О концентрации энергии на отверстии в плоском проводнике с током Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Таблица 1

Исходная микротвердость Ни, потери массы образца АР и микротвердость поверхности трения Нп закаленных и обработанных холодом при -196° С сталей, подвергнутых фрикционному нагружению в различных средах

Марка стали Темпе- ратура закалки, °С Ни, ГПа Нагружение в среде азота Нагружение на воздухе

АР, мг Нп, ГПа АР, мг Нп, ГПа

У8 810 9,8 0,20 12,1 0,40 12,0

80С2 870 9,8 0,30 11,2 0,85 10,9

9ХС 870 10,1 0,25 11,3 0,90 10,8

Дополнительное легирование высокоуглеродистых сталей кремнием оказывает отрицательное влияние на сопротивление усталостному разрушению при трении в воздушной среде (табл. 1).

Повышенный износ кремнийсодержащих сталей в условиях фрикционного окисления может быть связан со специфическим воздействием кремния на процессы окисления стальных поверхностей при трении [5], а также с известным отрицательным влиянием кремния на сопротивление а-железа хрупкому разрушению. Действие указанных факторов, возможно, усиливается вследствие обнаруженного Д. Бакли явления обогащения поверхностей трения кремнием в результате направленной миграции его атомов в контактную зону [6]. Пониженная микротвердость поверхностей трения сталей 80С2 и 9ХС по сравнению со сталью У8 (см. табл. 1) является следствием высокой хрупкости кремнистых сталей, препятствующей реализации максимальных степеней деформации поверхностного слоя.

Заключение. Насыщение тонкого (до 1,5 мкм) поверхностного слоя кислородом (в количестве до нескольких ат. %) в процессе фрикционного окисления приводит к охрупчиванию и, соответственно, снижению сопротивления усталостному изнашиванию поверхности высокоуглеродистых сталей, подвергаемых закалке и отпуску не выше 300° С. Дополнительное легирование кремнием усиливает отрицательное влияние фрикционного окисления на сопротивление высокоуглеродистых сталей усталостному виду изнашивания. В то же время окисление обеспечивает рост сопротивления адгезионному изнашиванию относительно «мягких» материалов (стали 35 и стали У8, отпущенной при 400-600° С).

ЛИТЕРАТУРА

1. Поверхностная прочность материалов при трении / Костец-кий Б.И., Носовский И.Г., Караулов А.К. и др. Под ред. Б.И. Кос-тецкого. Киев: Техника, 1976. 292 с.

2. Коршунов Л.Г., Богачев И.Н., Аверин Ю.И., Черных С.Г., Хадыев М.С. Влияние мартенситного у-a превращения на кинетику упрочнения и сопротивление разрушению поверхности трения аустенитных сталей при полидеформационном характере изнашивания // Физика металлов и металловедение. 1980. Т. 49. № 1. С. 113-120.

3. Коршунов Л.Г., Макаров А.В., Черненко Н.Л., Насонов С.П. Структура, прочность и теплостойкость мартенсита стали У8, деформированной трением // Физика металлов и металловедение. 1996. Т. 82. № 2. С. 38-48.

4. Макаров А.В., Коршунов Л.Г., Выходец В.Б., Куренных Т.Е., Черненко Н.Л. Структура, химический состав и трибологические свойства нанокристаллического слоя поверхности трения закаленной стали У8 // Структура и свойства нанокристаллических материалов: Сб. науч. тр. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. С. 169-177.

5. Dumbleton J.H., Douthett J.A. The unlubricated adhesive wear resistance of metastable austenitic stainless steels containing silicon // Wear. 1977. V. 42. № 2. P. 305-332.

6. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1986. 359 с.

УДК 539.4:538.311

О КОНЦЕНТРАЦИИ ЭНЕРГИИ НА ОТВЕРСТИИ В ПЛОСКОМ ПРОВОДНИКЕ С ТОКОМ

© А.В. Иванова, Н.П. Пучков, В.М. Иванов, Г.А. Барышев

Россия, Тамбов, Государственный технический университет

Ivanova A.V., Puchkov N.P., Ivanov V.M., Baryshev G.A. Energy concentration on the hole in the flat conductor under power. The problem of the energy electromagnetic field on the isolated hole in the conductor under power is solved. The critical values for the hole resulting in failure around the fault are found.

Существующие традиционные методы дефектоскопии, основанные или на прямом пропускании электрического тока через объект, или на индукционном наведении тока в нем, преследуют цель обнаружения дефектов по изменяющимся электрическим параметрам [1]. При этом не учитывается концентрация электромагнитного поля на структурных неоднородностях объекта, зачастую приводящего к его разрушению [2].

В настоящей работе приведена одна из аналитических оценок энергии электромагнитного поля, которая локализуется на круглых дефектах типа включений.

Допустим, что дефект в форме круга радиуса R, сильно различающийся проводимостью с матрицей-проводником, обтекается электрическим током I. Предположим также, что проводимость вокруг него переменная, а на бесконечности проводника постоянна и равна ст. Тогда каждое сечение, удаленное на расстояние г от центра дефекта, равно hdr, где h - толщина проводника, а проводимость dG слоя dr току на участке (0 - п) (рис. 1) равна:

hdr

dG =------с .

