авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального ...»

-- [ Страница 4 ] --

Na = (4) n ay 0 N az В Земной системе координат направляющие косинусы линии визи рования рассчитываются по зависимости N ax N a = A A A N a = N ay. (5) N az Каноническое уравнение линии визирования в системе координат xOyz имеет вид x xa y y a z z a = =. (6) N ax N ay N az Если в n-м кадре панорамной системы некоторая точка k наблюда Управление, вычислительная техника и информационные технологии ется под углами азимута k и места k, соответственно, то направление на указанную точку имеет в связанной системе направляющие косинусы, определяемые вектором cos k cos( n + k ) w xk w = cos k sin ( n + k ) = wyk. (7) k sin wzk В Земной системе координат направление на точку k определяется по зависимости wkx w k = A A A w k = wky. (8) w kz Если наблюдаемая точка k находится на поверхности Земли, то ее координаты xk, yk, z k определяются из системы уравнений xk xa y k y a z k z a = = ;

wkx (9) wky wkz h( x, y, z ) = 0, kkk где h( x, y, z ) = 0 - уравнение поверхности, определяющей рельеф местности x xa y y a z z a = = в зоне наблюдения;

- каноническое уравнение wkx wky wkz прямой, связывающей точку k и центр системы панорамного наблюдения.

В Земной системе координат проекции отрезка прямой, связываю щей центр системы панорамного видеонаблюдения и точку k, имеют вид [(x k xa ), ( y k ya ), (z k za )], а расстояние до точки k rak = ( xk xa )2 + ( y k ya )2 + ( z k z a )2. (10) В системе координат, связанной с n-м кадром системы панорамного видеонаблюдения, проекции отрезка rak на оси x, y, z определяются по зависимости xk xa x x y y = A 1 A 1 A 1 A 1 yk ya, (11) n k k a a zk za zk za где cos n sin n An = sin n cos n 0. (12) 0 0 Координаты YK, Z K изображения K точки k в n-м кадре определя ются зависимостями (точка считается «бесконечно удаленной»):

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. y ya YK = f k z z, Z (13) K xk xa k a где f - фокусное расстояние объектива.

Считая, что на интервале законы изменения углов курса, танга жа и крена летательного аппарата, а также линейных координат xc, yc, z c его центра масс мало отличаются от линейных, можно получить сме щение изображения K точки k:

KY = d YK ( xc, yc, z c,,, ), dt Z K ( xc, yc, z c,,, ) (14) KZ где sin cos 0 dA sin 0 cos dA = cos sin 0 ;

= 0 0 ;

& & dt cos 0 sin dt 0 0 0 dA & 0 sin cos.

= dt 0 cos sin Аберрации в системы панорамного видеонаблюдения определяются типом фотоэлектронного преобразователя, используемого для получения факсимильной цифровой модели изображения сцены.

Если в качестве фотоэлектронного преобразователя используется прибор с накоплением заряда CCD-типа (Charge Coupled Device) [5], то аберрации принимают вид дополнительного размытия изображения за счет формирования динамической апертуры системы «объектив/фотоэлектрон ный преобразователь». Увеличение апертуры системы «объектив/фото электронный преобразователь» определяется по зависимости [5, 6] Y = T KY, (15) Z KZ где Т время накопления заряда в ячейках прибора с зарядовой связью.

Если в качестве фотоэлектронного преобразователя используется прибор CMOS-типа (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), то абер рации принимают вид геометрических искажений факсимильных цифро вых моделей изображения сцены. В приборах названного типа использу ется принцип сканирования матрицы фоточувствительных ячеек с прямым измерением светового потока. При сканировании по строке на опрос одной ячейки требуется время L = 1 + 2 + 3, складывающееся из быстродей ствия 1 ключей выбора столбца, времени 2 затухания переходного про цесса в усилителе и времени 3 работы аналого-цифрового преобразовате ля. При сканировании по столбцам на переключение ключей выбора ячей ки требуется время C.

Пусть изображение раскладывается на N строк (с первой по N-ю) и Управление, вычислительная техника и информационные технологии M столбцов (с первого по М-й). Время, прошедшее от начала опроса ячей ки Cmn до окончания опроса ячейки Ckn, если k m, и время, прошедшее от начала опроса ячейки Cmn до окончания опроса ячейки Ckl, если n l, определяется по зависимостям:

(k m + 1) L, если m 1;

mn kn = (k m + 1) L + C, если m = 1;

(16) (M m + k + 1) L + (l n 1)M L + (l n )C, если m 1;

mn kl = (M m + k + 1) L + (l n 1)M L + (l n + 1)C, если m = 1.

(17) За время изображение сцены сместится по координатам Y и Z на величины, определяемые выражением (14). Это иллюстрируется рис. 2, где показано изображение объекта на плоскости YOZ, представляющее собой прямоугольник размером RS пикселей. Если скорость центральной точки проекции равна Y, опрос ячеек в строках производится за время L, а & Z & переключение со строки на строку производится за время С, то форма прямоугольника искажается. Направление сканирования может, как совпа дать с направлением смещения изображения, так т быть противоположно направленным. В общем случае динамические аберрации сканирования приводят к тому, что прямоугольник преобразуется:

в параллелограмм, если направление скорости vZ совпадает с на правлением сканирования Z;

в трапецию, если направление скорости vZ противоположно на правлению сканирования Z.

Y Y..

Y Y.

S. S Z Z R Z R Z Y Y..

..

Z Z Y Y S S R Z R Z Рис. 2. Аберрации изображения в системах с фотоэлектронным преобразователем CMOS-типа Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. Указанные особенности следует учитывать при решении задач сты ковки соседних кадров изображения. Одним из этапов стыковки является этап поиска на границах стыкуемых кадров идентичных особых точек [7], которые совмещаются в приграничных областях.

«Смаз» изображения, возникающий вследствие пространственного движения панорамные системы кругового обзора, уменьшает общее коли чество особых точек за счет аппаратной пространственной фильтрации мелких предметов образа сцены парой «объектив/фотоэлектронный преоб разователь» с увеличенной апертурой. Это, с одной стороны способствует ускорению программной обработки панорамного изображения, а с другой стороны, существенно понижает геометрическую точность стыковки.

Геометрические аберрации, возникающие в системах CMOS-типа приводят к исчезновению части особых точек, принадлежащих предметам сцены, образы которых находящимся в концах первых строк. Кроме того, искажаются изображения предметов, содержащих особые точки, а также смещаются координаты особых точек. Все это также снижает точность стыковки соседних кадров и должно учитываться при разработке алгорит мов обработки изображений.

Список литературы 1. Горшков А.А., Ларкин Е.В. Расчет наблюдаемой площади в сис теме с множеством видеокамер // Фундаментальные проблемы техники и технологии // ГУ УНПК. № 4. С. 150 - 154.

2. Аршакян А.А., Ларкин Е.В. Наблюдение целей в информацион но-измерительных системах // Сборник научных трудов Шестой Всерос сийской научно-практической конференции «Системы управления элек тротехническими объектами «СУЭТО-6» Тула: Изд-во ТулГУ, 2012.

С. 222 - 225.

3. Аршакян А.А., Ларкин Е.В. Определение соотношения сигнал шум в системах видеонаблюдения // Известия ТулГУ. Технические науки.

Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 168 - 175.

4. Ларкин Е.В., Котов В.В., Котова Н.А. Система технического зре ния робота с панорамным обзором // Известия ТулГУ. Технические науки.

Вып. 2. Ч. 2, 2009. С. 161 – 166.

5. Ларкин Е.В., Акименко Т.А. Математическая модель накопления заряда в ячейке линейного фотоэлектронного преобразователя // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. 2012. С. 432 - 437.

6. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Лучанский О.А. Оценка «смаза»

изображения в системе технического зрения мобильного колесного робота // / Вестник РГРТУ. Рязань: РИЦ РГРТУ, 2008. С. 77 - 80.

7. The Method of Multiframe Image Filtering // E.V. Larkin [et al] // Machine Graphics & Vision: International Journal. Poland, 1998. Vol. 7. N 3.

Управление, вычислительная техника и информационные технологии P. 645 – 654.

Аршакян Александр Агабегович, канд. техн. наук, докторант, elarkin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет SCENE PANORAMIC OBSERVATION FROM FLYING MACHINE BOARD A.A. Arshakyan The model of panoramic image forming for a case, when a round observation cham ber is placed on a flying machine board, is worked out. Dependencies which are linked flying machine linear and angular co-ordinates alteration with image shift in arbitrary frame of panoramic observation system are obtained. It is shown that in systems with photo-electronic converter based on CCD blur-type dynamic aberrations are arise, but in CMOS photo electronic converters geometrical aberrations are formed. Both types of aberrations create additional difficulties in joint-procedure of panorama neighboring frames.

Key words: scene, panoramic image, frame, flying machine, linear co-ordinates, an gular co-ordinates, aberrations.

Arshakyan Alexander Agabegovich, postgraduate, candidate of technical science, elarkin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University УДК 621. СИСТЕМЫ ТЕПЛОВИДЕНИЯ Е.В. Филиппова, А.Е. Филиппов Рассмотрен способ получения теплового изображения. Представлена обоб щенная структурная схема получения теплового изображения. Описаны коэффициен ты излучательных способностей различных тел и коэффициент пропускания среды.

Рассмотрено устройство тепловизионной аппаратуры. Авторами предложено обес печить тепловизионным комплексом мобильный робот, предназначенный для сканиро вания местности с распознаванием получаемых образов.

Ключевые слова: тепловое излучение, тепловизор, коэффициент излучения, ко эффициент пропускания, изображение, наблюдение, робот.

