Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
Том 64, № 4 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-4

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

391-397 127
Аннотация
Представлены результаты исследования структуры и микротвердости фольги сплавов системы свинец–олово, полученной высокоскоростным охлаждением из жидкой фазы. Образец фольги имел следующие размеры: длина – до 10 см, ширина – до 1 см и толщина – 30–80 мкм. Скорость охлаждения расплава составила не менее 105 К/с. Для быстроохлажденной фольги характерна дисперсная структура. Размер выделений олова и свинца не превышает 5 мкм. Удельная поверхность межфазных границ достигает значения 1,7 мкм–1. Из-за переохлаждения в фольге образуется микрокристаллическая структура. Средние длины хорд случайных секущих на сечениях зерен свинца и олова в фольге сплава Pb–73 ат.% Sn равны 0,8 и 1,8 мкм соответственно. В фольге сплавов системы свинец–олово формируется текстура (111) свинца и (100) олова при определенных условиях. Формирование структуры сплавов свинца, содержащих от 20 до 95 ат.% олова, обусловлено протеканием спинодального распада пересыщенного жидкого раствора, а в остальных сплавах – распадом по механизму образования и роста зародышей кристаллических фаз. Расслоение жидкого раствора приводит к формированию областей, обогащенных свинцом и оловом, которые способствуют образованию центров кристаллизации, одинаково распределенных в объеме фольги. Микротвердость фольги сплавов, составы которых близки к эвтектическому, меньше микротвердости массивных сплавов того же состава, что связано с разупрочняющим действием границ зерен и межфазных границ. Выдержка этих сплавов при комнатной температуре вызывает увеличение микротвердости из-за уменьшения проскальзывания на границах. Распад пересыщенных твердых растворов сплавов Pb–5 ат.% Sn и Sn–1 ат.% Pb приводит к уменьшению микротвердости из-за ослабления влияния твердорастворного механизма упрочнения. Результаты исследования могут применяться для создания легкоплавких припоев, подшипниковых сплавов, сплавов для кабельных оболочек с улучшенными физико-химическими свойствами.
398-405 98
Аннотация
Выявление воздействия отклонений от требуемого режима термообработки изделий из инструментальной углеродистой стали У8А является одной из важных задач обеспечения качества изготавливаемой продукции. Анализ проведенных ранее исследований показал, что для большинства стандартных магнитных характеристик инструментальных углеродистых сталей характерна неоднозначная зависимость их величин от режима проведенной термообработки, что не позволяет использовать стандартные магнитные характеристики инструментальных углеродистых сталей для неразрушающего контроля. В работе приводятся результаты исследований магнитных параметров инструментальной высококачественной углеродистой стали У8А при импульсном режиме перемагничивания в разомкнутой магнитной цепи с использованием прибора для измерения магнитной индукции ферромагнитных стержней в процессе импульсного намагничивания-перемагничивания ИМИ–И на цилиндрических образцах. Установлено, что для контроля температуры нагрева под закалку изделий из инструментальной углеродистой стали У8А можно использовать величину разности δBmp–Br между магнитной индукцией при максимальной амплитуде размагничивающего импульса и остаточной магнитной индукцией. Выявить недогрев и перегрев под закалку рассматриваемой марки стали можно по величинам коэрцитивной силы Hс и коэрцитивной силе по несимметричной петле магнитного гистерезиса Hса, однако контроль температуры закалки по этим параметрам затруднителен. Показано, что контроль низкотемпературного (до 350 °С) отпуска с достаточно высокой (не менее 40 % на 100 °С) чувствительностью возможен по таким параметрам, как остаточная магнитная индукция по несимметричной петле Brа и магнитная индукция ВδmH при напряженности магнитного поля, соответствующей максимальной разности δmH вдоль оси Н.
406-412 108
Аннотация
Описан метод определения эвтектических составов трех- и четырехкомпонентных систем для получения катодов и мишеней методом литья. Проведен расчет эвтектических составов сплавов в тройных системах Al–Nb–Si, Cr–Nb–Si и четверной системы Al–Cr–Nb–Si. Методом литья в вакуумной индукционной печи получен катод состава, близкого к эвтектическому, а именно (68Al8Cr4Nb20Si) ат.%. Исследована микроструктура, элементный и фазовый состав материала катода. Температура плавления сплава была определена методом ДСК (дифференциальной сканирующей калориметрии) и составила 570 °С. Представлены результаты исследования упрочняющих нитридных покрытий Al–Cr–Nb–Si–N, полученных методом вакуумного катодно-дугового осаждения в атмосфере азота. В качестве катода использовался разработанный сплав. Установлена зависимость микротвердости покрытий от давления азота. С увеличением давления азота микротвердость покрытий увеличивалась от 15 ГПа при Разота = 1 · 10–2 Па до 30 ГПа при Разота = 7 · 10–2 Па, а затем снижалась до 20 ГПа. Исследован фазовый состав покрытий. Во всех образцах присутствуют фазы AlN, NbN, Si3N4. Коэффициент трения покрытий, полученных при давлении азота (1–50) · 10–2 Па, стабилизировался на уровне 0,75–0,8. Литой катод (68Al8Cr4Nb20Si) ат.% может быть альтернативой для замены используемых в настоящее время порошковых и составных катодов.
