Научная статья на тему 'ФОНОВАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ РЕЗОНАНСНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ. ЧАСТЬ 2: ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-РЕАКТИВНЫЕ СРЕДЫ'

ФОНОВАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ РЕЗОНАНСНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ. ЧАСТЬ 2: ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-РЕАКТИВНЫЕ СРЕДЫ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
42
23
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОНДЕНСИРОВАННЫЕ СРЕДЫ / CONDENSED MEDIUMS / НЕРАВНОВЕСНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ / NONEQUILIBRIUM PHYSICOCHEMICAL SYSTEMS / НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ / NONLINEAR PROCESSES / САМООРГАНИЗАЦИЯ ДИССИПАТИВНЫХ СТРУКТУР (ПАТТЕРНОВ / SELFORGANIZATION OF DISSIPATIVE STRUCTURES (PATTERNS) / ФОНОВАЯ (РЕЗИДЕНТНАЯ) ТЕНЗОИМПУЛЬСНАЯ (АКУСТИЧЕСКАЯ) РЕЗОНАНСНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ / BACKGROUND (RESIDENT) PRESSURE-PULSING (ACOUSTIC) RESONANT REGULATION OF SELFORGANIZATION / ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВЫРАВНИВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ / SPATIAL ALIGNMENT OF MORPHOLOGICAL PARAMETERS / УСКОРЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРО ЦЕССОВ / ACCELERATION OF THE PHYSICOCHEMICAL PROCESSES / ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС / PARAMETRIC RESONANCE / ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ / ELECTROMAGNETIC-TO-ACOUSTIC TRANSFORMATION

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Колесников Алексей Алексеевич, Зарембо Виктор Иосифович

Приводятся конкретные примеры приложения метода фоновой акустической резонансной регуляции самоорганизации (ФАРРС) в неравновесных электропроводящих средах: металлах, претерпевающих фазовые превращения плавления - кристаллизации при тепловых и механических воздействиях. Описаны наблюдаемые эффекты: увеличение скорости теплообмена, возрастание степени однородности структуры и состава и механических свойств твердой фазы, структурная память, кинетическое изменение микротвердости, сверхпластичность. Для инженеров-технологов, специалистов в области материаловедения, металлургии, металлообработки, сварки металлов, энергетики и экологии

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Колесников Алексей Алексеевич, Зарембо Виктор Иосифович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Background acoustic resonant regulation of selforganization on physicochemical processes in condensed systems. Part 2: The electromagnetic-reactive mediums

Concrete application examples of the method of background acoustic resonant regulation of selforganization (BARRS) in nonequilibrium conductive environments are resulted: the metals undergoing phase changes of melting - crystallizations at thermal and mechanical influences. Observable effects are described: increase in speed of heat exchange, increase of degree of uniformity of texture and composition and mechanical characteristics of a solid phase, structural memory, kinetic change of microhardness, superplasticity. It is intended for process engineers, experts in the field of materials technology, metallurgy, metal working, welding of metals, power and ecology

Текст научной работы на тему «ФОНОВАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ РЕЗОНАНСНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ. ЧАСТЬ 2: ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-РЕАКТИВНЫЕ СРЕДЫ»

• •

Статья поступила в редакцию 17.04.11. Ред. рег. № 973

The article has entered in publishing office 17.04.11. Ed. reg. No. 973

ФОНОВАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ РЕЗОНАНСНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ. ЧАСТЬ 2: ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-РЕАКТИВНЫЕ СРЕДЫ

А.А. Колесников, В.И. Зарембо

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013 Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26 Тел. +7 812 3162991, факс +7 812 7127791, e-mail: wisekaa@bk.ru

Заключение совета рецензентов: 27.04.11 Заключение совета экспертов: 28.04.11 Принято к публикации: 30.04.11

Приводятся конкретные примеры приложения метода фоновой акустической резонансной регуляции самоорганизации (ФАРРС) в неравновесных электропроводящих средах: металлах, претерпевающих фазовые превращения плавления -кристаллизации при тепловых и механических воздействиях. Описаны наблюдаемые эффекты: увеличение скорости теплообмена, возрастание степени однородности структуры и состава и механических свойств твердой фазы, структурная память, кинетическое изменение микротвердости, сверхпластичность.

Для инженеров-технологов, специалистов в области материаловедения, металлургии, металлообработки, сварки металлов, энергетики и экологии.

Ключевые слова: конденсированные среды, неравновесные физико-химические системы, нелинейные процессы, самоорганизация диссипативных структур (паттернов), фоновая (резидентная) тензоимпульсная (акустическая) резонансная регуляция самоорганизации, пространственное выравнивание морфологических параметров, ускорение физико-химических процессов, параметрический резонанс, электромагнитно-акустическое преобразование.

BACKGROUND ACOUSTIC RESONANT REGULATION OF SELFORGANIZATION ON PHYSICOCHEMICAL PROCESSES IN CONDENSED SYSTEMS. PART 2: THE ELECTROMAGNETIC-REACTIVE MEDIUMS

Concrete application examples of the method of background acoustic resonant regulation of selforganization (BARRS) in nonequilibrium conductive environments are resulted: the metals undergoing phase changes of melting - crystallizations at thermal and mechanical influences. Observable effects are described: increase in speed of heat exchange, increase of degree of uniformity of texture and composition and mechanical characteristics of a solid phase, structural memory, kinetic change of microhardness, superplasticity.

It is intended for process engineers, experts in the field of materials technology, metallurgy, metal working, welding of metals, power and ecology.

Keywords: condensed mediums, nonequilibrium physicochemical systems, nonlinear processes, selforganization of dissipative structures (patterns), background (resident) pressure-pulsing (acoustic) resonant regulation of selforganization, spatial alignment of morphological parameters, acceleration of the physicochemical processes, parametric resonance, electromagnetic-to-acoustic transformation.

A.A. Kolesnikov, V.I. Zarembo

St.-Petersburg State Institute of Technology (Technical University) 26 Moskow ave., St.-Petersburg, 190013, Russia Tel. +7 (812) 3162991, fax +7 (812) 7127791, е-mail: wisekaa@bk.ru

Referred: 27.04.11 Expertise: 28.04.11 Accepted: 30.04.11

Алексей Алексеевич Колесников

Сведения об авторе: д-р хим. наук (физическая химия), доцент (общая физика). С 1975 г. -по окончании инженерного физико-химического факультета Ленинградского (Санкт-Петербургского) технологического института по кафедре химии твердых веществ - научный сотрудник, аспирант и преподаватель кафедры общей физики. С 2004 г. работает на кафедре аналитической химии СПбГТИ (ТУ), профессор.

Область научных интересов: топохимические процессы в условиях слабых физических возмущений, химическая устойчивость гидридов металлов, измерение термоэмиссионных характеристик твердых веществ, исследование процессов и разработка технологий комплексной электрохимической и озоно-сорбционной водоподготовки и водоочистки. В настоящее время занимается теорией и практическими приложениями метода имманентной регуляции гетерогенных синергетических процессов.

Публикации: более 150 научных трудов.

Виктор Иосифович Зарембо

Сведения об авторе: д-р хим. наук (физическая химия), профессор по специальности физическая химия. С 1971 г. - по окончании инженерного физико-химического факультета Санкт-Петербургского технологического института по специальности технология редких и рассеянных элементов - аспирант, научный сотрудник, профессор кафедры физической химии. С 1996 г. -зав. кафедрой аналитической химии СПбГТИ (ТУ). Под его руководством подготовлено 15 кандидатов и 3 доктора наук.

Область научных интересов: неравновесная термодинамика и кинетика конденсированных сред. Последние 15 лет занимается теорией и практическими приложениями метода имманентной регуляции гетерогенных синергетических процессов.

Публикации: более 240 научных трудов, включая 2 монографии, соавтор 5 патентов и научного открытия.

В предыдущей публикации (Часть 1) мы привели общие сведения о методе имманентной тензоим-пульсной регуляции процессов в распределенных системах, сокращенно - ФАРРС: по первым буквам заголовка статьи. Здесь приводятся иллюстративные материалы фактического применения метода в фазовых превращениях металлических материалов.

Кристаллизация металлов и сплавов в режиме фоновой регуляции

Кристаллизация тугоплавких материалов Серый чугун выплавлялся в индукционной печи ОАО «Арсенал» (СПб), кристаллизацию осуществляли в земляных формах, изготовленных в виде стержня. Сигнал ФАРРС подводили нихромовой петлей. Частота следования импульсов тока (ИТ) варьировалась от 100 до 8000 кГц. Для изучения эффекта ФАРРС в кристаллизации было осуществлено измерение микротвердости. Чугун, затвердевший в режиме ФАРРС (8000 кГц - оптимум), имел твердость по Виккерсу на 40% выше, чем закристаллизованный спонтанно. При испытаниях на изгиб этот образец выдержал на 30% большую нагрузку.