Тепловизионные приборы начали свое развитие в 60-е годы ХХ ве ка и в настоящее время получили широкое распространение в науке и тех нике [1]. Использование тепловизоров обусловлено такой сферой деятель ности, где необходимо оперативно и своевременно отслеживать тепловые изменения.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. Диапазоны тепловизионной аппаратуры охватывают следующие области длин волн: 8 - 14 мкм – область далекого инфракрасного излуче ния и 3 - 5,5 мкм – среднего инфракрасного излучения. Именно в этих об ластях приземные слои атмосферы прозрачны для инфракрасного излуче ния, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурой от -50 оС до 500 оС максимальна [2].

Структурная схема тепловизора представлена на рисунке.

Обобщенная структурная схема тепловизора Тепловые изображения создаются главным образом за счет собст венного излучения и различий в излучательной способности [1].

Чтобы обнаружить, а затем и опознать объект, он должен отличать ся по температуре от фона на достаточную величину, которая позволила бы отделить его от других вариаций фона.

Обычные тела в общем случае не являются черными телами, поэто му поглощают только часть А падающего излучения, отражают часть R и пропускают часть T. Эти коэффициенты селективны, то есть А(), R() и T() зависят от длины волны. Коэффициент () компенсирует поглощение А(). Различные материалы обладают различными значениями спектраль ного коэффициента излучения (): абсолютно черное тело имеет излуча тельную способность = 1 во всем диапазоне длин волн;

для серого тела в определенном диапазоне длин волн = const 1. Излучательная способ ность селективного излучателя 0 () 1 и может быть однозначной функцией того или иного вида. Излучательная способность зависит так же от угла зрения [2].

Тепловое излучение ослабляется при прохождении через земную атмосферу вследствие поглощения и рассеяния молекулами газа, скопле ниями молекул (аэрозолями), дождем, снегом, дымом, туманом, смогом.

Наиболее сильно излучение поглощается парами воды, углекислым газом, Управление, вычислительная техника и информационные технологии озоном. На данной длине волны при определенном состоянии атмосферы коэффициент пропускания атмосферы определяется законом, () = exp (– () R), где R – расстояние или длина пути, а () – показатель ослабления. Пока затель ослабления равен сумме показателей рассеяния () и поглощения ():

() = () + ().

Показатели рассеяния и поглощения в свою очередь состоят из молекуляр ной и аэрозольной компонент:

() = m() + (), () = m () + ().

Средний коэффициент пропускания атмосферы в определенном диапазоне 1 – exp( ( ) R)d.

2 1 = Фоточувствительным элементом современного тепловизионного прибора является фокально-плоскостная двумерная многоэлементная мат рица фотоприемников (FPA - focal-plane array), изготовленная на основе полупроводников - примесных кремния и германия. От характеристик объ ектива, так же как и от характеристик матрицы, во многом зависит точ ность тепловизора, дальность обнаружения теплового излучения, угол ра боты устройства и т. д. Линза такого объектива не может быть изготовлена из стекла, так как оно не способно пропускать инфракрасное излучение.

Поэтому линзы для тепловизоров изготавливаются из очень редких мате риалов, преимущественно из германия [4].

Особый интерес представляет конфигурация тепловизора и видео камеры, которая в условиях видимости может фиксировать изображение, уловленное до этого в инфракрасном диапазоне (дальность видения тепло визора может в разы превышать дальность видения обычной видеокаме ры). Изображения как накладываются друг на друга, так и транслируются отдельно. Специальное программное обеспечение позволяет настроить ра боту тепловизионного комлпекса, максимально эффективно скоординиро вав работу всех входящих в него устройств.

Видеокамера и тепловизор имеют поля зрения, которые пересека ются между собой. Данные от источников поступают на видеосервер, где с помощью специально разработанного алгоритма обрабатываются. Алго ритм подавляет избыточную информацию и выводит обработанный ре зультат. Такая система позволяет сопоставить образы, получаемые от теле визионной и тепловизионной камер. При этом уменьшается возможность ложных интерпретаций образов, а искусственные ориентиры намного лег че детектировать.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. Тепловизионный комплекс устанавливается на мобильный робот или на выносную систему видеонаблюдения для наблюдения с борта мо бильного робота или со стороны, а также для осуществления кругового на блюдения со стационарной позиции в опасной для человека зоне.

Дополнение системы видеонаблюдения робота тепловизором зна чительно повышает качественные характеристики от использования робо та в уже известных областях и открывает новые перспективные возмож ности применения не только мобильного робота, но и стационарной систе мы наблюдения.

Список литературы 1. Дж. Ллойд. Системы тепловидения / под ред. А.И. Горячева. М.:

Мир, 1978. 407 с.

2. Госсор Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, приме нение: пер. с франц. М.: Мир, 1988. 416 с.

3. Л.З. Криксунов. Справочник по основам инфракрасной техники.

М.: Сов. Радио, 1978. 400 с.

4. Ушакова М.Б. Тепловизоры на основе неохлаждаемых микробо лометрических матриц: современное состояние зарубежного рынка и пер спективы развития. М.:ОНТИ ГУП “НПО “Орион”, 2001. 27 с.

5. http://teplovizor.su/proizvodstvo Филиппова Екатерина Вячеславовна, аспирант, kisskin@bk.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет, Филиппов Александр Евгеньевич, техник, djkorry@mail.ru, Россия, Тула, ООО «Группа МИГ»

THERMOVISION SYSTEMS E.V.Filippova, A.E.Filippov The way of obtaining the thermal image is considered. The generalized block dia gram of obtaining the thermal image is submitted. Coefficients of radiating abilities of vari ous bodies and coefficient of a transmission of the environment are described. The device of the thermovision equipment is considered. Authors it is offered to provide with a thermovi sion complex the mobile robot intended for scanning of the district with recognition of re ceived images.

Key words: thermal radiation, thermal imager, radiation coefficient, transmission coefficient, image, supervision, robot.

Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, postgraduate, kisskin@bk.ru, Russia, Tula, Tula State University, Filippov Aleksandr Evgenevich, technician, djkorry@mail.ru, Russia, Tula, Limited Liability Company «Gruppa MIG»

Управление, вычислительная техника и информационные технологии УДК 681. СУММАТОР–ВЫЧИТАТЕЛЬ СТАРШИМИ РАЗРЯДАМИ ВПЕРЕД НА НЕЙРОНАХ С.С. Шевелев Разработано устройство сумматор–вычитатель старшими разрядами впе ред, выполняющее операции суммирование и вычитание двоичных чисел в прямых ко дах. Операция суммирование выполняется, если числа имеют одинаковые знаковые разряды, в обратном случае выполняется операция вычитание.

Ключевые слова: сумматор, вычитатель, мажоритарные, пороговые и нейро подобные элементы, перенос, заем.

Арифметические операции в электронных вычислительных маши нах выполняются на сумматорах в арифметико–логических устройствах.

По числу входов различают полусумматоры, одноразрядные сумматоры и многоразрядные сумматоры. Многоразрядные сумматоры подразделяются на два типа. Последовательные и параллельные сумматоры. В последова тельных устройствах вычисление результата происходит поочередно раз ряд за разрядом на одном и том же оборудовании. В параллельных сумма торах двоичные числа обрабатываются одновременно по всем разрядам и для каждого разряда имеется свое оборудование.

В современных ЭВМ арифметические операции суммирования и вычитания выполняются с применением дополнительных и обратных ко дов. В прямых кодах сложение и вычитание можно выполнить по следую щему алгоритму. Если операнды имеют одинаковые знаки, то числа сум мируются. Операция вычитания выполняется, если знаки чисел разные.

Для этого используются комбинационные схемы сумматора и вычитателя чисел в прямых кодах. Этот алгоритм позволяет сразу получить правиль ный результат в прямом коде. Для получения суммы двух чисел возможны два случая: 1) слагаемые имеют одинаковые знаки;

2) слагаемые имеют разные знаки. Во втором случае необходимо применить операцию вычита ния чисел. Для этого используется комбинационная схема вычитателя чи сел в прямых кодах Если числа имеют одинаковые знаки, то необходимо сложить два числа, а сумме присвоить знак одного из слагаемых. Вычисление суммы двух чисел с разными знаками осуществляется следующем образом: 1) сравниваются знаки слагаемых и если они одинаковы, то выполняется сложение по первому алгоритму;

2) если знаки слагаемых разные, то срав ниваются числа по абсолютной величине;

3) если есть необходимость, числа переставляются местами, чтобы вычитать из большего меньшее;

4) произвести вычитание двух чисел;

5) результату присваивается знак боль шего слагаемого.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. Этот алгоритм позволяет получить сумму или разность чисел в прямых кодах старшими разрядами вперед. После получения чисел из бло ка ввода операндов и перевода их в двоичную систему счисления необхо димо определить знаки чисел. С помощью операции сумматора по моду лю два происходит определение знаков чисел. Если знаки одинаковые, то результат будет нуль, в этом случае выполняется операция суммирования.

В противном случае результатом сложения по модулю два знаковых раз рядов чисел будет единица, при этом выполняется операция вычитания.

Структурная схема сумматора–вычитателя представлена на рис.1.

Сумматор–вычитатель старшими разрядами вперед на нейронах содержит:

блок ввода чисел, блок компарации, блок суммирования–вычитания, блок регистров большего числа, блок определения переноса или заема, блок ре гистров меньшего числа, блок регистров результата, блок управления, ло гические, мажоритарные и пороговые элементы, формальные нейроны.

БВЧ – блок ввода чисел служит для ввода операндов и знака операции.

БКО – блок компарации служит для сравнения чисел А и В;

БСВ – блок суммирования–вычитания служит для выполнения операций сложения или вычитания;

БРгБЧ – блок регистров большего числа служит для хра нения большего по модулю числа;

БОПЗ – блок определения переноса, за ема служит для обнаружения переноса из младших разрядов в старшие при суммировании или для формирования заема из старших разрядов в млад шие в случае вычитания чисел;

БРгМЧ – блок регистров меньшего числа служит для хранения меньшего по модулю числа;

БРгР – блок регистров результата служит для хранения суммы или разности чисел, а также знака результата;

БУ – блок служит для управления устройством.

