Процессы в металлических материалах при сверхглубоком проникании частиц, разогнанных энергией взрыва
Экспериментальное исследование процессов, происходящих в металлических материалах при их обработке потоком частиц, разогнанных энергией взрыва, в режиме сверхглубокого проникания. Исследование кинетики взаимодействия потока частиц с продуктами детонации.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.08.2018 |
| Размер файла | 559,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
, (1)
где сv и г ? соответственно теплоемкость и плотность материала частицы, которые считаются постоянными; Tр ? температура частиц; qУ ? плотность суммарного теплового потока, которое определяется:
, (2)
где р ? давление газа; k ? постоянная Больцмана; Tg ? температура газа;
m ? масса молекулы газа; е ? поглощательная способность;
м ? температурный коэффициент линейного расширения; Tp ? температура частицы; у ? постоянная Стефана-Больцмана.
Проинтегрировав уравнение (1) определяется время нагрева частицы до температуры плавления:
, (3)
где Tm ? температура плавления материала частицы; Tpo ? начальная температура частицы.
Численные оценки, для частиц вольфрама (сv ~ 24,8 Дж/(К*моль), г ~ 19,34 г/см3, Tm ~ 3695 К) дают значение ф1 ~ 2Ч10-4 с. Численные оценки для частиц нитрида титана (сv ~ 37,11 Дж/(К*моль), г ~ 5,44 г/см3, Tm ~ 3220 К) дают значение ф1 ~ 2,9Ч10-4 с.
Время полного расплавления частицы фm, определяется:
. (4)
Для вольфрама Qm ~ 3,52Ч104 Дж/моль, время расплавления частицы оказывается порядка ~ 4Ч10-4 с., а величина перепада температур не превышает 10 К. Для нитрида титана Qm ~ 8,4Ч104 Дж/моль, время расплавления частицы составляет ~ 6,2Ч10-4 с. Учитывая это, максимальная температура, до которой нагреваются частицы вольфрама, составляет не более 2000 К (tпл=33800С), а частицы нитрида титана 1700 К (tпл=29470С). Таким образом, в большинстве своем порошкообразные материалы в процессе метания не успевают расплавиться. Однако это не исключает возможности их подплавления при соударении с обрабатываемой поверхностью. Эти оценки подтвердились металлографическими исследованиями и значениями твердости покрытий. Так, например, при метании частиц вольфрама гексогеном микротвердость покрытия составляет 340 HV.
Произведена оценка давлений, возникающих в материале преграды, при взаимодействии с ней продуктов детонации и потока частиц. При оценке параметров взаимодействия потока частиц с преградой рассматривалось взаимодействие как сплошного, так и пористого тела. При этом ударная адиабата пористого вольфрама строилась по данным определения волновых скоростей D в пористых образцах, и проводились вычисления по ним с помощью законов сохранения термодинамических параметров ударного сжатия. Результаты приведены в табл. 1, где приведены начальные плотности пористых (с00) и сплошных (с0) металлов, пористость m=с0/с00, массовые скорости u, давления динамического сжатия p.
Таблица 1
Ударная адиабата (p - u) пористого вольфрама (с0=19,17 г/см3) (с00=5,40 г/см3, m=3,55)
|
u, км/с |
0,31 |
0,61 |
0,95 |
1,41 |
1,77 |
1,98 |
2,51 |
|
|
p, ГПа |
1,04 |
2,8 |
6,72 |
15,4 |
23,9 |
29,7 |
48,8 |
Адиабата металлической преграды строилась с использованием уравнения адиабаты для фазы низкого давления (до давления фазового перехода). Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Ударная адиабата (p - u) высокоуглеродистой стали
|
u, км/с |
0,10 |
0,15 |
0,20 |
0,25 |
0,30 |
0,35 |
0,40 |
|
|
p, ГПа |
2,96 |
4,55 |
6,21 |
7,95 |
9,76 |
11,64 |
13,60 |
Расчеты по данным таблиц 1 и 2 показали, что при взаимодействии потока частиц, пористостью m=3,9 интенсивность входящей ударной волны из стали составляет 34 ГПа. При пористости m=4,5 составляет 25 ГПа. При пористости m=8 (данное значение наиболее соответствует пористости потока частиц вольфрама при эксперименте) равняется 10 - 13 ГПа.
Таким образом, процесс сверхглубокого проникания сопровождается взаимодействием, которое отличается от детонационного напыления наличием трех видов растянутых во времени:
1. Относительно слабое взаимодействие потока продуктов детонации с материалом преграды, при котором давление в преграде не превышает давление упругого предвестника - 1 ГПа (измеренное электретными датчиками).
