МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ
Представлены результаты исследования фазового состава, морфологии поверхности, размера зерна и механических свойств субмикроструктур на основе хрома и никеля до и после быстрой термической обработки при температуре от 200 до 550 °С. Морфологию поверхности и размер зерна определяли с помощью атомно-сило- вой микроскопии, механические свойства – методом наноиндентирования. Быстрая термическая обработка субмикроструктур на основе никеля и хрома существенно влияет на изменение фазового состава, морфологии поверхности, размера зерна и свойств. Происходит формирование силицидов (по диффузионному механизму) и новых фаз: фаза CrSi2 формируется при температуре 350 °С и выше, фаза Ni2Si – при 300 °С, а фаза NiSi – при 350 °С и выше. При изменении фазового состава происходит рост размера зерна. В диапазонах БТО от 200 до 300 °С и от 450 до 550 °С для субмикроструктур на основе хрома корреляция микротвердости и размера зерна выполняется согласно закону Холла–Петча – микротвердость растет с уменьшением размера зерна. Для субмикроструктур на основе никеля закон Холла–Петча выполняется в диапазоне температур от 200 до 300 °С и от 500 до 550 °С. В диапазоне температур 300–450 °С для субмикроструктур на основе хрома и 300–500 °С для субмикроструктур на
основе никеля микротвердость снижается с уменьшением размера зерна и наоборот, то есть происходит «отрицательный эффект Холла–Петча». Такой эффект связан с фазовыми переходами Cr → CrSi2 и Ni → Ni2Si → NiSi, реструктуризацией субмикроструктур из-за диффузионного механизма, морфологической перестройки вакансионных дефектов и отжи гом точечных дефектов внутри зерен, а также соответствующей реконструкцией межзеренных границ. Рассмотренные субмикроструктуры на основе хрома и никеля можно применять в микроэлектронике для диодов Шоттки, омических контактов и затворов.
МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА
Базируясь на том, что сложность конструкции изделия влияет на трудоемкость его изготовления и эффективность эксплуатации, сформулировано понятие сложности изделия по определению количества уровней структуры конструкции. Предлагается представить структуру конструкции изделия с помощью графа, отражающего связи между элементами конструкции изделия, а их подчиненность показывать посредством конструкторских баз каждого элемента и описывать количеством уровней и числом элементов на каждом уровне графа. Показано, что структура конструкции влияет на построение маршрута сборочного технологического процесса изделия. В связи с этим предложено дополнить исходные данные для проектирования сборочного технологического процесса графом с указанием на его ребрах модулей соединений. Это позволяет при наличии элементной базы средств технологического обеспечения модулей соединений определять ожидаемую трудоемкость сборки изделия.
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований электропластического волочения (ЭПВ) электротехнического алюминия на промышленном многоходовом стане. Рассмотрено влияние импульсного тока плотностью ~ 103 А/мм2 и длительностью ~ 10–4 с на реализацию ЭПВ в деформационном узле с волокой, нагруженном выше предела текучести, в условиях возбуждения электронной подсистемы металла, и показана принципиальная возможность управления деформационными процессами для улучшения физико-механических свойств технического алюминия. Выявлено, что в условиях электропластичности за счет пондеромоторных эффектов в зоне деформации с периодичностью импульсов тока на фронте их нарастания создается ультразвуковая вибрация, которая обусловливает дополнительные механические напряжения остова кристаллической решетки и активно влияет на кинетику пластической деформации, что способствует улучшению характеристик. Областями технологического применения ЭПВ являются сверхтонкое, тонкое волочение проволоки (до диаметра ~ 1 мм), прокатка тонкого листа, вытяжка и штамповка материала. Указанные технологии обеспечивают выпуск самой массовой продукции металлообрабатывающей промышленности.
ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН
Представлены результаты численного моделирования интенсификации теплообмена в канале прямоугольного сечения (0,005 × 0,031) м длиной 0,175 м. Нижняя поверхность канала равномерно нагревается до 343 К, а ее охлаждение осуществляется воздушным потоком при двух значениях расхода Q = 0,0010044 и 0,00209 м3/c и температуре 293 К. Интенсификация теплообмена совершается вихревыми генераторами (ВГ), расположенными на нагреваемой и противоположной ей поверхностях канала. Вихревые генераторы состоят из двух прямоугольных пластин (высота пластин h = 0,002 м, длина l = 0,015 м), установленных по нормали к поверхности и под углом атаки α = 15° к потоку. Нижние ВГ генерируют пары продольных вихрей, которые формируют за пластинами общие потоки, направленные к нагретой стенке, а верхние пары вихрей генерируют общие потоки, направленные от стенки к центру канала. Взаимодействие продольных вихрей и создаваемых ими вторичных потоков с основным потоком усиливает смешение внутри канала и теплообмен с поверхностями. Исследование выполнено методом RANS в интервале чисел Рейнольдса 1200–2600, рассчитанных по высоте вихревого генератора и скорости потока на входе в канал. Показано, что тепловая мощность канала с вихревыми генераторами на нижней поверхности увеличивается по сравнению с аналогичной в канале с гладкими стенками на 17–23 % соответственно указанным расходам. При расположении ВГ на нижней и верхней поверхностях тепловая мощность возрастает на 27–32 %. Метод может найти практическое применение при разработке конструкций теплообменников для охлаждения малоразмерных источников тепловыделения или для обеспечения теплообмена в труднодоступных областях.