На структурной схеме рис.1 показаны управляющие и информаци онные сигналы, а также способы соединения между блоками. Применяют ся наименование сигналов: ПЧ – первое число А2 в двоичном коде;

ВЧ – второе число В2 в двоичном коде;

ДБЧ – большее по модулю число;

ДМЧ – меньшее по модулю число;

СВ – сигнал, определяющий операцию суммирования или вычитания;

РЕЗ – результат суммы или разности;

СД – сигнал сдвига влево на один разряд информации в блоке регистров резуль тата;

ЧМ – двоичные разряды меньшего по абсолютной величине числа;

ЧБ – двоичные разряды большего по модулю числа;

ПЗ – сигнал переноса в старшие разряды или заема из старших разрядов двоичных чисел;

ВБЧ – двоичная информация большего числа;

ВМЧ – двоичная информация меньшего числа;

СДВ – сигнал сдвига информации блока регистров меньшего числа влево на один разряд;

ССД – сигнал сдвига информации блока регистров большего числа влево. СЗП – сигнал запрета работы блока суммирования–вычитания, поступающий на вход комбинационной схемы выдачи результата из блока управления.

Блок 1 ввода чисел содержит шифратор (стандартная клавиатура), сумматор по модулю два. Этот блок позволяет вводить двоичные числа. С Управление, вычислительная техника и информационные технологии выхода шифратора формируется двоичный код чисел со своими знаками:

А2, В2, ЗнР А, ЗнР В. Знаковые разряды с выхода шифратора поступают на вход сумматора по модулю два. Результат этой операции определяет, какую функцию необходимо выполнить устройству – суммирование или вычитание. Сумматор по модулю два реализуется на формальном нейроне ФН. Результат на выходе формального нейрона запишется:

, где ЗнР А, ЗнР В – знаковые разряды чисел. Если СВ равен единице, то необходимо выполнять операцию вычитания, в противоположном случае осуществляется операция сложения. Выходными сигналами блока 1 явля ются двоичные эквиваленты чисел А и В. Операнды будут представлены в прямых кодах.

Блок 2 компарации содержит компаратор, схемы электронных ключей с инверсным и прямым входом, логические элементы. Этот блок предназначен для определения большего числа по модулю. Если на вход сумматора–вычитателя поступят числа с разными знаками, то в блок реги стров большего числа записывается больший по модулю операнд. В блок регистров меньшего числа загружается число меньшее по модулю. Компа ратор представляет собой схему сравнения чисел. Эта схема может быть Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. выполнена на формальном нейроне ФН [1,2]. На вход компаратора посту пают n–разрядные числа А и В без знаковых разрядов. На выходе компара тора имеется три выхода: БЛ – число А больше В, РВ – числа А и В равны по модулю, МН – число А меньше В. Логические схемы И, выполнены на формальных нейронах ФН. Схема конъюнкция описывается с помощью формулы [w1=1, w2=1,..,wn=1;

T=n-1], где w1, w2,..,wn – коэффициенты усиления, а T – пороговое напряжение, n – количество входов. Схема дизъюнкция описывается с помощью формулы [w1=1, w2=1,.., wn=1;

T=0], где w1, w2,..,wn – коэффициенты усиления, а T равное нулю – пороговое напряжение, n – количество входов. Инвертор описывается формулой [w= 1;

T=-1]. При поступлении чисел А2 и В2 на вход компаратора, на выходе компаратора формируется отношение операндов. Если на выходе БЛ будет единица, то это означает, что число А2 больше В2 по модулю. Через от крытые схемы электронных ключей операнд А2 поступит на вход блока регистров большего числа. Меньший по модулю операнд будет записан в блок регистров меньшего числа. Если выходной сигнал МН будет равен единичному значению, что означает число В2 больше по модулю, чем число А2. Через систему электронных ключей число В2 поступит на вход блока регистров большего числа. Число А2 записывается в блок регистров меньшего числа.

Если числа А2 и В2 равны по модулю и имеют одинаковые знаки, то выходной сигнал РВ будет равен единице, а сигналы БЛ и МН будут равны нулю. В регистры большего и меньшего числа будет записано число В2. В этом случае произойдет сложение чисел В2 и В2. Результату будет присвоен знак числа В2. В случае равенства по модулю чисел, а знаки раз личны, то в регистр результата записывается нулевая информация.

Блок суммирования–вычитания БСВ, представленный на рис.2, со держит сумматор по модулю два, выполненный на формальном нейроне, пороговые элементы, комбинационную схему выдачи результата. На по роговом элементе формируется перенос при сложении или заем при вычи тании. Сумматор и вычитатель выполнены на формальных нейронах. На вход блока поступают двоичные разряды чисел А2 и В2, а также перенос (заем) ПЗ из младших (старших) разрядов. Информация поступает на вход сумматора–вычитателя поразрядно в последовательном режиме: ЧБ – разряд большего числа, ЧМ – разряд меньшего числа, ПЗ – перенос (заем), а также признак суммирования–вычитания сигнал СВ.

На пороговом элементе формируется перенос в старшие разряды при сложении или заем из старших разрядов при вычитании. Пороговые элементы составляют сумматор [1,2].

На входы этих пороговых элементов поступают двоичные разряды чисел А и В, а также перенос ПЗ из младших разрядов в старшие. Двоич ные разряды поступают поразрядно: ЧБ – разряд большего числа, ЧМ – разряд меньшего числа, ПЗ – перенос, заем, а также признак суммирова Управление, вычислительная техника и информационные технологии ния–вычитания СВ. Пороговые элементы и образуют схему вычитателя чисел от большего меньшего. Логические элементы И выполняют роль электронных ключей. Управляющим сигналом для них является признак суммирования–вычитания СВ. На пороговые элементы этот сигнал посту пает через инверторы соответственно. Если признак операции СВ сумми рования–вычитания будет равен нулю – выполнение операции суммирова ния, то соответствующий электронный ключ будет открыт, а остальные электронные ключи будут заперты, управляющий сигнал СВ поступает че рез инверторы. На выходе порогового элемента сформируется перенос из старших разрядов в следующий больший по весу разряд, если на входе этого порогового элемента будет не менее двух единиц. По приходу из блока управления БУ управляющего сигнала СЗП – сигнала запрета равно го единице комбинационной схемы выдачи результата, этот перенос ПР будет записан через открытый электронный ключ в блок регистров ре зультата. Разряды суммы Si при этом с выхода порогового элемента посту пать не будут, т.к. этот пороговый элемент будет заперт сигналом СЗП, который поступает на управляющий вход этого элемента через инвертор.

Вначале необходимо получить перенос, если он будет получен. Затем управляющий сигнал СЗП комбинационной схемы выдачи результата ус танавливается в нулевое значение, при этом логический элемент И будет заперт, а электронный ключ будет открыт. Через его будут поступать оче редные разряды суммы чисел А и В. Логическая схема ИЛИ, выполненная на пороговом элементе, выполняет собирательную функцию комбинаци онной схемы выдачи результата. Выходной сигнал РЕЗ при суммировании в начале равен только сигналу ПР – переносу, затем всегда будет равен очередному значению суммы двоичных разрядов А и В – Si. Если признак операции СВ будет равен единице, это означает выполнение операции вы читания. В этом случае разряды разности чисел большего и меньшего бу дут формироваться на выходе порогового элемента и через открытый элек тронный ключ (схема И) и пороговый элемент (схема ИЛИ) комбинаци онной схемы выдачи результата разряды разности, которые будут посту пать на вход блока регистров результата.

Блок 4 регистров большего числа содержит n логических схем ИЛИ, выполненных на пороговых элементах: n триггеров Трn, где n – ко личество разрядов входного числа. Этот блок предназначен для хранения двоичного кода большего по модулю операнда.

Блок 5 определения переноса, заема содержит n сумматоров по мо дулю два: выполненных на формальных нейронах, n мажоритарных эле ментов: выполняющих функцию по определению переноса в старшие раз ряды при суммировании или заема из старших разрядов при вычитании.

Блок 6 регистров меньшего числа содержит n триггеров Трn, где n – количество разрядов большего входного числа: n логических схем ИЛИ, выполненных на пороговых элементах. Блок 6 регистров меньшего числа Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. предназначен для хранения двоичного кода меньшего по модулю числа.

Блок 7 регистров результата содержит m – триггеров Трm, где m – количество разрядов необходимое для получения результата заданной точ ности: для хранения двоичных разрядов результата. А также в состав блока входит триггер ТрЗ предназначенный для хранения знакового разряда ре зультата. В блоке регистров результата формируется поразрядно результат при выполнении операций сложения или вычитания.

Работа сумматора–вычитателя старшими разрядами вперед на ней ронах заключается в следующем. С выхода шифратора БВЧ двоичные ко ды операндов А2 и В2 поступают в регистры большего и меньшего числа.

На сумматоре по модулю два определяется знак результата. Если числа имеют одинаковые знаки, то вычисляется сумма чисел. Знак результату присваивается знак любого из слагаемых. Если знаки чисел разные, то проводится операция вычитания. Из большего по модулю числа вычитает ся меньшее. Знак результату в этом случае присваивается знак большего по модулю числа. При суммировании чисел из младших разрядов в стар шие определяется перенос, который поступает на вход сумматора. При выполнение операции вычитания формируется заем из старших разрядов в Управление, вычислительная техника и информационные технологии младшие. Заем поступает на вход вычитателя. На первые входы сумматора по модулю два блока 5 поступают двоичные разряды операндов из блока регистров большего числа. На вторые входы всех сумматоров блока по ступает признак операции суммирования–вычитания СВ. Если признак СВ равен нулю, выполнение операции сложения, то сумматоры выполняют функцию повторителей. В этом случае все входные разряды в прямом коде поступают на первые входы соответствующих мажоритарных элементов блока 5. Если признак операции СВ равен единице, выполнение операции вычитания, то все входные двоичные коды поступают на входы мажори тарных элементов в обратном коде. В этом случае сумматоры по модулю два работают как инверторы. На вторые входы мажоритарных элементов поступает информация с выходов предыдущих мажоритарных элементов.

