CC BY
51
Таким образом, применение регулируемой форсунки предлагаемой конструкции повышает безопасность работ при механической обработке ВВ при различных параметрах режимов резания путем дробления, что уменьшает время ее контакта с передней поверхностью режущего инструмента, через которую происходит основной нагрев, а снижение температуры уменьшает вероятность воспламенения или детонации.
Список литературы
1. Корнаков Д.С. Моделирование теплового взаимодействия топливного заряда с режущим инструментом // Материалы докладов VII региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». Тула: ТулГУ, 2008. С. 63 - 68.
2. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / под. общ. ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.
3. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматлит, 1960.
716 с.
D.S. Kornakov, Y.V. Dudina
THE WAY OF REDUCTION OF THE HEAT LOAD ON SHAVING UNDER MECHANICAL PROCESSING PROPELLENT
Design of the controlled injector is offered in the article for presenting coolling liquid in cutting zone, with providing the reduction of heat loading on shaving, both to account of its cooling, and to account of its crushing.
Key words: controlled injector, coolling liquid, the crushing of shaving, heat loading, propellent, mechanical processing.
УДК 669.715.539.52
И.В.Тихонова, канд. техн. наук (4872) 35-05-81, [email protected].
М.В. Жуков, студент, (4872) 35-05-81,
A.В. Маляров, соискатель, (4872) 35-05-81,
B.C. Ярмоленко, студент, (4872) 35-05-81 (Россия, Тула, ТулГУ),
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ НАГРЕВА НА ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ И ПЛАСТИЧНОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ ПРОВОДНИКОВ
Выявлены закономерности изменения электрического сопротивления и пластичности алюминиевых проводников в зависимости от режимов нагрева, которые имеют актуальное практическое использование.
Ключевые слова: температура, электросопротивление, пластичность, алюминий, проводник, металловедческая экспертиза.
Традиционно электропроводку в домах делали преимущественно алюминиевым проводом в одинарной изоляции (АППВ) в силу дешевизны материала по сравнению с медью. В настоящее время идет активная кам-
пания по замене алюминиевой проводки на медную. Однако в литературе однозначного ответа на вопрос о причинах выхода проводников из строя нет. Одна из них совершенно очевидна. Электропроводка в старых домах не рассчитана на современные нагрузки. Всё возрастающее количество приборов с большой мощностью в квартирах требует современной и безопасной электропроводки.
Некоторые исследователи связывают необходимость замены проводки из алюминия с негативными процессами, связанными с состоянием изоляции. Изоляция таких проводов со временем становится хрупкой. Если же на проводе из алюминия повреждена изоляция и он контактирует с атмосферной влагой, разрушение провода происходит ещё быстрее, значительно повышается вероятность короткого замыкания и, как следствие, пожара. Имеются отдельные сведения о том, что алюминиевые провода со временем начинают крошиться, теряют эластичность и ломаются при изгибе.
На наш взгляд, в литературе недостаточное внимание уделено изменению структурного состояния алюминиевого проводника при длительной эксплуатации. В исходном состоянии алюминиевые проводники имеют волокнистую структуру. При волочении алюминиевой проволоки происходит нагартовка металла, увеличивающая механическую прочность проволоки и приводящая к снижению относительного удлинения и проводимости [1]. Металловеды знают, что деформационное старение отрицательно сказывается на комплексе свойств стали: сталь охрупчивается вследствие взаимодействия углерода с дислокациями. Алюминий - металл с ГЦК-решеткой, поэтому не ясно, будет ли он охрупчиваться при деформационном старении? Кроме того, в чистом алюминии, используемом для изготовления проводников, температура рекристаллизации около 200 °С, а процессы возврата развиваются уже при комнатной температуре. Указанные структурные превращения также будут оказывать влияние на электросопротивление и свойства металлов.