Мф

Рис. 1. Схема обтекания неметаллического включения электрическим током - а; сечение пластины - б

Напряженность электрического поля тока в пластине будет зависеть от приложенного напряжения и определяется выражением:

^ ои „

Е =------, где ОI = rdф (рис. 1).

ОI

Учитывая вышеупомянутое, найдем распределение полного тока вдоль дефекта и напряженность электрического поля вокруг него:

I = Ehor,

E = —^— = к —, где к = -^— her r ho

(1)

Для определения индукции В магнитного поля тока оценим сначала векторный потенциал поля А, решив уравнение Пуассона:

V2 А = -ц 0цсЕ,

где цо - магнитная постоянная, ц - относительная магнитная проницаемость.

Считая, что А не зависит от ф, имеем:

Для нахождения индукции B возьмем операцию ротора над векторным потенциалом A по координате z, ортогональной плоскости проводника (цилиндрическая система координат):

. 1 dAr

rot zA =-----------= B ,

r dip

и, принимая во внимание (1) и (2), окончательно получим:

B =

Д 0Д1 nR

Тогда напряженность поля: B I

Н =- .

Ц оЦ яЯ

Далее оценим плотность потока электромагнитной энергии в проводнике:

P = E х H =•

12 1

hoR

d A к

—Г = -Д оМ°-.

dr2 r

Обозначим при этом ц0цск = С , тогда уравнение Пуассона примет вид:

d 2 A dr 2

+ C — = 0

Решая это уравнение при r^rc, A = 0 и r = R, divA = 0, получим:

Д 0Док

A =-------r .

R

которая ответственна за его вероятное разрушение вокруг отверстия по электродинамическому механизму [3].

Кроме того, ток, обтекая отверстие, неравномерно нагревает его кромки.

По этой причине возникает неоднородное температурное поле, линии изотерм которого выражаются зависимостью [2]:

T =

oE 2 PC

где р, С - удельные плотность и теплоемкость, I -время, соизмеримое с характерным временем термиче-

2

r

r

t

Я

ской диффузии т =------, ( X - коэффициент темпера-

X

туропроводности).

При выполнении условия t < т процесс изменения температуры можно считать адиабатическим, а температуру в окрестности отверстия определить через протекающий ток:

Т =•

h 2 cpCr 2

При t = т температура считается по формуле:

T =

12 Л 2

h 2срС%г2

Энергия тепловыделения, достаточная для плавления проводника в зоне отверстия, пропорциональна квадрату критического тока:

ТплРСХ

q пл =■

и при г = Я достигает максимальной величины.

Таким образом, как электромагнитная энергия, так и тепловая, локализуясь вокруг отверстия, создают благоприятные условия для его разрушения. Основными факторами нарушения сплошности проводника, кроме физических его постоянных, являются размер отверстия и огибающий электрический ток. Экспериментальные оценки по этой взаимосвязи приводятся в работе [2].

ЛИТЕРАТУРА

В этом случае критический ток, достаточный для плавления кромки отверстия, определяется из последнего выражения (при г = Я и Т = Тпл) следующим образом:

Ik =

д/Тпл h 2ОрСХ

Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. М.: Машиностроение, 1980. 232 с.

Барышев Г.А. и др. Действие импульсного электрического поля на малолегированные стали вблизи отверстий и неметаллических включений // Физика и химия обработки материалов. 1980. №4. С. 12-17.

Головин Ю.И., Иванов В.М., Киперман В.А. Механизмы разрушения металлов с трещинами под действием электромагнитного поля // Физика и химия обработки материалов. 1983. № 6. С. 64-70.

2

Г

УДК 621.3.4:537

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ

© В.М. Иванов, В.П. Иванов, В.Ф. Калинин, Е.А. Печагин

Россия, Тамбов, Государственный технический университет

Ivanov V.M., Ivanov V.P., Kalinin V.F., Pechagin E.A. The electronic and optical method of analysis of serviceability of magnetic systems. Using the method of moire pictures obtained by means of electronic microscopy allows examining the topography of a magnetic field of any configuration. The suggested method of observation of leakage magnetic fields with the aid of electronic and optical moire allows comparing their distortions on different objects and calculating the tensities of these fields.

Наличие электрических и магнитных полей может быть обнаружено по силовым признакам, а их интенсивность - по распределению силовых линий в пространстве. Последние определяются или аналитически (решением дифференциальных уравнений теории поля), или экспериментально с помощью вспомогательных объектов и устройств [1].

При расчете и моделировании магнитных полей малой протяженности часто не учитываются геометрические и физические особенности объекта, связанные с его физикохимической предысторией. Например, состояние материала сердечника и способ обработки зазора магнитозаписывающей головки, приемы полировки рабочей поверхности, термообработка материала магнитопровода существенно влияют на картину распределения магнитных полей.

Метод муаровых картин, полученных средствами электронной микроскопии, позволяет визуализировать топологию исследуемого магнитного поля рассеяния и установить связь напряженности с особенностями изучаемого объекта [1, 2]. Обработка муаровых изображений осуществлялась путем измерения линейных и угловых перемещений пучка электронов, вызванных воздействием изучаемого поля [3].

Наибольшее распространение в аппаратуре магнитной записи получили магнитные головки кольцевого типа. Для осуществления многодорожечной записи головки, разделенные электромагнитными экранами, объединяются в блоки. В экспериментах использовались блоки магнитных головок (годный и бракованный), имеющие по 6 записывающих и воспроизводящих головок.