В блоке используются трехвходовые мажоритарные элементы. Единица на выходе мажоритарного элемента будет только тогда, когда будет боль шинство единиц на входе. На третьи входы мажоритарных элементов по ступают двоичные коды из блока регистров меньшего числа в прямом ко де. Выходной сигнал ПЗ будет равен единице в том случае, когда возник нет перенос из младших разрядов в старшие при сложении чисел и при возникновении заема в младшие разряды из старших при выполнении опе рации вычитания от большего по модулю числа меньшего.

Управляющие сигналы сдвига ССД, СДВ поступают на входы триггеров блоков 4 и 6 из блока 8 управления. При этом осуществляется операция сдвига информации влево на один разряд. Двоичные коды чисел А2 и В2, записанные в триггерах блоков будут сдвинуты на один разряд влево. На выходах первых триггеров Тр1 блоков будут поступать очеред ные разряды чисел. Триггера этих блоков образуют реверсивные регистры со сдвигом информации на один разряд влево.

Управляющий сигнал сдвига СД из блока 8 управления, поступает на входы триггеров блока 7. Операция сдвига информации на один раз ряд влево осуществляется по мере получения очередного разряда результа та. Двоичный код результата, записанный в триггерах блока, будет сдвинут на один разряд влево. Операция записи очередного разряда результата и сдвига будет осуществляться до тех пор, пока не будет получен результата суммы или разности заданной точности. Полученный результат суммы или разности хранится в регистре блока 7. Из блока управления поступит управляющий сигнал РЗ – разрешение записи. После этого в триггер ТрЗ блока запишется знаковый разряд результата – ЗнР [3].

Предложенная структурная схема имеет ряд достоинств. Одним из основных является простота комбинационной схемы устройства, и низкая стоимость. В памяти устройстве не нужно хранить все разряды результата до его окончательного получения, достаточно получать побайтно, затем передать на входы других устройств. Это значительно экономить память процессора. Возможность увеличение количества триггеров и мажоритар Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. ных элементов справа в устройстве, значительно расширит разрядную сетку представления двоичных чисел. Этот фактор влияет на точность вы числения результата. К недостаткам следует отнести последовательное по лучение разрядов результата, переноса и заема.

Сумматоры с параллельным переносом имеют максимальное быст родействие. В каждом разряде одновременно вырабатываются выходные величины, но при этом возникает проблема о превышении возможности базовых логических элементов. По этой причине сумматоры с параллель ным переносом применяются лишь для малого числа разрядов.

Минимальное время суммирования обеспечивают сумматоры с па раллельно–параллельным переносом, так как параллельный перенос воз никает, как в группах, так и между ними.

В электронных вычислительных машинах применяются сумматоры с групповой структурой. Переносы формируются параллельно с примене нием функций генерации и передачи переносов. Схемы одноразрядных сумматоров составлены из логических элементов. В нейровычислителях применяются мажоритарные, пороговые и нейроподобные элементы.

Список литературы 1. Мкртчян С.О. Проектирование логических устройств ЭВМ на нейронных элементах. М.: Энергия, 1977. С.482.

2. Вавилов Е.И., Егоров Б.М., Ланцев В.С., Тоценко В.Г. Синтез схем на пороговых элементах. М.: Сов. радио, 1970. С.250.

3. Патент 2205444 Сумматор–вычитатель старшими разрядами впе ред на нейронах / С.С. Шевелев Шевелев С.С., кан. техн. наук, доц., schewelew@mail.ru, Россия, Курск, Юго западный государственный университет SUMMER–SUBTRACTOR SENIOR CATEGORY ON NEURON ONWARD S.S. Shevelev The Designed device summer–subtractor senior bit onward, executing operations summation and subtraction binary numbers in direct code. The Operation summation is exe cuted if numbers have an alike sign bits, in inverse event is executed operation subtraction.

Key words: summer, subtractor, voting, porogovye and neuro–similar elements, carrying, borrow.

Shevelev S.S., candidate of technical sciences, docent, schewelew@mail.ru, Russia, Kursk, South Western State University Материаловедение МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ УДК 669.14.018.291:621.785.533:620.186. АНАЛИЗ ФАЗОВОГО СОСТАВА НИКОТРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ НА КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ П.И. Маленко Представлены результаты исследования фазового состава и структурных характеристик никотрированных покрытий на конструкционных хромомолибденвана диевых сталях, микролегированных ниобием и цирконием.

Ключевые слова: процесс никотрирования, фазовый состав, конструкционные стали, легирующие элементы, «белый» слой, диффузионная зона.

Долговечность деталей автоматики высокоскоростных машин опре деляется как комплексом свойств по объему, так и функциональными экс плуатационными параметрами поверхностного слоя. Желательный ком плекс свойств поверхностного слоя по твердости, усталости, контактной выносливости, прочности сцепления с основным материалом, высоким триботехническим свойствам наиболее вероятно получить на основе хими ко-термических технологий. Наиболее эффективное использование с пози ций минимизации эффектов коробления деталей, внутренних напряжений и трещинообразования возможно в случае низкотемпературного их испол нения.

Развитие имеют комбинированные способы низкотемпературной обработки на основе совместного насыщения поверхностного слоя азотом и углеродом и, в частности, такой газовый вариант химико-термической обработки как никотрирование [1]. Формирование слоя при никотрирова нии происходит из газовой среды на основе аммиака в соответствии с диа граммой состояния «железо-азот» [2]. Диссоциация аммиака при насыще Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. нии и появление в активной среде наряду с азотом атомарного водорода приводит к обезуглероживанию поверхности стали. Для подавления этих негативных эффектов широко используют введение в аммиачную атмосфе ру различных углеродсодержащих газов (природного, эндо- или экзогаза).

Углерод принимает участие только в формировании поверхностных зон слоя и способствует образованию в них карбонитридов [3] в процессе ле гирования азотной -фазы. Снижение азота в -фазе активирует ее склон ность хрупкому разрушению [4] и ухудшает эксплуатационные свойства никотрированных покрытий.

К настоящему времени существует недостаточно систематических данных по особенностям структурообразования при никотрировании кон струкционных сталей, в том числе по макродефектности структуры «бе лых» никотрированных слоев, оказывающей главенствующее влияние на процессы поверхностной повреждаемости при трении скольжения.

Целью данной работы явилось исследование фазового состава и структурной гетерогенности никотрированных слоев конструкционных хромомолибденванадиевых сталей, микролегированных ниобием и цирко нием.

Методика проведения исследований Было проведено семь плавок и получено соответственно семь марок легированных конструкционных сталей, в которых комбинировались раз личные сочетания элементов: Mo-Ni-W-V-Nb-Zr. Стали выплавляли в от крытой индукционной печи модели ОЗЦНИИМЧ емкостью 50 кг расплава.

Слитки ковали на прутки диаметром 50 мм и полосы размером 20x60x мм. Перед механической обработкой при получении исследовательских образцов заготовки отжигали при температуре 860 0С в течение 4 часов с окончательным охлаждением вместе с печью. В табл. 1 приведен химиче ский состав полученных марок сталей.

Таблица Химический состав конструкционных сталей Номер Марка стали Содержание элементов, % масс.

марки C Cr Mo Ni Nb W V Zr стали 1 25Х3М3НБЦА 0,25 3,16 2,80 0,41 0,29 - - 0, 2 25Х3М3Н5БЦА 0,25 3,16 2,80 4,96 0,29 - - 0, 3 25Х3М3Н5ВБЦА 0,24 2,98 3,10 4,94 0,29 0,44 - 0, 4 25Х3М3НЦА 0,24 2,88 1,56 0,41 - - - 0, 5 25Х3М3НФЦА 0,26 3,00 2,90 0,41 - - 0,19 0, 6 25Х3М3НВЦА 0,27 2,88 2,90 0,42 - 0,25 - 0, 7 25Х3МНЦА 0,27 2,88 1,56 0,41 - - - 0, Материаловедение Указанные стали были условно разбиты по наличию микролеги рующих добавок ниобия и циркония на две группы:

группа «БЦА» – номера сталей 1 … 3;

группа «ЦА» – номера сталей 4 … 7.

Все исследуемые стали никотрировали в шахтной муфельной печи типа СШО в газовой смеси аммиака и эндогаза. В процессе насыщения контролировали: температуру никотрирования;

давление, состав и расход газовой смеси;

степень диссоциации аммиака. По окончании насыщения охлаждение осуществляли по двум режимам: замедленно вместе с печью и ускоренно в струе газа.

Использование различных методов исследования: металлографиче ских, дюрометрических, рентгеноструктурных позволило провести ком плексное изучение фазового состава никотрированных покрытий и диффу зионных зон.

Структурные исследования выполняли на металлографических микроскопах МИМ-8 и Neophot-21 в диапазоне увеличений 200 … крат. на продольных (для послойного анализа) и поперечных шлифах.

Структуру никотрированного слоя выявляли путем травления в 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Для измерения микротвердо сти использовали прибор ПМТ-3 с нагрузкой 100 грамм. Измерения про водили на простых и косых поперечных и продольных шлифах. Для вы полнения рентгеноструктурных исследований предварительно готовили поперечный или продольный шлиф. При послойном анализе измерения начинали с перемещения вглубь слоя с шагом 5 мкм. Снятие слоев осуще ствляли электрополировкой в электролите состава: 100 мл фосфорной ки слоты и 20 г хромового ангидрида при напряжении 20 В и температуре С. Образцы после никотрирования снимали на установке «ДРОН-2» со сцинтилляционной регистрацией дифракционного монохроматизированно го -кобальтового излучения с длиной волны 1,79020А. Автоматизирован ная съемка производилась с учетом вывода информации на рентгенограм му, которая затем обрабатывалась методом гармонического анализа со гласно специальным программам на ЭВМ.