413-418 223
Аннотация
Представлены результаты исследования особенностей модифицирования алюмосиликатной керамики суспензией фторопласта, алюмофосфатного связующего (АФС), неводных композиций компонентов полиуретана. Образцы алюмосиликатной керамики для исследований получали технологическими приемами, включающими операции подготовки шихты, прессование образцов, предварительный отжиг и спекание при температуре 1200−1350 °С. В качестве исходных компонентов были выбраны полидисперсные порошки алюмосиликатов, полученные измельчением отходов фарфорового производства (фарфоровой посуды, ГОСТ 28390-89), легкоплавкое глинистое сырье. Модифицирование поверхности алюмосиликатных материалов проводили путем импрегнации вод ных композиций на основе суспензии фторопласта и АФС, неводных композиций компонентов полиуретана, используемых при получении пенополиуретана и 5%-ного раствора полиэтилгидросилоксана в толуоле с формированием на поверхности керамических материалов композиционных покрытий. Показано, что нанесение пленочных органических покрытий (на основе полиуретана, алюмофосфатного связующего и суспензии фторопласта-4Д, полиэтилгидросилоксана) приводит к формированию многослойного диэлектрического материала, в котором присутствуют поверхности раздела, отделяющие области с различными диэлектрическими свойствами. При наличии внешнего электрического поля создаются условия для миграционной поляризации между кристаллической фазой основы и аморфной фазой покрытия, обусловленной перераспределением свободных зарядов в объеме композита. Причем химическое взаимодействие АФС с керамикой приводит к сглаживанию рельефа поверхности алюмосиликатной основы и заращиванию глубоких пор. Композит «алюмосиликат – покрытие АФС-фторопласт» отличается от остальных материалов прежде всего тем, что алюмофосфатное связующее покрытия химически реагирует с керамической основой. Ионы примеси, внесенные при нанесении покрытия, его композиционная структура, а также гетерогенность границы раздела определяет выраженную частотную зависимость ε и tgδ, а также большие диэлектрические потери композита в сравнении с исходным алюмосиликатным материалом.
419-428 103
Аннотация
Статья посвящена оценке целесообразности и эффективности модернизации процесса микродугового оксидирования (МДО) посредством изменения условий и параметров искрения, а также выбору критериев оценки качества и прогнозирования служебных свойств формируемых керамикоподобных покрытий. Преимущественную роль в изменении характера структурообразования и в обеспечении прогнозируемого качества и свойств оксидируемого сплава играет интенсивность искрения, которое возникает в процессе электрических разрядов, мигрирующих по обрабатываемой поверхности погруженного в электролит объекта. Интенсивность искрения определяет условия получения равнотолщинных покрытий: чем менее стохастичен характер искрения вокруг оксидируемой детали, тем более равномерно и быстро прирастает толщина формируемого покрытия и выше его плотность. Эти соображения позволили предложить вариант модернизации метода анодного МДО (АМДО), отличающегося наличием только анодной составляющей тока, обусловливая тем самым получение тонких покрытий с разветвленной пористостью посредством стабилизации процесса искрения за счет использования системы квазикатодов в электролизной ванне. В настоящем исследовании рассматриваются возможности контроля параметров покрытий, полученных методом АМДО в его стандартном и модернизированном вариантах, посредством фиксации в режиме реального времени характера распределения искровых разрядов, косвенным свидетельством чего является изменение плотности тока во времени и равномерность толщины созданных покрытий. Учитывая влияние характера микродугового оксидирования на структурные и качественные особенности формируемых слоев, было предположено, что поверхность покрытия, полученного модернизированным методом, должна иметь более высокое качество, одним из показателей, которого является более сглаженный и равномерный рельеф. Таким образом, еще одним критерием эффективности модернизированного процесса могут служить амплитудные и шаговые параметры шероховатости, которые, не позволяя провести объективную оценку микропрофиля сформированного покрытия, могут дать более обширную информацию о характере прироста его толщины и изменении качества, определяя в итоге уровень эксплуатационных возможностей металлических объектов с таким покрытием.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