Целью настоящей работы явилось установление закономерностей изменения электросопротивления и стойкости против многократно повторяющихся перегибов алюминиевых проводников при температурновременных воздействиях по различным режимам. Для исследования использовали алюминиевые проводники марок АЕ5 и АЕ7 (ГОСТ 110692001) диаметром 1 и 1,7 мм соответственно. Измерение элетросопротивле-ния проводили на установке Р 3009 «Мост одинарно-двойной». Для исследования микроструктуры металлических проводников готовили микрошлифы. Для выявления зеренного строения алюминия применяли метод исследования структуры с помощью тонких оксидных пленок. Изучение микроструктуры проводили на металлографическом микроскопе при увеличении 500х в белом свете. Испытания на перегиб проводили согласно ГОСТ 1579-93 до полного разрушения образца.
Первичная рекристаллизация в проводниках марок АЕ5 и АЕ7 идет по-разному: чем больше степень чистоты материала проводника, тем быстрей начинается процесс (диаметр проводников марки АЕ5 равен ~ 1 мм, а диаметр проводников марки АЕ7 ~ 1,7 мм). После выдержки, равной 0,5 часа при 200 - 300 °С, в проводнике марки АЕ5 первичная рекристаллизация не идет. Она начинается только после одного часа нагрева при 200 -300 °С и полностью завершается при 300 °С после 3 часов выдержки.
В проводнике марки АЕ7 первичная рекристаллизация начинается уже после получасовой выдержки при 200 °С, структура полностью рекри-сталлизуется после одного часа нагрева при 200 °С. Интенсивное укрупнение размеров зерен в алюминиевых проводниках в интервале 500 - 600 °С происходит в результате начала процесса вторичной рекристаллизации.
В таблицах 1 и 2 представлены данные для определения температуры начала рекристаллизации для проводников марки АЕ5 и АЕ7.
Таблица 1
Влияние температуры нагрева на развитие рекристаллизации в алюминиевом проводнике марки АЕ5
Время, ч Температура, °С
200 300 400 500 600
Размер зерна, мм
0,5 Н.р Н.р 0,02 0,02 0,03
1 Ч-Р- (20) ч.р. (30) 0,02 0,025 0,1
2 Ч.р. (30) Ч.р. (80) 0,04 0,02 0,11
3 Ч.р. (50) 0,02 0,015 0,015 0,12
Примечания: Н.р. - нерекристаллизованная структура; Ч.р. - частично рекри-сталлизованная структура. В скобках указан процент рекристаллизованной структуры.
Таблица 2
Влияние температуры нагрева на развитие рекристаллизации в алюминиевом проводнике марки АЕ7
Время, ч Температура, °С
200 300 400 500 600
Размер зерна, мм
0,5 Ч.р. (10) 0,015 0,015 0,025 0,15
1 0,015 0,02 0,015 0,02 0,3
2 0,015 0,02 0,02 0,02 0,5
3 0,02 0,02 0,015 0,03 0,7
Чем чище алюминиевый сплав, тем ниже порог рекристаллизации (см. табл.1 и 2). При 200 °С в сплаве АЕ5 структура только частично рекри-сталлизована, а в сплаве АЕ7 рекристаллизация проходит уже через 1 ч., из
этого можно сделать вывод, что при нагреве до температур не выше 200 °С в сплавах АЕ5 и АЕ7 изменения электросопротивления и свойств будут контролироваться преимущественно деформационным старением.
Микроскопическим анализом установлено, что проводники марок АЕ5 и АЕ7 содержат достаточно большое количество включений второй фазы (рис. 1). Таким образом, исследуемые проводники находятся в деформированном состоянии и имеют повышенное количество чужеродных атомов, т.е. выполняются все необходимые условия для протекания деформационного старения.
Рис. 1. Включения второй фазы в алюминиевом проводнике
марок АЕ5 (а) иАЕ7 (б)
На рис. 2 и 3 представлены графики зависимости удельного электросопротивления от времени выдержки при различных температурах старения для исследуемых проводников марок АЕ5 и АЕ7 соответственно.
