Секція:фізика 3

К.т.н. Твердохлібова С.В.

Дніпропетровський національний унівепситет

Особливості виділення сигналу від шаруватої структури для оцінки властивостей композитів із вмістом бору

Багаточисельні матриці композиційних матеріалів містять евтектики, які деякі вчені відносять до шаруватих структур. Шаруватим структурам притаманні унікальні властивості. Інформацію про стан шаруватих структур здобувають за допомогою металографічного, мікрорентгеноспектрального і рентгеноструктурного методів аналізу. Аналіз аналітичних і метрологічних можливостей цих методів виділення шаруватих структур свідчить про низькі показники у порівнянні із стандартними значеннями. Так, середній вихідний рівень дефектності Б_m, який за стандартом не повинен перевищувати 5%, складає 40,66 % -для металографічного, і 32% - для мікрорентгеноспектрального методів. Гальмом застосування цих методів є трудомісткість. Вона пов¢язана із приготуванням шліфу зразка. В цьому випадку на контроль якості матриці одного зразка витрачається від 6,5 до 6,8 год. Крім того, при підготовці шліфів композитів із твердою зміцнюючою і м¢якою (зв¢язуючою) фазами можливо втілення твердої фази у м¢яку. У цьому сенсі викликає зацікавленість електричне виділення сигналу від шаруватої структури металевих композитів. Воно може бути здійснено за допомогою джерел концентрованої енергії, яким притаманна селективність ерозії [1] у визначених режимах. Вона проявляється у переважному руйнуванні межі поділу наповнювача і матриці та самих шаруватих структур. Процес електричної ерозії матеріалу можна пов’язати із дією об’ємного джерела тепла і факельного механізму.Відносна роль кожного з вищенаведених чинників змінюється в залежності від режимів джерела концентрованої енергії (ДКЕ). Дослідженнями показано, що селективність ерозії обумовлена явищем катодного розпилення, яке має місце в реальних умовах електричної обробки. Факельний механізм ерозії за даними Золотих Б.Н. превалює при запасах енергії в імпульсах від 5 до 50 Дж. При цьому має місце ерозія як магриці, так і наповнювача. З метою вибору режиму ДКЕ для виділення сигналу від шаруватої структури композиційного матеріалу розраховано баланс енергії на поверхні залізного електроду-катоду при гальмуванні іонів в поодинокому іскровому розряді. Енергія, Q, яка передається внаслідок іонного бомбардування катоду протягом поодинокого іскрового розряду, дорівнює:

Q = 0,24 U ·j·τ·S, (1),

де U – катодне падіння потенціалу, j – густина іонного струму, τ – тривалість поодинокого іскрового розряду, S – площа поодинокої лунки. З іншого боку, Q поширюється вглиб електроду за рахунок теплопровідності Q₁:

, (2),

де Т_кип- - температура кипіння матеріалу електроду, с – теплоємність, ρ – густина, χ – теплопровідність речовини електроду. Надлишок енергії Q в розмірі Q₂ витрачається на нагрівання і плавлення Q_пл,, кипіння Q_кип, і випаровування Q_вип маси металу m:

Q₂=Q_пл + Q_кип + Q_{вип ,} (3),

де Q_пл = c ·m · (Т₂-Т₁) + q ·m; Т₁;Т₂ – температури: вихідна і плавлення, відповідно; q - теплота плавлення; Q_кип = c ·m · (Т₃-Т₂) , де Т₃ – температура кипіння; Q_вип= m ·λ, де λ – теплота випаровування. Крім того, енергія Q, яка виділена при гальмуванні іонів на катоді, витрачається на передачу факелу кінетичної енергії руху Q₃:

(4),

де n – швидкість руху пари з масою m, яка вилітає із поодинокої лунки – форсунки у вигляді факелу. Нарешті Q використовується на розпилення електроду, яке подібне до катодного Q₄:

, (5),

де - коефіцієнт акомодації, - мінімальна енергія, володіючи якою іон спроможний вибити атом із твердого тіла, - кількість вибитих атомів упродовж дії поодинокого іскрового розряду; А – атомна вага, - число Авогардо; m – маса речовини, яка опанована дією термічних напружень.

Всі розрахунки виконані для режимів із запасом енергії в конденсаторі від 0,5 Дж до 6,2 Дж: 0,5 Дж, 1,0 Дж, 2,0 Дж і 6,2 Дж. У таблиці 1 зведені дані вкладу компонентів енергії (%) Q_і (і:1-4) в загальний баланс енергії Q_, яка виділена на електроді – катоді при гальмуванні іонів у поодинокому іскровому розряді із тривалістю імпульсів порядку від 10^-4 до 10^-7 с.

Таблиця 1. Вклад компонентів енергії Q_і в загальний баланс енергії Q, яка виділена на електроді – катоді при гальмуванні іонів в поодинокому іскровому розряді

Компоненти енергії Qі	Вклад компонентів енергії Qі в загальний баланс енергії Q, %
	Запас енергії в конденсаторі, Дж
	0,5	1,0	1,5	6,2
Q	100,0	100.0	100,0	100,0
Q1	14,90	0,12	0,10	0,85
Q2	15,10	11,70	9.90	3,15
Q3	3,88	37,90	48,0	82,40
Q4	66,12	50,89	42,0	13,60

Аналіз даних таблиці 1 навів на оптимальний режим для виділення сигналу від шаруватої структури. Він має запас енергії в конденсаторі 0,5 Дж. В цьому режимі факельний механізм не відіграє суттєвої ролі. Ефект Джоуля-Ленця можна вважати другорядним ефектом, тому що він не перевищує 1,5 ·10^-5 % від тепла, яке необхідне для розплавлення кількості металу, яка відповідає експерименту. Звідси випливає, що основним джерелом енергії при дії високовольтного конденсованого іскрового розряду (ВКІ) на поверхневі шари металу є енергія, яка передається в результаті електронного і іонного бомбардування. На рисунку 1 наведені виділені в обраному оптимальному режимі ВКІ шаруваті структури (темні плями). Таким чином, здобуті дані, по-перше, свідчать про те, що під дією іскрового розряду можна виділяти сигнал від шаруватої структури композиційного матеріалу. По-друге, енергія в обраному режимі, яка витрачається на розпилення матеріалу, яке подібне до катодного, не повинна бути меншою за 50 % від загальної енергії, яка виділена на електроді, тобто запас енергії в конденсаторі не повинен перевищувати 1 Дж.

а) х200 б) х200

в) х1000

а), в) – боридні шаруваті структури, б) – карбоборидні шаруваті структури

Рисунок 1 – Плями обіскрювання композицій із вмістом бору

Результати роботи будуть корисними при створенні наплавок із вмістом бору із покращеними службовими характеристиками.

Література:

Твердохлебова С.В.Особенности электроискровой эрозии композиционніх материалов. // Известия вузов. Черная Металлургия. !997.№3. С. 50-55.

.