2. На порядок более сильное взаимодействие потока частиц с материалом преграды с давлением 10 - 13 ГПа по всей поверхности образца (рассчитано методом отражения по ударным адиабатам).
3. Локально сильное взаимодействие непосредственно самой частицы с поверхностью преграды. Давление в этом случае для частиц вольфрама достигает 94 ГПа (рассчитано методом отражения по ударным адиабатам).
Выводы
1. С помощью рентгеноспектрального микроанализа подтверждено проникание частиц порошков в материал преград на глубину до тысячи своих исходных размеров, при использовании схем обработки, с различными углами соударения между нормалью ударной волны и поверхностью преграды. Получена глубина проникания: превышающая исходный размер частиц нитрида титана в 300 раз, у образцов с углом соударения с поверхностью 600 и превышающая исходный размер частиц вольфрама более чем в 1000 раз, у образцов с углом соударения с поверхностью 900.
2. Экспериментально показано, что с изменением угла соударения потока частиц, разогнанных энергией взрыва, с поверхностью обработки меняется характер распределения твердости по объему преграды, который зависит от природы частиц порошков. Показано, что в процессе сверхглубокого проникания оптимальным является угол соударения 450, при котором происходит увеличение твердости на глубине 4 мм, как правило, определяющей прочность материалов, в образцах, обработанных частицами порошков на 32 %, а в образцах, обработанных ударной волной на 22 % по сравнению с исходной твердостью образцов, которая равна 180 HV.
3. Проведенные исследования микроструктуры образцов, обработанных потоком частиц, разогнанных энергией взрыва, показали, что проникание частиц во всех используемых схемах обработки сопровождается изменением размера перлита в объеме образцов от зернистого до крупнопластинчатого перлита, вплоть до глубины 15мм от поверхности обработки. На данной глубине микроструктура обработанных образцов не отличается от микроструктуры исходного образца стали У8.
4. Экспериментально подтверждена модель механизма процесса сверхглубокого проникания частиц на основе реализации кавитационного процесса в материале преграды, вызванного высокочастотным скоростным соударением потока частиц, разогнанных энергией взрыва. О данном механизме свидетельствуют характерные прерывистые, не прямолинейные следы проникших частиц и кавитационные полости, в которых они останавливаются.
5. Произведена оценка температуры частиц, участвующих в процессе сверхглубокого проникания, которая показала, что температура частиц в процессе взаимодействия частиц порошка с продуктами детонации при используемых схемах обработки не достигает температуры плавления, а максимальная температура до которой могут нагреться частицы вольфрама составляет не более 2000 К, частицы нитрида титана 1700 К, однако возможно подплавление поверхности при соударении частиц с металлической преградой.
6. Разработана методика обработки материалов установками с направляющим каналом и без него, которые позволяют обрабатывать локальные участки поверхности и всю поверхность образцов потоком частиц, разогнанных энергией взрыва в режиме сверхглубокого проникания, при различных углах соударения между нормалью ударной волны и поверхностью образца. Полученные результаты создают основу научно-обоснованного технологического использования процесса сверхглубокого проникания для упрочняющей обработки металлических длинномерных материалов и деталей сложных форм, с использованием различных углов соударения частиц.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Петров, Е.В. Механизмы взаимодействия потока частиц с преградой [текст] / Кривченко А.Л., Петров Е.В., Кирсанов Р.Г. // Известия СГСХА, 2006. №3. С. 49-51.
2. Петров, Е.В. Влияние потока высокоскоростных частиц на свойства малоуглеродистых сталей [текст] / Кирсанов Р.Г., Кривченко А.Л., Петров Е.В. // Известия СГСХА, 2007. №3. С. 159-162.
3. Петров, Е.В. Изменение структуры инструментальных сталей при обработке потоком частиц вольфрама [текст] / Кирсанов Р.Г., Кривченко А.Л., Петров Е.В., Исаев Д.В. // Физика и химия обработки материалов, 2008. №6. С. 46-50.
4. Петров Е.В. Особенности разрушения металлов при импульсном нагружении [текст] / Буравова С.Н., Гордополов Ю.А., Петров Е.В., Полетаев А.В., Рихтер Д.В. //Деформация и разрушение материалов, 2009. №7. С. 7-12.
5. Petrov, E.V. Ultradeep penetration of particles upon their collision witn an obstacle [text] / Krivchenko A.L., Petrov E.V., Kirsanov R.G. // XIII International Symposium on Explosive Production of New Materials, Moscow, Russia, September 11-14, 2006. P. 69-70.