Проанализируем изменение р в проводнике марки АЕ5. Выдержки в течение 300 мин при старении при температуре 60 °С практически не оказывает влияние на удельное электросопротивление. В интервале выдержек 300 - 1050 мин при температуре 60 °С р увеличивается на 2,7 %, более продолжительные выдержки оказывают незначительное влияние на значение удельного электросопротивления. Увеличение температуры старения до 100 °С приводит к следующим изменениям р. На начальных этапах старения (интервал до 500 мин) отмечено незначительное по величине повышение удельного сопротивления.
Продолжительные выдержки (до 3000 мин) приводят к падению значений р на 31,5 % по сравнению с исходной величиной в деформированном состоянии. Немонотонная зависимость р отмечена после старения при 150 °С. Первый максимум р зафиксирован после выдержки в течение 100 мин, эффект сменяется падением электросопротивления, а затем повторным его увеличением. При продолжительных выдержках до 1300 мин р
остается выше, чем значение, характерное для исходного деформированного состояния. Сложный характер изменения р отмечено и при старении при 200 °С.
в
Рис. 2. Зависимость удельного электросопротивления от времени выдержки при различных температурах проводника марки АЕ5: а - 60°С, б - 100 °С, в - 150 °С, г - 200 °С
Рис. З.Зависимость удельного электросопротивления от времени выдержки при 100 °С проводника марки АЕ7
В проводниках марки АЕ7 при старении при 100 °С на начальных этапах отмечен рост р.
Оценку максимальных значений обнаруженных эффектов изменения р при старении производили следующим образом. Первоначально рассчитывали абсолютную величину прироста или падения р по сравнению с исходным ро деформированным состоянием Ар, а затем оценивали относи-
тельную величину эффекта Др/ро в процентах. Полученные значения Др/ро для разных температур старения обобщены на рис. 4 для сплава АЕ5.
Рис. 4. Максимальное изменение электросопротивления при температурах исследования проводника марки АЕ5
Полученные данные свидетельствуют о том, что деформационное старение сопровождается существенным изменением удельного электросопротивления материала проводника, составляющего при температуре старения 100 °С не менее 30 %.
Перед проведением испытаний на перегиб образцы сплава АЕ5 старили при разных температурах (60, 100, 150 и 200 °С) в течение разного времени. Испытания на перегиб проводили при комнатной температуре до разрушения образца. Старение при 60 °С в течение 1635 мин приводит к уменьшению числа перегибов алюминиевого проводника до разрушения в 1,8 раза. Соотношение числа перегибов до разрушения в образцах сплава АЕ5, состаренных при 100 и 200 °С, иллюстрирует рис. 5.
а б
Рис. 5. Число перегибов до разрушения (п) при различном времени старения проводника марки АЕ5 при 100 °С (а), 200 °С (б)
Комплекс полученных данных свидетельствует о том, что деформационное старение приводит к охрупчиванию материала проводника марки АЕ5. По полученным данным проведена оценка последствий влияния де-
формационного старения на электросопротивление и пластичность сплава АЕ5.
При нагреве алюминиевых проводников марки АЕ5 до температур не выше 200 °С изменение физико-механических свойств контролируется деформационным старением. Рассчитана энергия активации процессов, контролирующих изменение свойств в указанном диапазоне температур. Полученное значение Q, равное 60 кДж/моль, связать с каким-либо конкретным процессом не представляется возможным и следует рассматривать как некое эффективное. Если изменение свойств контролируется аналогичными процессами, то для прогнозирования поведения материала по результатам ускоренных испытаний при повышенных температурах можно воспользоваться двухпараметрическим критерием Р [2]:
Р = Т(С + lgf),
где С - константа, имеющая смысл энергии активации процесса.
