализованной деформации одной системы, распространяющимися в пределах конгломератов активных зерен. Указанные мезополосы имеют явно выраженную мелкомасштабную внутреннюю субструктуру. Характер этой структуры отражает картину распределения напряжений, возникших на границе раздела пластически деформирующегося поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки, вследствие их сопряжения.

Рисунок 1. Деформация в конгломератах самосогласованно деформирующихся зерен титана нафоне исходных зерен, DIC, N=6×105 ц., 700

192

ВТСНТ – 2013

Другим проявлением специфики поверхностной структуры титана является формирование в поверхностном слое циклически деформируемого образца сильно выраженного многоуровневого гофра (его крупные элементы состоят из множества более мелких складок) (рис.2). Модуляция профиля гофра соизмерима с размером зерна поликристалла. Мелкая шероховатость гофрированного поверхностного слоя и его высокая рассеивающая способность в лазерном профилометре обусловлены эффектами экструзии – интрузии поверхностных зерен титана при циклическом нагружении. Эффект гофрирования поверхностного слоя обеспечивает высокую степень обратимой неупругой деформации образца при его знакопеременном изгибе, что способствует высокой выносливости при циклическом нагружении. Причина гофрирования поверхностного слоя заключается в том, что ослабленный по сравнению с объемом поверхностный слой испытывает пластическую деформацию в то время, когда объем материала нагружен упруго. Сопряжение этих двух систем и неодинаковость их деформаций и приводят к формированию многоуровневого гофра пластически деформирующегося поверхностного слоя.

300м

300м

Рисунок 2. Морфология поверхности (а) и профилограмма (б) титана; N=2×106 ц.

Усталостные трещины в титане имеют ярко выраженный зигзагообразный характер (рис.3). Как правило, они распространяются

193

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

вблизи границ деформационных конгломератов зерен. Распространение трещины есть поворотная мода деформации на макромасштабном уровне. В соответствии с законом сохранения момента количества движения в материале, окружающем трещину, должны развиваться аккомодационные поворотные механизмы на более низких структурно-масштабных уровнях. В соответствии с этим появлению трещины в зоне её зарождения предшествуют в ходе циклического нагружения: локализованная пластическая деформация, сопровождаемая материальным поворотом в поверхностном слое и вихревой аккомодационной деформацией в подложке, множественное скольжение и фрагментация материала как кристаллографические повороты на мезомасштабном уровне, обусловливающие формирование трансляционно-ротационных мезообъемов. Такие мезообъемы формируются впереди трещины и по ее берегам на протяжении всего процесса ее распространения.

Магистральная трещина развивается в зоне максимального изгиба «выбирая» путь по границам конгломератов. Интерференционный анализ места разрушения показал, что в зонах сильной кривизны происходит локальный распад складок материала (рис.4). Установлено, что трещина распространяется не непосредственно по границам зерен, составляющих конгломерат, а в приграничной зоне с сильной кривизной. Это значит, что трещина формируется вследствие структурно-фазового распада приграничной зоны с сильной кривизной. О высокой степени кривизны свидетельствуют соответствующие профилограммы.

Заключение

Проведенный в настоящей работе анализ результатов исследования закономерностей развития мезоскопических структурных уровней деформации титана при знакопеременном изгибе показывает, что сдвиговая устойчивость пластически деформируемого поверхностного слоя определяется энергией дефекта упаковки, а упругонагруженной подложки – силами связи в кристалле. Уровень сопротивления усталости многоуровневой системы определяется сочетанием характеристик сдвиговой устойчивости отдельных ее элементов, что, в свою очередь, определяется условиями сопряжения и необходимости совместной деформации поверхностного слоя и подложки. Основой зарождения и развития усталостных трещин являются поворотные моды деформации.

B С

b

а

А

Рисунок4.Титан.Месторазрушения.NewView.АВС–границаконгломератов самосогласованнодеформирующихсязерен.Трещинапрошланепогранице,ав приграничнойзонессильнойкривизной;a,b–локальныйраспадвскладке.

194

ВТСНТ – 2013

Список литературы

1.Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2-х томах. // Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 297 и 320с.

2.Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезомех. – 2001. – Т. 4. – №3. – C. 5-22.

ФРАКТАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Д.Х. Доржиев, студент группы 10А11, А.А. Попов, студент группы 10А11 Юргинский технологический институт (филиал)

Национального исследовательского Томского политехнического университета 652050, Кемеровская обл., г. Юрга, ул. Ленинградская,26, тел. (8-384-51) 5-09-06

E-mail: pla46@mail.ru

Мир, окружающий нас, постоянно меняет свой облик. Существенный вклад в эти перемены вносит наука, порождая новые понятия, новые средства описания и исследования привычных или только что открытых объектов.

Одним из таких понятий является фрактал, который ломает устоявшиеся стереотипы о геометрии и математике в целом.

Фрактал (fractus — дробленый) — термин, означающий геометрическую фигуру, обладающую свойством самоподобия, то есть составленную из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. В более широком смысле под фракталами понимают множества точек в евклидовом пространстве, имеющие дробную метрическую размерность, либо метрическую размерность, строго большую топологической.

Фракталы — не просто сложные фигуры, сгенерированные компьютерами. Все, что кажется случайным и неправильным может быть фракталом. Теоретически, можно сказать, что все, что существует в реальном мире, является фракталом, будь то облако или маленькая молекула кислорода.

Изменяя и комбинируя окраску фрактальных фигур можно моделировать образы живой и неживой природы (например, ветви дерева или снежинки), а также, составлять из полученных фигур «фрактальную композицию». Фрактальная графика, также как векторная и трёхмерная, является вычисляемой. Её главное отличие в том, что изображение строится по уравнению или системе уравнений. Поэтому в памяти компьютера для выполнения всех вычислений, ничего кроме формулы хранить не требуется. Только изменив коэффициенты уравнения, можно получить совершенно другое изображение. Эта идея нашла использование в компьютерной графике благодаря компактности математического аппарата, необходимого для ее реализации. Так, с помощью нескольких математических коэффициентов можно задать линии и поверхности очень сложной формы.

При помощи фракталов можно сжимать произвольные изображения с некоторой потерей качества, аналогично сжатию JPEG. Правда, фрактальное сжатие дает лучшие результаты. Методы компрессии, основанные на RLE, Huffman или LZW, не учитывают природы сжимаемых данных и поэтому дают неудовлетворительные результаты при обработке изображений.

Фракталы находят все большее и большее применение в науке и технике. Использование фрактальной геометрии при проектировании антенных устройств

195

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

было впервые применено американским инженером Натаном Коэном, который тогда жил в центре Бостона, где была запрещена установка на зданиях внешних антенн. Натан вырезал из алюминиевой фольги фигуру в форме кривой Коха и наклеил её на лист бумаги, а затем присоединил к приёмнику. Оказалось, что такая антенна работает не хуже обычной. И хотя физические принципы работы такой антенны не изучены до сих пор, это не помешало Коэну основать собственную компанию и наладить их серийный выпуск (рис.1).

Дальнейшее развитие этого направления в построении антенн показало, что при помощи фракталов можно значительно уменьшить размеры конструкции, и расширить полосу рабочих частот, т. е. можно создать широкополосную антенну. Последующие математические расчеты показали, что действительно широкополосная антенна, диапазон частот которой может охватить весь радиоволновой спектр, должна иметь фрактальную форму.

Рис.1. Виды фрактальных антенн для телевизионных приемников

Исследования в этой области привели к широкому практическому использованию фрактальных антенн в мобильных устройствах. Их компактность и широкополосные свойства сделали их незаменимыми в беспроводной связи, в Bluetooch, Wi-Fi и GSM стандартах.

Таким образом, в одном гаджете, например, в мобильном телефоне, смартфоне, КПК, удалось разместить все эти устройства (рис.2). Многие микроволновые устройства тоже используют фрактальные антенны. Отсутствие широкого применения фрактальной конструкции таких антенн в производстве, объясняется тем, что патентом на производство и внедрение фрактальных систем в антенной промышленности владеет весьма ограниченное количество компаний.

Рис. 2. Антенна для сотовых телефонов

196

ВТСНТ – 2013

В ближайшем будущем фрактальное направление в построении антенн приведет к развитию и повсеместному внедрению этой технологии. Существует мнение, что исследования в этом направлении, математические расчеты для совершенствования подобной фрактальной формы, неизбежно приблизят нас к конструкции идеальной антенны.