429-437 104
Аннотация
Используя первую аксиому статики для равновесия системы двух сил, приложенных к точкам твердого тела, обосновано, что давление в зоне контакта инструмента с линзой в процессе ее абразивной обработки по методу свободного притирания распределено неравномерно. С учетом этого графически представлен характер распределения эпюры давления, отображающий условие равновесия при повороте инструмента вокруг центра сферической поверхности линзы относительно ее оси симметрии, и записано усилие прижима притирающихся звеньев, на основе которого предложено выражение для определения текущего давления в произвольно выбранной точке на поверхности линзы. Получено выражение для определения непрерывно изменяющейся площади контакта инструмента и линзы в процессе ее обработки по методу свободного притирания.  Выполнен расчет текущего давления в различных точках диаметрального сечения зоны соприкосновения притирающихся поверхностей инструмента, совершающего колебательное движение, и линзы. В результате выявлена неравномерность распределения давления в исследуемой зоне, причем минимальное значение этого показателя имеет место в зоне контакта края инструмента с линзой, а максимальное – в зоне контакта края линзы с инструментом. Отмеченная неравномерность усиливается с увеличением угла отклонения инструмента от оси симметрии линзы. Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния диаметра инструмента на процесс полирования линзы в условиях свободного притирания, при котором исключается появление локальной погрешности в краевой зоне последней, обусловленное перепадом эпюры давления между притирающимися поверхностями в процессе переносного движения инструмента. При этом установлено, что во избежание «завала края» необходимо использовать инструмент диаметром не менее 0,8 от диаметра линзы (в случае, если она является нижним звеном). Полученные результаты позволяют назначить оптимальный диаметр инструмента в зависимости от размеров обрабатываемой линзы без проведения предварительных трудоемких экспериментов и могут быть использованы в оптическом и оптико-электронном приборостроении.