Согласно закону Ома уменьшение электрического сопротивления проводника (в наших исследованиях под влиянием деформационного старения при 100 °С) должно приводить к росту тока в проводнике. Номинал плавкой вставки предохранителя выбирается на 20 - 30 % больше максимально потребляемого нагрузкой тока [3].
По полученным в настоящей работе данным старение при 100 °С приводит к уменьшению электросопротивления на 20 % (следовательно, к уменьшению тока на ту же величину) за 2500 мин. По этим данным рассчитали двухпараметрический критерий Рюо (индекс означает температуру старения), Рюо = 6642. Катастрофическое падение электросопротивления на 20 %, приводящее к выходу из строя предохранителя и невозможности последующего нормального функционирования электропроводки, при комнатной температуре произойдет не раньше, чем за 100 лет эксплуатации. Таким образом, непосредственно электрических свойств не является поводом для замены проводки из алюминиевых проводников.
Однако остается еще обнаруженный нами факт охрупчивания алюминиевых проводников под влиянием деформационного старения. При старении при 100 °С достаточно выдержки в течение 500 мин, чтобы уменьшить пластичность проводников более чем в 2 раза. Вновь рассчитываем Р] оо для указанных температурно-временных параметров и определяем длительность эксплуатации проводника при 20 °С, приводящее к аналогичному охрупчиванию. Это время составляет около 40 лет. Через такой срок проводку из алюминиевых проводников менять надо обязательно во избежание техногенной катастрофы.
Комплекс проведенных исследований свидетельствует о том, что основная причина необходимости замены алюминиевых проводников связана с изменением свойств материала проводника в результате развития в нем деформационного старения, провоцируемого исходным состоянием проводника и невысокой чистотой материала по примесям.
Список литературы
1. Металловедение алюминия и его сплавов / Под. ред. Фридлянде-ра. М.: Металлургия, 1971. 352 с.
2. Ливанов Д.В. Физика металлов. М.: МИСИС, 2006. 280 с.
3. Сарычев В.Г. Выбор кабеля и монтаж проводки в автомобиле // HIT: Разработки в электронике. 2006. № 3. С. 26-27.
I.V. Tikhonova, M.V. Zhukov, A.V. Malyarov, V.S. Yarmolenko HEATING MODE INFLUENCE UPON ELECTRIC RESISTANCE AND ELASTICITY OF ALUMINUM CONDUCTORS
The regularities of electric resistance and elasticity variations in aluminum conductors depending on the applicable heating modes have been identified.
Key words: temperature, electric resistance, elasticity, aluminum, conductor, physical metallurgy analysis
УДК 539.51
A.E. Гвоздев, д-р техн. наук. (4872) 35-05-81, fmm@tsu.Тula.ru ,
Г.В. Сержантова, канд. техн. наук (4872) 35-05-81,
A.В. Афанаскин, канд. техн. наук (4872) 35-05-81,
B.Е. Блаженец, студент (4872) 35-05-81 (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДАХ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ
Рассмотрены особенности развития эффектов сверхпластичности и повышенной пластичности в труднодеформируемых гетерофазных сплавах на примере высоколегированной быстрорежущей стали Р6М5
Ключевые слова: температура, деформирование, сверхпластичность, фазовый переход.
Разработка и внедрение в промышленность прогрессивных малопереходных технологических процессов с целью повышения эффективности производства, производительности труда и качества изделий, снижения затрат материалов и трудоемкости изготовления являются актуальными задачами. Необходимость снижения доли отходов в металлообработке, разработка малоотходных и ресурсосберегающих технологий и более быстрое внедрение в производство точных заготовок играет очень важную роль.
Решение поставленных задач возможно за счет использования эффекта сверхпластичности (СП). Научный интерес и практическая важность этого явления привели к его широкому экспериментальному и теоретическому исследованию во многих промышленно развитых странах мира.
Проводя краткий анализ работ по физическим моделям СП, можно отметить, что они не дают количественной связи критериев СП с фактора-