Результаты исследований и их обсуждение Никотрированный слой состоит из карбонитридной поверхностной зоны в виде «белой» нетравящейся полосы и диффузионного подслоя – так называемой зоны внутреннего азотирования [2]. Обычно «белый» слой имеет толщину до 30 мкм и выполняет основные триботехнические функ ции по защите деталей от повреждаемости. Диффузионная зона в зависи мости от химического состава стали может иметь глубину до нескольких микрометров и предопределяет в основном несущую силовую способность поверхностного слоя материала.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. Независимо от среды насыщения процессы структурообразования при никотрировании определяются сначала преимущественно диффузией азота, а затем конкурирующим взаимодействием азота и углерода в матричном растворе, а также в области нитридных и карбидных частиц. На поверхности формируется карбонитридная -фаза, имеющая гексагональ ное кристаллическое построение типа Fe2-3(N,C) [5]. Фаза типа карбонитрид может растворять достаточное количество углерода и менять свой состав от Fe2N до Fe8С3N [3].

Второй внутренней составляющей «белого» слоя является -фаза, имеющая практически чисто нитридный характер, так как растворяет в се бе мало углерода. Эта фаза кристаллизуется на основе ГЦК-решетки желе за, устойчива только до температуры 670 0С, при превышении которой она трансформируется в -фазу [6].

Легирование сталей влияет на характер структурообразования в «белом» слое и диффузионной зоне. Легирующие элементы изменяют рас творимость азота в -фазе, растворяются в - и -соединениях, а также об разуют собственные нитриды [7]. Переходные элементы: хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и в меньшей степени цирконий и ниобий, рас творяясь в феррите, повышают растворимость азота в -фазе. С другой стороны в процессе насыщения часть атомов железа в микрокристалличе ских конфигурациях - и -фазы может замещаться легирующими элемен тами, в результате чего возникают комплексные нитриды типа (Fe,Me)m(N,C)n. Устойчивость нитридов легирующих элементов, также как и карбидов, возрастает в следующей последовательности:

NiFeCrMoWNbVZrTi.

С учетом данных [8, 9] легирующие элементы можно разделить по их распределению в фазах и способу образования нитридов на три группы.

1. Карбидная группа: элементы входят преимущественно в карбиды типа MeC, а формирование сложных по стехиометрии нитридов происхо дит по карбонитридному механизму. К данной группе относятся такие сильные карбидо- и нитридообразующие элементы как Ti, Zr, Nb.

2. Твердорастворная группа: элементы, формирующие нитриды при их непосредственном взаимодействии с азотом, растворенным в твердом растворе. Соответствующая этому механизму реакция: N+MeMeN опре деляется взаимной диффузией азота и легирующих элементов и характерна для Fe, Cr, Mo, W, для которых затруднено карбидно-нитридное превраще ние.

3. Карбидотвердорастворная группа: элементы, присутствующие как в карбидах, так и в твердом растворе и занимающие промежуточное положение по их сродству к азоту и углероду. К таким элементам относят в первую очередь Cr и V при их концентрации в сталях не более 2…6 %. Для данной группы легирующих элементов нитриды могут формироваться как по карбидному принципу, так и согласно твердорастворного механизма.

Материаловедение Таким образом, при никотрировании легированных сталей строение однофазного -слоя или двухфазного (+)-покрытия может быть весьма сложным с точки зрения соотношения нитридных, карбидных и карбонит ридных фаз.

Послойный анализ фазового состава поверхностных никотрирован ных слоев показал, что основными вторыми фазами являются: нитридные соединения типов Fe2-3N, Fe4N;

карбонитрид Fe3(С,N), а также карбиды ти па Me3С. В табл. 2 представлены результаты послойного анализа, в котором количество каждой фазы отражено относительными по параметру ампли туд соответствующих пиков рентгенограммами. Распределение нитридных, карбонитридной и карбидной фаз для исследуемых сталей различно как по поверхности, так и по глубине эффективного участка диффузионных зон.

На поверхности никотрированных сталей процессы нитридообразования протекают более глубоко в случае микролегирования обоими добавками:

ниобием и цирконием (рис. 1). При этом повышение концентрации никеля в сталях типа «БЦА» обусловливает значительное увеличение объема вто рых фаз по сравнению с основной сталью №1 (25Х3М3НБЦА), причем до полнительное легирование стали «БЦА+5%Ni» вольфрамом (сталь №3) усиливает отмеченный эффект. На рис. 1 отмечается также, что соотноше ние объемов нитридной Fe2-3N, (или Fe2N и Fe3N по отдельности) и осо бенно Fe4N-фаз по отношению к карбонитридной фазе Fe3(N,C) возрастает.

В то же время для сталей класса «ЦА» (рис. 2, а) содержание нитридных Fe2N и Fe4N-фаз по отношению к карбонитридной ничтожно мало, а введе ние дополнительных карбидообразующих вольфрама (рис. 2, б) и ванадия (рис. 2, в) не приводит к активизации процессов нитридообразования.

Распределения фаз по глубине диффузионных зон имеют одинаково монотонный характер для всех исследуемых сталей;

причем «крутизна»

характеристик значительней для сталей группы «БЦА». Закономерности распределения карбидной фазы подобны, причем максимальное количест во соединений типа Me3С наблюдается в сталях группы «БЦА», что можно объяснить наличием в них карбидообразующего ниобия.

Линеаризация кривых распределения исследуемых фаз по глубине никотрированного слоя в двойных логарифмических координатах позволи ла получить эмпирическое уравнение для количества любого соединения Ci в любой точке слоя hсл в интегральной интерпретации Сi = C0 hслК С, (1) где C0 – объемная доля фазы на поверхности диффузионной зоны.

В табл. 3 представлены полученные на основании анализа данных по фазовому составу значения параметров C0 и КС уравнения (1). Как вид но из табл. 4, с повышением содержания в сталях никеля, способного рас творяться в железной основе в значительных количествах, а также карби дообразующего вольфрама в сталях типа «БЦА» объемная доля всех нит Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. ридов по отношению к карбонитридной фазе в «белом» слое возрастает.

Таблица Содержание основных фаз по глубине никотрированных сталей Номер марки Толщина Содержание фаз стали слоя h, Fe2-3N Fe4N FemNn Fe3(N,C) Me3C мкм 1. №1 (БЦА) 0 0,21 0,01 0,22 0,38 0, 10 0,24 - 0,24 0,53 0, 25 0,23 - 0,23 0,63 0, 75 - - - - 0, 2. №2 0 0,62 0,04 0,66 1,11 0, (БЦА+Ni) 10 0,53 0,25 0,78 1,04 0, 25 0,31 0,15 0,46 0,63 0, 75 0,09 0,03 0,12 0,25 0, 3. №3 0 0,73 0,31 1,04 1,12 1, (БЦА+Ni+W) 10 0,44 0,20 0,64 0,85 1, 25 0,08 - 0,08 0,33 0, 75 - - - - 0, 4. №4 (ЦА) 0 0,06 0,01 0,07 0,11 0, 10 0,02 - 0,02 0,05 0, 25 - - - - 0, 75 - - - - 0, 5. №5 0 0,16 0,01 0,17 0,17 0, (ЦА+W) 10 0,06 - 0,06 0,07 0, 25 0,02 - 0,02 0,07 0, 75 - - - - 0, 6. №6 0 0,11 0,02 0,13 0,12 0, (ЦА+V) 10 0,07 - 0,07 0,10 0, 25 0,02 - 0,02 0,07 0, 75 - - - - 0, 7. №7 0 0,15 0,01 0,16 0,52 0, (25Х3МНЦА) 10 0,19 - 0,19 0,45 0, 25 0,05 - 0,05 0,09 0, 75 - - - - На рис. 3 представлены зависимости, отражающие изменение отно сительного содержания карбидной Me3С, карбонитридной Fe3(N,C) и нит ридных FemN на основе железа фаз по мере возрастания микротвердости никотрированных покрытий.

Материаловедение Рис. 1. Распределение нитридных Fe2N, Fe3N, Fe4N и карбонитридной Fe3(N,C) фаз по глубине никотрированных слоев hсл сталей типа «БЦА»

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. Рис. 2. Распределение нитридных Fe2N, Fe3N, Fe4N и карбонитридной Fe3(N,C) фаз по глубине никотрированных слоев hсл сталей типа «ЦА»

Материаловедение Таблица Значение эмпирических параметров уравнения (1) для нитридных, карбонитридной и карбидной фаз Номер Параметр С0 Параметр КС марки стали Fe2N Fe3N Fe4N Fe3(N,C) Me3C Fe2N Fe3N Fe4N Fe3(N,C) Me3C № след след 0,06 0,26 1,01 0,80 0,21 0,40 0,26 0, (БЦА) № 0,11 0,40 0,50 0,32 0,50 0,46 0,12 0,18 0,32 0, (БЦА+Ni) № 0,18 0,30 1,00 0,20 1,00 0,69 0,36 0,36 0,20 0, (БЦА+Ni+W) №4 (ЦА) след 0,02 0,16 след след 0,16 - 0,31 0,35 0, № 0,08 след 1,00 след след 0,15 0,68 - 0,36 0, (ЦА+W) № след след 0,04 след след 0,15 - - 0,68 0, (ЦА+V) Таблица Соотношение нитридных и карбидных фаз в «белом» слое никотрированных сталей Номер марки стали Fe3(N,C) Fe2N Fe3N Fe4N Me3C №1 (БЦА) 1,00 0,17 0,32 0,07 1, №2 (БЦА+Ni) 1,00 0,20 0,38 0,28 0, №3 (БЦА+Ni+W) 1,00 0,25 0,40 0,34 1, №4 (ЦА) 1,00 - 0,25 - 2, №5 (ЦА+W) 1,00 - 0,17 - 1, №6 (ЦА+V) 1,00 - 0,21 - №7 (25Х3МНЦА) 1,00 - 0,37 0,10 1, Достоверным экспериментальным фактом является то, что законо мерности для классов «БЦА» и «ЦА» сталей различаются.