Выполнен анализ особенностей работы электрических нагревателей закрытого вида типа радиационная труба. На основе опыта эксплуатации радиационных труб производства компании «ПромТермоСистема» (Беларусь) показаны ключевые аспекты, влияющие на долговечность нагревателей. В качестве основных технических проблем рассматриваются плотное расположение нагревательных элементов (металлических прутков) в малом объеме и связанные с этим электрические пробои электроизоляционных керамических вставок. На основе теории графов предложен метод анализа коммутации нагревательных элементов при их плотной упаковке, который позволил найти новые рациональные схемы коммутации. Метод основан на построении нумерованных графов на отверстиях в керамическом элементе для нагревательных прутков и нахождении графа с минимальным весом. По смыслу построения графа его вес пропорционален максимальной разности потенциалов между прутками. Найденные схемы коммутации снижают максимальную разность потенциалов на керамических изоляторах на 35–50 %, от 70 В до 35÷45 В, а напряженность электрического поля – от 10 кВ/м до 5,0÷6,5 кВ/м. Это позволяет пропорционально увеличить надежность и долговечность нагревателей, уменьшить вероятность электрических пробоев керамики.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
Представлены математические модели излучаемого, отраженного и разностного радиосигналов, используемых в радиовысотомерах, во временной и частотной областях на основе аналитического метода Габора в квадратурной форме. Рассмотрены симметричный и несимметричный виды линейных частотно-модулированных радиосигналов и ограничения, используемые при их аналитическом применении, а также сигналов, использующих синусоидальный вид модулирующего напряжения. Приведены временной, частотный, корреляционный и счета нулей способы построения. Каждому из методов соответствует одноименный принцип построения. Даны подробные структуры радиовысотомеров, рассмотрены их достоинства и недостатки, а также приведены рекомендации по их использованию.
Выполнено приборно-технологическое моделирование кремниевого p–n+-перехода как в прямо- угольной (декартовой), так и в цилиндрической системах координат. В данной полупроводниковой структуре р-область является базой, а n+-область выполняет функцию эмиттера в биполярном транзисторе n–p–n-типа. Структура исследованного перехода получена в соответствии с технологическим процессом его изготовления, разработанным с помощью двухмерного моделирования с применением программы TSuprem4, входящей в состав программного комплекса фирмы Synopsys. Технологическое моделирование позволило определить конструктивно-технологические параметры исследуемой структуры p–n+-перехода, что дало возможность провести ее приборное проектирование в цилиндрической и в декартовой системах координат с применением программы Medici, которая также входит в состав комплекса программ фирмы Synopsys. С помощью Medici рассчитаны прямые и обратные ветви вольт-амперной характеристики p–n+-перехода для случаев моделирования в указанных типах систем координат и, соответственно, определен ряд электрофизических параметров структуры перехода. Путем сравнения данных, полученных методом приборно-технологического моделирования, установлено, что рассматриваемая структура может рассчитываться в обоих типах систем координат с высокой степенью точности, так как разброс конструктивно-технологических параметров, определенных при технологическом моделировании для разных систем координат, составил 2,6–7,4 %, а разброс электрофизических параметров, вычисленных в процессе приборного моделирования, – 0,09– 8,64 %. Результаты исследования были применены при проектировании новых изделий электронной техники, в основе которых лежит один и более p–n-переходов, при разработке и оптимизации технологических маршрутов их изготовления.
ДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ
Продемонстрирована методика комплексной оценки устойчивости подземных горных выработок в массивах соляных пород. Рассмотрены различные варианты залегания пластов полезного ископаемого, а также наиболее популярные меры охраны подземных выработок, такие как анкеры, компенсационные щели и железобетонные крепи. Предлагаемая методика основана на использовании гибридного численно-аналитического метода для расчета напряженно-деформированного состояния горнотехнических систем, а также применении оригинального комплексного критерия оценки предельного состояния массивов горных пород. В результате обобщения выполненных исследований выделены основные факторы, влияющие на устойчивость подземных выработок: глубина расположения выработки, физико-механические свойства массива горных пород и его горно-геологическое строение, а также применяемые меры охраны. Установлена степень влияния каждого из этих факторов на устойчивость рассматриваемых выработок. На примере решения ряда модельных задач показано, что предлагаемая методика может использоваться для полной и достоверной оценки состояния массивов горных пород в окрестности подземных выработок, а также прогнозирования устойчивости подземных горнотехнических сооружений при различных условиях.
ISSN 2524-244X (Online)