Тестовая разливка чугуна в клиновидные кокили из-за быстрого охлаждения в тонкой части клина приводит к образованию там сплошной карбидной фазы цементита (отбел). Включение кокиля в цепь токовой петли антенны кардинально изменило ситуацию: произошло выравнивание температур по всем сечениям клина и гомогенизация структуры и

состава. Металлографические исследования отчетливо показывают, как спонтанно образованные крупные включения цементита в ФАРРС-процессе образуют регулярную сетчатую структуру, которая свидетельствует об изменении характера теплообмена. При частоте ИТ 8000 кГц длина отбела уменьшилась примерно в 2 раза, что позволяет сделать заключение об ускорении рекристаллизации цементита при сохранении маршрута процесса [1, 2].

Исследование микротвердости (Виккерс, ПМТ-3) сплавов на основе хрома, молибдена, кобальта (КХС - «Бюгодент») и хрома, молибдена, никеля (НХС) показывает, что в области низких частот (100400 кГц) она уменьшается, при более высоких частотах (400-3000 кГц) - возрастает в сравнении с образцами, прошедшими спонтанную кристаллизацию.

Причем различия в значениях максимальной и минимальной твердости для НХС достигают трехкратного уровня, а для КХС - почти семикратного. Частоты выше 8000 кГц не оказывают влияния на микротвердость сплавов. Результаты влияния режима ФАРРС на структуру твердой фазы обоих сплавов показывают, что без регуляции области ликвации молибдена расположены беспорядочно, распределение этих областей по размерам практически соответствует нормальному. В режиме ФАРРС распределение зон ликвации молибдена по размерам и пространству приближается к прямоугольному [1, 3].

Сварка стальных конструкций (электродная, контактная) также обнаруживает частотную зависимость различия микротвердости контрольного и ФАРРС сварных соединений стальной арматуры: проволоки

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (96) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

ВР-1 и стержней А-11 [1, 2]. В процессе ФАРРС контактной сварки визуально наблюдается значительное «размывание» зоны свечения с одновременным уменьшением его яркости, что свидетельствует о локальном снижении и «сносе» температуры в глубь металла. На рис. 1 показаны фигуры травления сварных швов изделий из Стали 5 (сварка встык), полученных при дуговой электросварке переменным током со стандартным электродом. В контрольном образце (рис. 1, а) отчетливо обнаруживается наличие оксидов (белая периферия зоны сварки) и явная неоднородность соединения, чего нет в ФАРРС-образце (рис. 1, Ь).

эксплуатационных свойств изделий при кардинальном снижении выбраковки. Некоторое снижение коррозионной стойкости при этом остается в пределах технических условий [1].

Рис. 1. Фигуры травления сварных швов изделий из стали 5

(сварка встык), полученных при дуговой электросварке переменным током со стандартным электродом в штатном (а) и ФАРРС - 270 кГц (b) режимах Fig. 1. Figures of etching of welded seams of products from the Steel 5 (welding end-to-end), gained at the arc electric welding by an alternating current with a standard electrode in spontaneous (a) and BARRS - 270 kHz (b) modes

На рис. 2 приведены фотоснимки двух секций сопловых газовых авиационных турбин, отлитых в вакууме в штатном и ФАРРС (1000 кГц) режимах в реальных условиях производства Моторостроительного завода им. М.В. Фрунзе (г. Самара, 2007). Режим ФАРРС обеспечивает большую макроскопическую однородность структуры и подавление дендри-тообразования. Более детальный анализ показал преимущество ФАРРС режима перед штатным для

Еж

■ Г%>ШЛ

Ml 1 • •

щш - vvi> * ^Н

■ ШУ^Ш

1 1 ¿"y ¿¿SüW

b

Рис. 2. Сопловые секции газовой турбины (турбинные лопатки), отлитые из сплава ЖС6УВИ в штатном (а) и режиме ФАРРС - 1000 кГц (b). Данные Моторостроительного завода им. М.В. Фрунзе, г.Самара, 2007 г. Fig. 2. Combustion turbine sections, сast from heat resisting alloy in spontaneous (a) and BARRS condition - 1000 kHz (b)