Для первой группы сталей с ниобием и цирконием повышение твердости от марки № до марки №1 сопряжено с уменьшением содержания карбидной, карбонит ридной и карбидных фаз. Подобное «аномальное» структурное явление, несмотря на прямую зависимость между содержанием легирующих эле ментов и микротвердостью, может быть сопряжено с влиянием на пара метр твердости дополнительных, помимо фазового состава, факторов, на пример, пористости «белого» слоя. С другой стороны, микролегирование сталей ниобием в несколько раз, как видно из рис. 3, повышает удельную долю перечисленных выше фаз. С повышением содержания никеля в БЦА сталях в «белом» слое возрастает от 3 до 5 раз содержание нитридных фаз FemN, до 3 раз карбонитридной Fe3(N,C) и карбидной Me3С соответствен но. Добавка в никелесодержащую сталь №3 (25Х3М3Н5ВБЦА) вольфрама Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. повышает содержание карбидной фазы типа Me3С.

Рис. 3. Характер взаимообусловленности параметров: плотности частиц второй фазы f и содержания карбидных Me3C, карбонитридной Fe3(N,C) фаз в «белых» слоях и их микротвердость:

- – плотность частиц f;

- количество Me3C-фазы;

- – количество Fe3(N,C)-фазы (по горизонтальной оси с №1 по №7 обозначены марки никотрированных сталей) Для второй группы сталей, микролегированных только цирконием, содержание фаз, хоть и в незначительной степени, возрастает коррелятивно с повышением микротвердости (или содержания карбидообразующих эле ментов) «белого» слоя. Однако фазовый состав поверхностного слоя сталей «ЦА» характеризуется более низким содержанием всех трех Me3С, Fe3(N,C) и FemN соединений.

Выводы 1. Фазовый состав «белого» слоя неравнозначен для классов сталей «БЦА» и «ЦА». В сталях первого типа в присутствии обоих микролеги рующих элементов ниобия и циркония процессы нитридообразования про текают более глубоко. При этом легирование никелем обусловливает зна чительное увеличение объемов - и -нитридных фаз.

2. Для сталей второго класса наличие карбидообразующих вольф рама и ванадия не приводит к активации процессов нитридообразования.

Материаловедение 3. Зависимость объемов нитридных и карбонитридной фаз в «бе лом» слое от микротвердости имеет разнонаправленное изменение для «БЦА» и «ЦА» классов сталей: обратное для первого и коррелятивное (прямое) для второго.

Список литературы 1. Yu Qi. Азотирование стали 25 СГ // Heat. Treat Metals. 1994. No. 2.

P. 40-41.

2. Лахтин Ю. М. Перспективы развития низкотемпературных про цессов химико-термической обработки // Повышение надежности и долго вечности деталей машин и инструмента методами химико-термической обработки. М.: МАДИ, 1981. С. 4-10.

3. Лахтин Ю. М., Коган Я. Д. Азотирование стали. М.: Машино строение, 1976. 256 с.

4. Лахтин Ю. М., Коган Я. Д. Структура и прочность азотированных сплавов. М.: Металлургия, 1982. 240 с.

5. Прокошкин Д. А. Химико-термическая обработка металлов карбонитрация. М.: Машиностроение, 1984. 240 с.

6. Cbyon S. D., Shih H. C. Структура и электромеханические свойст ва низкоуглеродистой стали, подвергнутой газовому азотированию // Mater.

Sed. Anct. Eng. A. 1990. V. 129. No. 1. P. 108-117.

7. Теория и технология азотирования / Ю. М. Лахтин [и др.]. М.:

Металлургия, 1991. 318 с.

8. Прогнозирование распределения твердости в азотированном слое сталей / Ю.М. Лахтин [и др.] // МиТОМ. 1986. № 1. С. 14-17.

9. Семенова Л. М., Пожарский А. В., Мешков А. М. Современное состояние и опыт внедрения процессов химико-термической обработки // МиТОМ. 1987. № 5. С. 12-14.

Маленко Павел Игоревич, канд. техн. наук, доц., malenko@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет ANALYSIS OF PHASE COMPOSITION NIKOTRIROVANNYH COATINGS ON STRUCTURAL STEEL P.I.Malenko The paper presents the results of a study of the phase composition and structural characteristics of coatings on nikotrirovannyh hromomolibdenvanadievyh structural steels microalloyed with niobium and zirconium.

Key words: process nikotrirovaniya, phase composition, structural steel, alloying elements, the “white” layer, the diffusion zone.

Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical science, docent, malenko@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. УДК 669.131.7.001. ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ ТЕРМООБРАБОТКИ Р.Н. Зенкин, М.М. Уткин, А.И. Вальтер Приведены результаты экспериментального исследования механических свойств высокопрочного чугуна ВЧ 60 на основе изучения микроструктуры при закалке и последующим отпуске.

Ключевые слова: высокопрочный чугун, шаровидный графит, микроструктура, механические свойства, термообработка, твердость Прочностные свойства чугуна определяются структурой металли ческой основы, а также формой и размерами графита. Влияние структур ных и фазовых составляющих матрицы на механические свойства чугуна аналогично стали. Влияние графита в наибольшей степени определяется его формой.

Шаровидная форма включений графита является наиболее ком пактной, она имеет наименьшее отношение поверхности включений к их объему, в результате чего рабочее сечение отливки ослабляется в меньшей степени, а концентрация напряжений на включениях графита практически отсутствует. При такой форме включений графита резко возрастают не только прочностные, но и пластические свойства чугуна. Поэтому чугун с шаровидным графитом, как конструкционный материал ценен не столько прочностью, сколько пластичностью и вязкостью [2].

Улучшение механических свойств, т.е. снижение твердости и улучшение обрабатываемости отливок, снятие внутренних (остаточных) напряжений, исправление неудовлетворительной первичной литой струк туры (отбела), а также формирование заданной микроструктуры чугуна не свойственно литому состоянию [1].

Так как при получении первичной литой структуры невозможно получить все требуемые прочностные характеристики материала, были разработаны, а затем исследованы процессы термической обработки для изменения микроструктуры литого чугуна. С целью влияния на изменение микроструктуры были выбраны пять наиболее часто используемых видов термообработки:

низкотемпературный отжиг для снятия внутренних напряжений.

Выдержка в 1 ч. при температуре 400-600 °С, с последующим остывании на воздухе;

графитизирующий отжиг. Для частичного снятия цементитных включений. Нагрев до температуры 950 °С в течение 1,25 ч, затем охлаж дение с печью до температуры 770 °С, с последующей выдержкой в тече Материаловедение ние 1 ч. Затем охлаждение с печью до температуру 680 °С в течение 1 ч с последующей закалкой в воде;

закалка. Нагрев до температуры 900…1100 °С с последующей вы держкой в течение 2 ч, после закалка в воде;

закалка и отпуск. Нагрев до температуры 900…1100 °С с после дующей выдержкой в течение 2 ч, после закалка в воде. Затем нагрев до температуры 600 °С и выдержкой 2,5 ч с последующим остывании на воз духе;

графитизирующий отжиг. Для частичного снятия цементитных включений. Нагрев до температуры 950 °С в течение 1,25 ч, затем охлаж дение с печью до температуры 770 °С с последующей выдержкой в тече ние 1 ч. Затем охлаждение с печью до температуры 680 °С в течение 1 ч с последующим остывании на воздухе.

Для изготовления высокопрочного чугуна требуется произвести выбор плавильного агрегата и расчет шихтовых материалов [3]. При полу чении литых образцов была выбрана индукционная тигельная печь ИТЧ-6.

Размеры образцов 20х20х15 мм. Для последующего микроскопиче ского анализа был выбран горизонтальный металлографический микро скоп МИМ-8М, оснащенный цифровой фотокамерой DCM500.

В данной работе приведены результаты по одному виду термиче ской обработки закалка с последующим отпуском.

Закалка заключалась в нагреве чугуна выше критических темпера тур формирования аустенитной структуры, насыщении ее углеродом и по следующем охлаждении с повышенной скоростью, которое предотвращает выделение феррита или перлитное превращение. Переохлажденный аусте нит в этом случае полностью или частично превращается в бейнит или мартенсит. Нагрев до температуры 900…1100 °С с последующей выдерж кой в течение 2 ч, после закалка в воде. На рис.1 и 2 приведена микро структура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в исходном литом состоянии.

Рис. 1.Структура чугуна Рис. 2. Структура чугуна до закалки после травления до закалки Согласно имеющимся данным образец (рис.1) соответствует клас Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. сификации: по структуре, форме, размеру графита: ШГф3 (компактная);

ШГд45 (диаметр включений);

ШГр2 (неравномерное);

ШГ4 (% количество включений). По типу матриц: П45 (Ф55).

После закалки произошло изменение микроструктуры. Видно, что перлит перешел в бейнит. Заметны мелкие крапины цементита. Соответст венно произошло изменение твердости чугуна. Вид микроструктуры об разца после закалки приведен на рис. 3.

Закалка высокопрочных чугунов совместно с отпуском обеспечива ет повышение прочности, вязкости и износостойкости.

Режим отпуска был проведен для снятия термических и литейных напряжений, а также формирования такой структуры металлической осно вы чугуна, которая обеспечивает оптимальное сочетание прочности и вяз кости чугуна. Отпуск проводился в режиме: нагрев деталей (отливок) до температур 200...600 °С, выдержка при этой температуре в течение 0,5...4 ч и последующее охлаждение на воздухе. Микроструктура чугуна после за калки и отпуска приведена на рис. 4.