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

438-446 107
Аннотация
Решалась задача расчета коэффициентов полезного действия турбоагрегатов различного типа, входящих в состав оборудования источников электрической и тепловой энергии. В упрощенных подходах к представлению турбоагрегатов, часто используемых в алгоритмах программ оптимизации энергосистем, в целях сокращения расчетного времени игнорируется зависимость эффективности установки от текущей мощности, не учитывается влияние величины давления в отборах пара теплофикационных турбин для покрытия тепловой нагрузки и наличие холостого хода турбин. Указанные подходы просты в использовании и реализации, однако могут вносить заметные погрешности в результаты оптимизации ввиду отсутствия учета параметров и зависимостей, имеющих место в реальных режимах работы оборудования и значительно влияющих на количество используемого оптимизируемой системой топлива. В отличие от упрощенного подхода, в работе для определения коэффициентов полезного действия, характеризующих эффективность турбоагрегатов, использованы энергетические характеристики. Это позволяет давать более точную оценку эффективности в различных режимах работы без существенного усложнения алгоритма с незначительным увеличением расчетного времени. Использование предлагаемого подхода показало наличие заметного уточнения эффективности по сравнению с простыми моделями и, следовательно, целесообразность представления турбоагрегатов с использованием энергетических характеристик в алгоритмах программ, предназначенных для оптимизации энергосистем.
447-457 140
Аннотация
Изучены основные электрофизические и технологические параметры разработанного для долгосрочной работы CDI-опреснителя, работающего на принципе деионизации раствора соли на электродах с развитой поверхностью. В предложенном оборудовании для деминерализации воды применена упрощенная конструкция с прокачкой раствора сквозь электроды («flow through electrodes»), что позволяет обходиться без относительно дорогих ионообменных мембран. В качестве электродного материала применялся войлок нетканый «Карбопон-В-Актив-200-65А», оценочное значение удельной поверхности материала которого по результатам проведенных измерений по методике с осаждением ацетона составило ~ 1000 м2/г и более. Также преимуществами предложенного CDI-опреснителя являются отсутствие высоконагруженных силовых элементов, использование коррозионностойких материалов и надежность схемы укладки электродов, что позволяет рассчитывать на его долговременную и надежную работу. Продемонстрированы различные возможности эксплуатационной настройки режимов опреснителя – сокращение разрядного периода за счет приложения импульсов напряжения обратной полярности, повышение эффективности путем организации процедуры учета реального напряжения на рабочих электродах внутри CDI-ячейки. Высокая энергетическая эффективность деминерализации определяется относительно низким рабочим напряжением ~ 1 В. Установлено, что с увеличением силы тока удаление соли проходит эффективнее, соответственно степень опреснения выше при большем токе: рабочему периоду 30 мин соответствует величина степени опреснения ~ 20 % при напряжении 1,4 В и ~ 30 % в режиме 1,6 В. Отмечена возможность повышения производительности обессоливания до ~ 100 г соли за получасовой период. Определены возможные пути дальнейшего повышения эффективности работы представленного в статье оборудования.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

458-466 97
Аннотация
В статье рассматривается вопрос подготовки исходных данных для компьютерного моделирования процесса пластического формообразования изделий при поперечно-клиновой прокатке (ПКП) на базе системы конечно-элементного анализа ANSYS/LS-DYNA. Для автоматизации процесса построения моделей ПКП и проведения расчетов было разработано специализированное программное обеспечение (ПО ПСПД), которое обеспечивает формирование конечно-элементной (КЭ) и расчетной модели процесса прокатки с учетом специфики технологического процесса ПКП и с учетом различных аспектов применения метода конечных-элементов (МКЭ) в области обработки металлов давлением (ОМД). Данное ПО взаимодействует с базовой системой через APDL-скрипты – сценарии, которые описывают отдельные последовательности действий по подготовке КЭ модели и выбору параметров решателя для запуска задачи. ПСПД обеспечивает графический интерфейс, благодаря которому пользователь вводит данные необходимые для генерации APDL-скриптов, построение же модели выполняется автоматически в ANSYS в скрытом режиме при их запуске. Кроме того, ПСПД обеспечивает подготовку расчетной модели для самого решателя и обеспечивает управление процессом расчета. Помимо описания функциональных возможностей программы и ее графического интерфейса в статье приводится методика подготовки КЭ и расчетных моделей на базе ПСПД, а также рассматриваются основные этапы создания компьютерной модели ПКП в ANSYS/LS-DYNA, которые автоматизированы в ПСПД. Разработанная программа позволяет существенно снизить требования к знаниям в области компьютерного моделирования у инженеров, занимающихся разработкой инструмента и техпроцессов для прокатки, дает возможность оперативно создавать и изменять КЭ модели, проводить исследования поперечно-клиновой прокатки для различных исходных данных техпроцесса и параметров решателя.

ДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

467-476 103
Аннотация
Представлены результаты исследования нестационарного теплообмена в комбинированных пакетах, предназначенных для создания специальной водотермостойкой защитной одежды пожарных от опасных и вредных факторов при проведении аварийно-спасательных и других неотложных работ с участием нетоксичных веществ, растворов кислот, щелочей, нефти и нефтепродуктов, жидких токсичных веществ, а также при работе в воде с температурой от 0 до 70 °С. Устойчивость пакетов материалов одежды исследовалась как нестационарный процесс теплообмена в многослойной пластине с идеальным тепловым контактом на стыках слоев. Неограниченная пластина нагревается с обеих сторон при различных условиях теплообмена по закону Ньютона, с постоянным воздействием теплового источника на одну из поверхностей, контактирующей с горячей жидкостью через водонепроницаемую тонкую поверхность. Вторая поверхность пластины взаимодействует с внешней средой, температура которой изменяется по линейному закону. При решении уравнения нестационарной теплопроводности с нелинейными коэффициентами переноса использовались методы линеаризации, основанные на аппроксимации нелинейных коэффициентов, такими, при которых нелинейные уравнения становятся приблизительно линейными. Весь процесс теплопереноса разбивается на множество малых временных интервалов в пределах, которых коэффициенты переноса постоянны. Зональным методом исследования нестационарной теплопроводности в пакетах одежды установлены уравнения для расчета температуры, плотностей тепловых потоков, распределения температуры по толщине пакетов одежды. Показано, что при принятых упрощениях расчета значения параметров хорошо согласуются с экспериментом. Установлен состав пакета одежды, соответствующий техническим требованиям ТУ BY 101114857.082-2015 «Комплекты индивидуальной защиты».
477-484 116
Аннотация
Изучены закономерности изменения мощности дозы фотонного излучения от системы водного охлаждения ускорителя Cyclone 18/9-HC при производстве позитрон-излучающих радионуклидов. Показано, что основной реакцией активации воды контура охлаждения циклотрона при производстве 18F является реакция (n, p), в результате которой из 16О образуется 16N с периодом полураспада 7 с. В водных мишенях с большой накопленной дозой, когда пучок частично бьет в тело мишени, протекают ядерные реакции, индуцированные протонами: 16О(p, α)11С и 18О(p, n)18F. Анионы фторида 18F–, карбоната 11СО32– и гидрокарбоната Н11СО3 –, которые образуются в реакциях активации с участием протонов, в процессе циркуляции воды осаждаются на ионно-обменной смоле, что приводит к очистке контура охлаждения от указанных радионуклидов. При облучении газовой мишени не происходит активации воды контура охлаждения. Среднегодовая дозовая нагрузка оператора циклотрона от продуктов активации в контуре охлаждения эквивалентна менее 1 % от предельной годовой дозы персонала от техногенных источников излучения. Для снижения дозовой нагрузки на операторов рекомендуется максимально сокращать продолжительность пребывания персонала на расстоянии менее 1 м от теплообменника во время наработки 18F. При эксплуатации водных мишеней с набранной дозой свыше 2500 мкА · ч профилактическое обслуживание системы охлаждения желательно проводить не ранее, чем через 30 с после окончания облучения, и обязательно после дозиметрического контроля. С целью снижения активации примесей необходимо использовать в контуре охлаждения только деионизованную воду, а в случае увеличения ее удельной проводимости из-за коррозии – своевременно менять.
485-490 77
Аннотация
Приводятся результаты оценки радиационного воздействия выбросов радиоактивных веществ на персонал атомной электрической станции в случае запроектной аварии (за первые 4 ч), а именно рассмотрен аварийный выброс через неплотности двойной защитной оболочки с учетом байпаса контаймента. Для определения дозовых нагрузок на персонал станции проведены расчеты распределения относительной концентрации радиоактивных аэрозолей по зонам удаления от источника выброса с учетом инфраструктуры промплощадки. Расчеты проведены с использованием программного модуля, созданного в среде разработки компьютерных программ COMSOL 3.5а. На основании полученных значений рассчитаны средние объемные активности радионуклидов в приземном слое воздуха, суммарная ингаляционная доза, эффективная доза внешнего облучения, эквивалентная и эффективная дозы на щитовидную железу, общая эффективная доза