6. Петров, Е.В. Взаимодействие потока частиц при соударении с преградой [текст] / Петров Е.В., Кривченко А.Л., Кирсанов Р.Г. // Тез. докл. 4 Всероссийской школы-семинара по структурной макрокинетике, Черноголовка, ИСМАН, 22-25 ноября, 2006. С. 38-39.
7. Петров, Е.В. Особенности образования адгезионного шва покрытий под действием потока расплавленных частиц [текст] / Беликова А.Ф., Буравова С.Н., Гордополов Ю.А., Петров Е.В. // Сборник научных трудов. Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения», Волгоград, НПМ, 9-12 октября, 2007. С. 125-127.
8. Петров, Е.В. Исследование взаимодействия потока высокоскоростных частиц с малоуглеродистыми сталями [текст] / Кирсанов Р.Г., Кривченко А.Л., Петров Е.В. // Тез. докл. 5 Всероссийской школы-семинара по структурной макрокинетике, Черноголовка, ИСМАН, 26-28 октября, 2007. С. 53-54.
9. Petrov, E.V. Impact of high-sped particles with a metallic obstacle [text] // Krivchenko A.L., Petrov E.V., Kirsanov R.G. // IX International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business, and Innovations (EPNM-2008), Lisse, Netherlands, May 6-9, 2008. P. 90.
10. Петров, Е.В. Особенности разрушения металлов при импульсном нагружении [текст] / Буравова С.Н., Гордополов Ю.А., Петров Е.В., Полетаев А.В. // Тез. докл. 47 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Нижний Новгород, 1-5 июля, 2008. С. 231-233.
11. Петров, Е.В. Особенности взаимодействия потока частиц с преградой при различных углах падения [текст] / Кривченко А.Л., Кирсанов Р.Г., Петров Е.В. // Тез. докл. 14 симпозиума по горению и взрыву, Черноголовка, 13-17 октября, 2008. С. 268.
12. Петров, Е.В. О возможном механизме сверхглубокого проникания потока частиц в преграду [текст] / Трофимов В.С., Петров Е.В. // Тез. докл. 14 симпозиума по горению и взрыву, Черноголовка, 13-17 октября, 2008. С. 303.
13. Петров, Е.В. Исследование особенностей мишеней после обработки потоком частиц с различными углами падения [текст] / Кирсанов Р.Г., Кривченко А.Л., Петров Е.В. Бондаренко А.А. // Сборник научных трудов. Конференция Ударные волны в конденсированных средах, Санкт-Петербург, 23-26 ноября, 2008. С. 238-244.
14. Петров, Е.В. Исследование влияния потока частиц на свойства преграды при различных углах взаимодействия [текст] / Кривченко А.Л., Петров Е.В., Кирсанов Р.Г. // Тез. докл. 6 Всероссийской школы-семинара по структурной макрокинетике, Черноголовка, ИСМАН, 26-28 ноября, 2008. С. 65-66.
15. Петров, Е.В. Особенности взаимодействие потока частиц с металлической преградой при различных углах падения [текст] / Петров Е.В., Кривченко А.Л., Кирсанов Р.Г. // Тез. докл. Международной конференции «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» XI Харитоновские тематические научные чтения, Саров, 16-20 марта, 2009. С. 272-275.
16. Петров, Е.В. Воздействие потока микрочастиц на металлы [текст] / Кирсанов Р.Г., Кривченко А.Л., Петров Е.В. // Тез. докл. XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» Самара, 23-25 июня, 2009. С. 254.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Понятие и принцип работы ускорителей, их внутреннее устройство и основные элементы. Ускорение пучков частиц с высокой энергией в электрическом поле как способ их получения. Типы ускорителей и их функциональные особенности. Генератор Ван де Граафа.
контрольная работа [276,8 K], добавлен 18.09.2015Свойства всех элементарных частиц. Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах. Классификация элементарных частиц. Величина разности масс нейтрона и протона. Гравитационные взаимодействия нейтронов. Экспериментальное значение времени жизни мюона.
реферат [24,3 K], добавлен 20.12.2011Фундаментальные физические взаимодействия. Гравитация. Электромагнетизм. Слабое взаимодействие. Проблема единства физики. Классификация элементарных частиц. Характеристики субатомных частиц. Лептоны. Адроны. Частицы - переносчики взаимодействий.