Рис. 3. Структура чугуна Рис. 4. Структура чугуна после закалки после закалки и отпуска На рис. 5 и 6 приведены виды микроструктуры литого чугуна, под вергнутого травлению и после высокотемпературного отжига.


Рис. 5. Структура чугуна Рис. 6.Структура чугуна до высокотемпературного отжига после высокотемпературного после травления отжига Согласно данным образец после высокотемпературного отжига со ответствует классификации: по структуре, форме, размеру графита: ШГф Материаловедение (шаровидная неправильная);

ШГд45(диаметр включений);

ШГр1 (равно мерное);

ШГ10(% количество включений). По типу матриц П45(Ф55).

После закалки и отпуска произошло заметное изменение микро структуры. Установлено, что перлит превратился в мелкодисперсный сор бит. Соответственно произошло изменение твердости. Данные по измере нию твердости двумя методами, полученные в результате различных видов термообработки, приведены в таблице.

Таблица твердости по Бринеллю и Роквеллу Вид термообработки Бринелль, НВ Роквелл, HRC Низкотемпературный отжиг 229 Высокотемпературный графитизирующий отжиг с 120 последующим охлаждением в воде Высокотемпературный графитизирующий отжиг 200 с последующим остывании на воздухе Закалка 495 Закалка и отпуск 272 Таким образом, по результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Согласно проведенным экспериментам требуемый уровень меха нических свойств высокопрочного чугуна ВЧ60 (твердость, прочность, из носостойкость, вязкость и др.) достигается нагревом чугуна выше критиче ских температур формирования аустенитной структуры, насыщения ее уг леродом и последующим охлаждением с повышенной скоростью, которое предотвращает выделение феррита и с последующим перлитным превра щением.

2. В результате термообработки литой структуры закалкой и после дующим высокотемпературным отжигом переохлажденный аустенит пол ностью или частично превращается в бейнит, который и обеспечивает, требуемую твердость и пластичность чугуна.

Список литературы 1. Производство отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом / А.И. Беляков [и др.];

под ред. А.И. Белякова. М.: Машино строение, 2010. 435 с.

2. Мургаш М.И, Чаус А.С., Покусова М. К. Выбор химического состава высокопрочного чугуна // Литейное производство. М.: Машино Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. строение. 1999. №3. С. 14-17.

3. Рубинштейн Э.Г., Зайцев М.В. Оптимизация состава шихты и свойств высокопрочного чугуна // Литейное производство. М.: Машино строение. 1989. №10. С. 14-15.

Зенкин Р.Н., аспирант, valter.alex@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет, Уткин М.М., студент, valter.alex@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет, Вальтер А.И., д-р техн. наук, проф., valter.alex@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет THE MICROSTRUCTURE OF HIGH-STRENGTH CAST IRON WITH VARIOUS METHODS OF HEAT TREATMENT R.N. Zenkin, M.M. Utkin, A.I. Walter The results of the experimental study of mechanical properties high-strength cast iron RF 60 on the basis of the study of the microstructure by quenching and subsequent vacation.

Key words: high-strength cast iron, spherical graphite, microstructure, fur-technical properties, heat treatment, hardness Zenkin R.N., postgraduate, valter.alex@rambler.ru, Russia, Tula, Tula state University, Utkin M.M, student, valter.alex@rambler.ru, Russia, Tula, Tula state University, Walter A.I., doctor of technical Sciences, Professor, valter.alex@rambler.ru, Russia, Tula, Tula state University Материаловедение УДК 669.14:531.44:621. МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО УДАРА ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ СО СМАЗОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ И ОЦЕНКА ЕГО ВЛИЯНИЯ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ СТАЛЕЙ П.И. Маленко, А.Ю. Леонов Даны модельные представления термического удара в континуальном при ближении (сплошная среда) и на уровне кристаллической решетки, возникающего при трении скольжения сталей со смазочным материалом. Показано, что термический удар приводит к появлению высоких давлений, распространяющихся в поверхностных слоях сталей в виде волн расширения-сжатия. Определено, что эти волны вызывают как бездиффузионные (полиморфные) превращения, так и аномально высокую скорость диффузионного массопереноса при температурах ниже температур кине тических превращений диаграммы состояния “температура - процентное содержа ние”. Определены расчетные значения возникающих давлений и коэффициентов диф фузии.

Ключевые слова: трение со смазкой, вторичные структуры, структурно фазовые превращения, термический удар, термоупругие напряжения, фазы высокого давления, полиморфные превращения, диффузионный массоперенос, коэффициент диффузии.

Введение Экспериментально установлено, что в процессе трения в контакти рующих поверхностных слоях сталей формируются вторичные структуры, фазовый состав которых отличается от исходного состава и определяет эксплуатационные (адгезионные) свойства пар трения [1, 2]. Подобный процесс характерен и для деталей узлов автоматики стрелково-пушечного вооружения, работающих в условиях трения скольжения с ресурсным сма зыванием, подверженных повышенному износу. Режимы эксплуатации уз лов следующие: давление на контакте Рк 10 МПа, скорость трения Vтр 10 м/с, зазоры (щели) между контактирующими поверхностями h = 10-5 … 10-4 м, параметр шероховатости поверхности трения Ra = (1,2 … 0,63)·10-6 м. Детали изготавливаются из теплостойкой стали 25Х3М3НБЦА и проходят операцию низкотемпературного насыщения азотом и углеродом (никотрирование).

Анализ экспериментальных данных, полученных методом рентге ноструктурного анализа, показал, что структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях деталей имеют свои особенности [2]:

изменение диаграммы изотермических превращений “температура процентное содержание” в результате смещения кинетических кривых превращений в сторону пониженных температур;

аномально высокую скорость диффузионного переноса в направле Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. нии поверхности трения, то есть против температурного градиента.

Из литературных данных известно, что аналогичные аномалии воз никают при высокоинтенсивном импульсном воздействии на сталь источ никами различной физической природы, в частности, механической и теп ловой [3, 4]. В результате в стали возникают фазы высокого давления и отмечается высокая скорость диффузии. При трении имеют место подоб ные явления, определяемые морфологией контактирующих поверхностей в виде суб- и микрошероховатостей и условиями нагружения на контакте.

Моделирование температурных процессов показало, что на пло щадках контакта, формирующихся на суб- и микрошероховатостях в ре зультате приложенного давления, возникают высокотемпературные пуль сирующие поля со следующими параметрами [5, 6]: темп тепловвода dT = 106 … 109 К/c;

скорость тепловвода U = 104 … 107 1/c, плотность d мощности теплового потока q0 = 109 … 1010 Вт/м2. За исключением пара метра q0, который на два-три порядка ниже, они соответствуют параметрам лазерного облучения металла, приведенных в работах [4]. Высокие значе ния темпа тепловвода позволяют говорить о существовании термических ударов, инициированных на площадках контакта микронеровностей тем пературой трения. Помимо термических ударов в результате тангенциаль ного соударения микронеровностей скорость деформации = 103…104 1/с, & что соответствует механическому удару [5].

Динамическая реакция поверхностного слоя на термические удары состоит в возникновении термоупругих напряжений на механические уда ры – вязких контактных напряжений [7].

Цель работы заключается в моделировании параметров термическо го удара и исследовании влияния динамической реакции среды на отме ченные выше особенности структурно-фазовых превращений.

Методика проведения исследований. Исследования производи лись расчетно-аналитическими методами на основе теории термоупруго сти, теории теплопроводности и теплопередачи, динамической теории кри сталлической решетки с последующим сопоставлением полученных ре зультатов с экспериментальными данными.

Результаты исследований. Следует выделить два подхода при мо делировании термического удара и реакции среды на удар: в континуаль ном приближении (среда предполагается сплошной) и дискретном (среда рассматривается на уровне кристаллической решетки).

Континуальное приближение. В отличие от классической теории теплопроводности, основанной на гипотезе Фурье о распространении теп ла в сплошной среде q = dT, уравнении теплопроводности параболиче dx ского типа и постулирующей бесконечную скорость распространения теп Материаловедение ла VТ, континуальный подход предполагает конечность VТ, осно ванную на гипотезе о релаксации теплового потока (для стали время ре лаксации р ~ 10-11 c). Влияние скорости VТ становится заметным, когда в нестационарном температурном процессе рассматривается малый проме жуток времени. Термический удар соответствует данным условиям, так как с учетом инерционных эффектов = 10-4 … 10-6 с. В этом случае урав dT dq нение распространения тепла имеет вид q = r, а скорость d dx a VT =, где а – коэффициент температуропроводности (VT = 103 м/с).

r Процесс распространения тепла носит волновой характер и описывается гиперболическим уравнением теплопроводности.

Проанализируем более детально процесс распространения тепла.

Согласно классическим представлениям в сталях с примесями и в неупо рядоченных сплавах перенос тепла осуществляется электронами и связан с их рассеянием на тепловых колебаниях ионов со скоростью VТ, а также фононами, то есть звуковыми волнами со скоростью Vр [8]. Качественная оценка соотношения электронного 1 и фононного 2 механизмов переноса ТМ тепла дается следующим выражением [9] ~ 1 ~, где T ~ (5 … 2 m 7)·10-2 эВ – температура в энергетических единицах, ~ 10 эВ – энергия электрона, M, m – соответственно массы атома и электрона.

Расчеты показывают, что = 2 … 3.

В работе [10] определена динамическая реакция среды на термиче ский удар на основе обобщенного уравнения энергии, предполагающая со вместность рассмотрения действия термического удара, температурного поля и динамической термоупругости.

Задача рассматривается в безразмерных переменных V p 5 10 3 м / с Vp Vp (z l ),,= / Fo = = = 5, z= a a VT 10 м / с ( ) ( ) zz ( z, ) T ( z, ) T0 E z / z / z /, Fo = ;

T z /, Fo = ;

S= T, S (Tc T0 ) 1 Tc T где l – размер, определяющий на оси z точку приложения термического удара (ТУ), – продолжительность ТУ, Тс – температура среды, Т0 – на чальная температура, Т – коэффициент линейного расширения, Е, – со ответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона.