Список литературы

1.Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. – Москва: Институт компьютерных исследований, 2002, 656с.

2.Божокин С.В., Паршин Д.Д. Фракталы и мультифракталы – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2001, 128с.

РАЗВИТИЕ МЕТОДА СДВИГОВОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

С.В. Панин д.т.н., доцент, А.В. Еремин, студент гр. 0581 1, М.В. Бурков, аспирант ИФПМ СО РАН 2

1Томский политехнический университет, 634050, г.Томск, пр.Ленина,30 2ИФПМ СО РАН, 634021, Россия, г. Томск, пр. Академический 2/4

E-mail: eremin_av@bk.ru

Целью данной работы является: разработка, конструирование и тестирование установки для определения величины внеплоскостной деформации материалов

Введение

Создание новых и совершенствование имеющихся конструкционных материалов обуславливает необходимость установления корреляционной связи между их структурой и свойствами, что может быть достигнуто, в том числе, исследованиями их деформационного поведения. Для решения этой задачи могут быть привлечены разные методы неразрушающего контроля, которые позволяют регистрировать процессы, происходящие в материале, непосредственно при нагружении (in situ). В литературе описаны результаты применения разнообразных методов: магнитных, акустических, оптических, радиационных и др. Оптические методы в этом ряду выгодно отличаются наглядностью и достоверностью наблюдаемых процессов, возможностью прямого измерения дефектов, а также получением количественной оценки деформации и пр. В данной статье освещены результаты использования оптического метода для изучения деформационного поведения материалов – сдвиговой спекл-интерферометрии (ширографии - shearography).

Развитие лазерной и компьютерной техники, в сочетании с использованием новых подходов к алгоритмам обработки цифровой информации, расширили возможности практического применения ширографии, а также достоверность и точность получаемых результатов. Основными преимуществами метода являются более высокая точность оценки деформации, бесконтактный способ получения данных, незначительная зависимость от формы и поверхности исследуемого материала, а так же простота настройки и эксплуатации, что позволяет напрямую

197

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

измерять градиенты деформации в реальном времени, а так же обнаруживать критические дефекты материалов.

В основе сдвиговой спекл-интерферометрии лежит сравнение спеклструктур, образуемых диффузно-рассеяным лазерным излучением, отраженным от поверхности исследуемого материала, с разной степенью нагрузки образца. Формирование спекла происходит благодаря использованию интерферометра Майкельсона, у которого одно из зеркал повернуто на небольшой угол относительно вертикальной оси. Такая схема прибора позволяет получить два сдвинутых относительно друг друга изображения, которые в результате интерференции образуют спекл. При изменении величины прикладываемой нагрузки происходит искажение поверхностного слоя образца, что вносит изменения в разность хода лучей, приходящих на детектор, а как следствие происходит изменение исследуемой спекл-структуры. Разность двух изображений (без нагружения и под нагрузкой) дают распределение разности фаз прихода лучей в каждую точку двумерного спекла (Δij=φ1ij-φ2ij), которое является основным носителем информации о процессах, происходящих в материале образца, таких как определение величины градиента деформации, обнаружение дефектов и измерение их размера в поверхностных и подповерхностных слоях.

Более подробная информация об аппаратной реализации, принципах действия, методике расчета и возможных областях применения изложена в [1].

Материалы и методика

После анализа имеющейся литературы по сдвиговой спекл-интерферометрии была собрана установка на основе интерферометра Майкельсона с возможностью поворота одного из зеркал на различные по величине углы при помощи микрометрического винта (рисунок 1). Такая модель установки выбрана как наиболее универсальная, простая в сборке и эксплуатации и позволяющая производить различного рода регулировки и настройки по ходу эксперимента. Внутренняя поверхность корпуса черненая для уменьшения эффектов отражения и внесения за счет этого дополнительного шума.

Рис. 1. Внешний вид установки для ширографии

Излучение, отраженное от поверхности исследуемого образца, попадает на входную щель (в левой части рисунка), затем проходит через куб, где пучок света разделяется на два. Пучки отражаются от зеркал, и, вновь пройдя через

198