дипломная работа [29,1 K], добавлен 05.02.2003Взаимодействие заряженных частиц и со средой. Детектирование. Определение граничной энергии бета-спектра методом поглощения. Взаимодействие заряженных частиц со средой. Пробег заряженных частиц в веществе. Ядерное взаимодействие. Тормозное излучение.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 06.02.2008Рассмотрение способов определения коэффициентов амбиполярной диффузии. Общая характеристика уравнения непрерывности. Анализ пространственного распределения частиц. Знакомство с особенностями транспортировки нейтральных частиц из объема к поверхности.
презентация [706,1 K], добавлен 02.10.2013Энергетическое разрешение полупроводникового детектора. Механизмы взаимодействия альфа-частиц с веществом. Моделирование прохождения элементарных частиц через вещество с использованием методов Монте–Карло. Потери энергии на фотоядерные взаимодействия.
курсовая работа [502,5 K], добавлен 07.12.2015Ускорители заряженных частиц как устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц. Общая характеристика высоковольтного генератора Ван-де-Граафа, знакомство с функциями.
презентация [4,2 M], добавлен 14.03.2016Сцинтилляционный, черенковский детектор частиц. Ионизационная камера, пропорциональный счетчик. Требования к детекторам. Каскадный ускоритель, электростатистический генератор. Ускорение протонов при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги.
курсовая работа [4,6 M], добавлен 16.11.2014Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц больших энергий, один из основных инструментов современной физики. Проектирование и испытание предшественников адронного коллайдера, поиск возможности увеличения мощности систем.
реферат [685,8 K], добавлен 01.12.2010Силы, действующие на частицу, осаждающуюся в гравитационном поле. Скорость осаждения твердых частиц под действием силы тяжести в зависимости от диаметра частиц и физических свойств частицы и жидкости. Описание установки, порядок выполнения работ.
лабораторная работа [275,9 K], добавлен 29.08.2015Динамика частиц, захваченных геомагнитным полем, ее роль в механизме динамики космического изучения в околоземном пространстве. Геометрия радиационных поясов Земли. Ускорение частиц космического излучения. Происхождение галактических космических лучей.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 24.06.2015Явление рассеяния света. Воздействие частиц вещества на световые волны. Понятие рэлеевского рассеяния и частицы пигмента. Относительный показатель преломления частиц и среды. Увеличение количества отраженного белого света. Исчезновение насыщения цвета.
презентация [361,6 K], добавлен 26.10.2013Создание физической модели деформации материала. Система кластеров структурированных частиц. Описание механики процесса пластической деформации металла при обработке давлением и разрушения материала при гидрорезке на основе кавитации, резонансных явлений.
статья [794,6 K], добавлен 07.02.2014Изучение процессов рассеяния заряженных и незаряженных частиц как один из основных экспериментальных методов исследования строения атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Борновское приближение и формула Резерфорда. Фазовая теория рассеяния.
курсовая работа [555,8 K], добавлен 03.05.2011Основные свойства стандартного случайного числа. Потенциал парного взаимодействия частиц. Изучение метода Монте-Карло на примере работы алгоритма Метрополиса-Гастингса для идеальной Леннард-Джонсовской жидкости. Радиальная функция распределения частиц.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 27.08.2016Движение несвободной частицы. Силы реакции и динамика частиц. Движение центра масс, закон сохранения импульса системы. Закон сохранения кинетического момента системы. Закон сохранения и превращения механической энергии системы частиц. Теорема Кёнига.
доклад [32,7 K], добавлен 30.04.2009Структуры и свойства материй первого типа. Структуры и свойства материй второго типа (элементарные частицы). Механизмы распада, взаимодействия и рождения элементарных частиц. Аннигиляция и выполнение зарядового запрета.
реферат [38,4 K], добавлен 20.10.2006Исследование электронного пучка, рассеивающегося на мишень. Вычисление коэффициента ассиметрии, функции Шермана и дифференциального сечения при рассеянии релятивистских частиц на кулоновском потенциале. Эксперименты, подтверждающие теорию Мотта.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 23.07.2010Рассмотрение основных особенностей изменения поверхности зонда в химически активных газах. Знакомство с процессами образования и гибели активных частиц плазмы. Анализ кинетического уравнения Больцмана. Общая характеристика гетерогенной рекомбинации.
презентация [971,2 K], добавлен 02.10.2013Экологические проблемы и влияние жизнедеятельности человека на атмосферу и гидросферу Земли. Дисперсные системы. Атмосферные аэрозоли, классификация и размер. Характеристика частиц дисперсной фазы. Газокинетические процессы в дисперсной системе.
дипломная работа [939,8 K], добавлен 12.10.2008