облучения персонала атомной станции для выбранной запроектной аварии. Прогнозная оценка дозовых нагрузок на персонал АЭС от радиоактивного облака и внутреннего облучения за счет ингаляции выполнялась для таких дозообразующих радионуклидов, как 137Cs, 134Cs,  131I, 133I, 90Sr. Полученная величина общей эффективной дозы облучения персонала за первые 4 ч после начала запроектной аварии составляет 61,98 мЗв, что несколько выше порогового значения предела допустимой годовой дозы для персонала в аварийных ситуациях (50 мЗв). Однако, принимая во внимание тот факт, что основной вклад в аварийную дозу облучения будут вносить короткоживущие изотопы йода (суммарная эффективная доза от ингаляции для 131I и133I составляет 50,23 мЗв, из которой доза на щитовидную железу 27,23 мЗв), можно предположить, что использование таких защитных мероприятий, как блокирование щитовидной железы и защита органов дыхания, могут существенно уменьшить полученные персоналом дозы.
491-496 104
Аннотация
Целью исследования являлся анализ влияния распада продуктов деления во время перегрузки топлива, при определении наработанной активности продуктов деления в течение топливной кампании реактора ВВЭР-1200. Для расчетов применялась методика на основе аналитического решения задачи Бейтмана в рамках приближения двух делящихся нуклидов. Рассмотрен процесс наработки продуктов деления для стационарной кампании реактора ВВЭР-1200 с учетом периодов останова реактора для перегрузки топлива и без их учета (приближение мгновенной перегрузки). Было установлено, что расчет удельных активностей продуктов деления в моменты останова реактора для перегрузки в приближении мгновенной перегрузки по точности практически не уступает расчетам, учитывающим распад продуктов деления за период перегрузки. Полученные результаты могут быть использованы для существенного упрощения расчетов наработки активностей продуктов деления в ядерных энергетических реакторах.
497-510 114
Аннотация
Разработана методика обоснования возможности и целесообразности выемки оставленных запасов, отработанных более 40 лет назад камерной системой, с поддержанием в безопасном состоянии подземных горнотехнических сооружений. Методика включает выявление путем изучения геолого-маркшейдерской документации участков с оставленными запасами в пределах шахтных полей; расчет объемов и качественных показателей оставленных запасов на этих участках; определение состояния выработок, имеющих непосредственный доступ к рассматриваемым запасам, и возможности их повторного использования, а также возможности проведения новых подготовительных выработок и обеспечения их устойчивости и поддержания в безопасном состоянии; установление особенностей геомеханических процессов в породном массиве и наличия опасных нарушений в зоне выработанного пространства, степени нарушенности и характера деформирования жестких и податливых целиков в очистных камерах, в том числе с использованием специально проведенных вскрывающих исследовательских выработок; разработку технологических схем безопасной отработки оставленных запасов. С использованием этой методики впервые выполнено обоснование технологической возможности и экономической целесообразности выемки полезного ископаемого из отработанных более 40 лет назад очистных блоков Первого и Второго рудников ОАО «Беларуськалий». Показана возможность выемки оставленных запасов в 4-м сильвинитовом слое и слоях 2, 2–3, 3 в междукамерных целиках на участках, отработанных ранее камерной системой, с общим объемом более 57 млн т. Приводятся результаты обследований состояния капитальных и подготовительных выработок в местах возможного доступа на эти участки, согласно которым для повторной отработки большинства отработанных блоков потребуется проведение новых капитальных и подготовительных выработок. Описываются результаты визуальных обследований панельных и блоковых штреков, их сопряжений с очистными ходами, а также состояния и степени нарушенности междуходовых и междукамерных целиков в очистных камерах. Предложены возможные способы повторной отработки оставленных запасов Третьего калийного горизонта очистными лавами и камерной системой, отличающиеся высокой технико-экономической эффективностью и безопасностью ведения горных работ.

УЧЕНЫЕ БЕЛАРУСИ

511-512 68
Аннотация
26 ноября исполнилось 65 лет члену-корреспонденту Национальной академии наук, доктору технических наук, профессору, ученому в области радиофизики Сергею Михайловичу Костромицкому.


ISSN 1561-8358 (Print)
ISSN 2524-244X (Online)