Основное уравнение динамической термоупругости в напряжениях // z z имеет вид Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. () 2 z / z / = T z,, z / 0, Fo 0.

2 / z/ z/ (1) /2 2 Fo Fo z Краевые условия (z, Fo) Fo=0 = Foz // / z Fo =0 = 0. (2) // zz (z /, Fo) z =0 = Foz // z = 0. (3) // / z / = zz Функция температуры является решением следующей задачи ( ) ( ) ( ) T z /, Fo 2T z /, Fo 2T z /, Fo, z / 0, Fo 0.

= (4) Fo 2 Fo z / Краевые условия ( ) ( ) T z /, Fo / / Т z, Fo Fo =0 = Fo = 0 = 0, z 0. (5) Fo ( ) [( ] ) Fo / / Fo T z /, / exp d = 2 Bi T z /, Fo z =0 1, Fo 0. (6) z = / z / c (T (z /, Fo)), z / 0, Fo 0, (7) где / p – текущее время, c =.

p Условие (6) отражает ТУ, возникший вследствие нагрева средой.

В рассматриваемом в статье случае под средой понимается слой смазки в зазоре (щели) между контактируемыми деталями (стенками). В работе [10] не рассматривается решение термоупругой и тепловой задач с краевым ус ловием (6). В этой связи остановимся на решении данной задачи. Во первых, авторы работы [10] ошибочно включили в условие (6) критерий подобия Био Bi, отражающий теплообмен стенки со средой, так как ТстТсм. В данном случае нужно вводить критерий Нуссельта Nu, учиты вающий конвективный теплообмен между смазкой со стенкой. Во-вторых, анализ правой части условия (6), сделанный на основе положений работы [5] показал, что правая часть в размерных переменных должна иметь вид 2 q, где q0 – плотность теплового потока от смазки к стенке, см – коэф см фициент теплопроводности смазки. Для пульсирующих ТУ в безразмер ных переменных правая часть (условие (6)) будет равна 2 q0 a q* =.

см V p (Tc T0 ) Материаловедение Определим плотность мощности теплового потока q0. Так как тем пературы Тж = 200 … 500 0С, то смазка будет находиться в состоянии пле ночного или пузырькового кипения. Максимальное значение q0 имеет при пузырьковом кипении. Собственно смазка отделена от поверхности нагре ва кипящим слоем, в результате чего возникает интенсивный молярный перенос и температура на поверхности скачкообразно изменяется Т С. На субшероховатостях данный скачок имеет место при суб = 10-8 с, то есть практически мгновенно после начала процесса трения. В этом случае q0 рассчитывается по зависимости [11] k ck / q0 = (Tж + T ), (8) где коэффициент теплопроводности слоя k = 0,24 Вт/(м·0С), теплопровод ность сk = 2,4·103 Дж/(кг·0С), плотность / = 18 кг/м3, = 3·10-12 с.

Расчеты показали, что q0 = (5,6 … 11)·109 Вт/м2.

Решения дифференциальных уравнений (1), (4) гиперболического типа связано с применением функции Грина и пространства изображений по Лапласу. Опуская далее громоздкие вычисления, приведем для пульси рующего режима нагревания окончательные результаты в безразмерных переменных.

Безразмерные термоупругие напряжения по оси z ( i/ ) / = 2,2 … zz 5,4, где i = 1 … 8 – отражает распределение напряжений по временной оси (i ) Fo. Отметим, что каждая из составных частей, вызванная пульси z/ z/ рующим тепловым потоком от нагрева средой, порождает диффузионную волну, возникающую сразу в каждой точке поверхностного слоя, и про дольную волну расширения, время подхода которой к сечению z поверхно z стного слоя определяется как п =, где Vр – скорость распространения Vр звуковой волны.

Можно предположить, что диффузионная волна возникает за счет электронного механизма переноса тепла, а продольная упругая волна – за счет фононного механизма.

В теории термического удара важный элемент исследования – рас чет скачков напряжения на фронте термоупругой волны через внешние граничные функции теплового воздействия.

Формулы для расчета скачков термоупругой волны имеют вид [10] z/ exp.

1 = 2 = 4 = 6 = q* (9) Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 3 = 5 = 7 = 8 = q*, (10) где q* = 1 … 2,4.

Суммарные напряжения ( ) / = + q* = 3,2 … 7,8. График z/ z/ / ( ) zz функции Fo приведен на рис. 1. Напряжения в абсолютных ве z/ z/ личинах для температур Т = 200 … 500 0С zz = (9,8 … 24)·1010 Па.

Величина давления в поверхностном слое стали определяется как взятое с обратным знаком среднее из трех главных напряжений zz + xx + yy Р=, (11) где xx = yy = zz.

Рис. 1. Зависимость безразмерного напряжения от времени Fo в сечении z/ = 2 пульсирующего теплового потока ( –––––– – T = 500 0С, (-- -- -- -- – T = 200 0С) При отрицательных термоупругих напряжениях происходит сжатие поверхностного слоя, при положительных – растяжение.

Значения максимальных давлений Р для температурных диапазонов Т = 200 … 500 0С, возникающих на суб- и микрошероховатых площадках Материаловедение контакта приведены в табл. 1.

Механический удар вызывает в поверхностной зоне вязкие напря жения в =, где = (5 … 5,8)105 Пaс [12], коэффициент динамиче & ской вязкости стали при скорости деформации = 103 … 104. Следова & тельно в = (0,5 … 1) ГПа.

Таким образом, приповерхностный слой находится в вязкоупругом состоянии в течение времени релаксации = (1 … 2)·10-6 с [13] и в нем воз никают вязкоупругие напряжения. Однако, как показали расчеты, динами ческая реакция вязкоупругих сред Максвелла на термический удар несу щественно отличается от динамической реакции упругих сред и при изу чении поведения вязкоупругих сред под действием термического удара могут применяться соотношения для упругих сред [7].

Дискретный подход.

Дискретный подход рассматривает структурное состояние поверх ностного слоя на уровне кристаллической решетки и предполагает, что в результате действия термического удара в среде возникают ударные волны расширения-сжатия с образованием отрицательного давления и с амплиту дой, пропорциональной плотности мощности теплового потока W [14]. В результате в поверхностном слое образуется неравновесная область с ха рактерным временем акустической релаксации р 10-6 с.

В данном случае релаксация представляет собой частный случай, когда система стремится к равновесию по изменению одного параметра – давления Р. Релаксация достигается либо акустической разгрузкой, либо структурно-фазовыми превращениями в стали, если давление не успевает релаксировать путем акустической разгрузки. Так как время фазовых пре вращений ф р, в частности, время полиморфных превращений состав ляет 10-13 с, то в стали будут происходить фазовые превращения (диффузи онные и бездиффузионные).

Таблица Значения давления Р в поверхностном слое в континуальном и дискретном приближении Подходы Испытание Тип Микрошероховатость Субшероховатость контакта T, 0C Континуальный Сжатие 200 300 400 подход Р, ГПа 6 8,9 11,8 14, Растяжение Р, ГПа 6 8,9 11,8 14, Т, 0С Дискретный 200 300 400 подход Параметр 8 8 8 Г Р, ГПа 5,4 8,1 10,8 13, Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. Давление от термического удара целесообразно определять по зави симости [14] T P ~ Гc dT, (12) T где с и - соответственно теплоемкость и плотность стали, Т1 – Т0 – диапа зон исследуемых температур, Г – параметр Грюнайзена.

Т Для приведенных температур T * =, где - температура Дебая.

Г = 1,5 … 2,5. Однако в поверхностной зоне, как показали эксперимен тальные исследования, параметр Г увеличивается от 2 до 5 раз [15].

Результаты расчетов по формуле (12) для температурного диапазо на Т = 200…500 0С приведены в табл. 1.

Полученные результаты позволяют, в частности, выявить причину полиморфных превращений в сталях (рис. 2) [3] и объяснить ха рактер изменений значений Jp рентгеновских пиков для фаз в различных температурных зонах (рис. 3) [5].

Рис. 2. Фрагмент диаграммы “T-P” для стали [3] Причиной полиморфных превращений является релаксация давле ния Р сжатия в зоне действия термического удара. В микроконтактной зо не трения (Т = 200…300 0С) превращения отсутствуют. Об этом сви детельствует постоянство значений Jp рентгеновских пиков для -Fe (рис.

3). В субшероховатой зоне (Т = 400…500 0С) происходят превраще ния. Об этом свидетельствует синхронное изменение -Fe и -Fe значений Jp рентгеновских пиков. Следует при этом отметить, что решетки - и фаз (ОЦК и ГП решетки) хорошо сопрягаются между собой. Переход осу ществляется путем потери устойчивости ОЦК решетки при всестороннем сжатии. Ровный характер линии -Fe свидетельствует о том, что пере ходов не наблюдается, так как ОЦК и ГЦК решетки трудно сопрягаются между собой. Переход фактически не наблюдался, хотя процесс трансформации ГП в ГЦК имеет место.

Материаловедение Рис. 3. Характер изменения значений Jp рентгеновских пиков для фаз в различных температурных зонах при трении [2] Диаграмма “T-P”, приведенная на рис. 2, свидетельствует о том, что в результате действия сжимающего давления имеют место полиморфные (бездиффузионные) механизмы.

Проанализируем далее причины аномального ускорения диффузи онного процесса под действием термического удара. Контактные и упругие напряжения, проникая вглубь поверхностного слоя, воздействуют на диф фузионную подвижность атомов в решетке. Оценка влияния упруго волновых воздействий на динамику поведения атомов может быть осуще ствлена с помощью потенциалов парных взаимодействий (ППВ) (r) [14].

На рис. 4 схематически представлен ППВ атомов в равновесном состоянии и при волновом нагружении механическими и термическими ударами.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.