На рис. 3 представлены фотограммы шлифов (увеличение х200) подшипниковой стали ХНВАС (Ст.55), полученных из образцов термообработанных полых цилиндрических заготовок, формуемых по технологии полунепрерывного литья (данные Белорусского Национального технического университета (БНТУ), г. Минск, 2008 г.). Гальваническая петля антенны-медиатора жестко крепилась к корпусу литьевой машины, и литье производилось при подаче ИТ частотой от 0 до 2000 кГц.

a

Рис. 3. Микроструктура (*200) подшипниковой стали ХНВАС (Ст.55) в литом термообработанном состоянии, кристаллизуемой полунепрерывным литьем в форме полого цилиндра в штатном (а) и режимах ФАРРС при различной частоте ИТ: 100 кГц (Ь); 260 кГц (с); 500 кГц (d). Данные БНТУ, г. Минск, 2008 г.

Fig. 3. A microstructure (*200) of bearing steel in the cast thermotreated condition, made semi-continuous moulding in the form of the hollow cylinder in spontaneous (a) and BARRS condition at various CI frequency: 100 kHz (b); 260 kHz (с); 500 kHz (d)

Рис. 3, а—с обнаруживает неоднородную структуру мелких зерен феррита и перлита с участками дисперсного эвтектоида. На рис. 3, й отчетливо видна равномерная тонкодисперсная феррито-перлитная структура, свидетельствующая о захвате всей кристаллизующейся массы режима фонового резонанса, частотная зона которого простирается вплоть до 2000 кГц [1].

Кристаллизация легкоплавких материалов Эффекты, аналогичные наблюдаемым в приведенных здесь опытах с серым чугуном, выявлены при ФАРРС кристаллизации алюмокремниевых сплавов [1, 2, 4, 5].

На рис. 4 представлены данные изменения микротвердости сплава АК10М2Н, застывшего в режиме ФАРРС кристаллизации жидкой фазы при вариации частоты ИТ. Исследование свойств данного сплава показало уменьшение его зернистости в области резонансного роста микротвердости [1, 4].

Рис. 4. Зависимость микротвердости сплава АК10М2Н от частоты ИТ ФАРРС кристаллизации (погрешность 2-3% с надежностью 0,95) Fig. 4. Microhardness dependence of aluminium-silicon alloy from CI frequency of BARRS crystallization (an error of 2-3% with reliability 0.95)

Сходные данные по регуляции кристаллизации сплава АМг5-Мц получены в производственных условиях ООО «Сплав» ОАО «Кировский Завод» (СПб). 300-килограммовые отливки сложной конфигурации получали кристаллизацией в чугунных изложницах из расплава с начальной температурой 710 °С. В отливках, полученных при подаче в медиатор ИТ 250 кГц, отсутствует канальная пористость по элегазу, тогда как в контроле дефектом обладают 40% слитков. Результаты механических испытаний образцов из этих отливок свидетельствуют о влиянии ФАРРС на прочностные и пластические характеристики изделия. При ФАРРС кристаллизации предел прочности образцов сплава на растяжение увеличивается на 15%, относительное удлинение на разрыв - на 90%, а относительное сужение - на 130% по сравнению с контролем [1, 6, 7] .

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (96) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

На заводе ООО «Альфа-Люм» (г. Самара) проводились эксперименты по направленной непрерывной кристаллизации крупных отливок (столбов диаметром ~ 15 см и длиной 2,5 метра) из алюмо-марганцевого сплава АМц (ГОСТ 4784-74). Сигнал ФАРРС 100-1000 кГц подавался на корпус кристаллизатора. Результаты, полученные в заводской лаборатории (пока только по структурным анализам), показывают улучшение однородности ФАРРС-структуры по радиальному и осевому сечениям изделий [1].

В заводских условиях ОАО «Пекар» (СПб) двухкилограммовые отливки сложной конфигурации (корпус карбюратора) из сплава ЦА4М1 получали кристаллизацией на литьевых машинах под давлением (рис. 5). Электрические импульсы 50-250 кГц пропускались непосредственно через литьевую машину [1, 5, 6]. Наблюдаемый рост твердости при частоте 250 кГц тоже свидетельствует о более мелком зерне полученного ФАРРС-сплава в соответствии с известной формулой Петча - Холла.

Рис. 5. Структура сплава ЦА4М1, прошедшего спонтанную (слева) и ФАРРС - 250 кГц - кристаллизацию (справа) Fig. 5. Structure of aluminium-silicon alloy, passed the spontaneous (at the left) and BARRS - 250 kHz -crystallization (on the right)

В 2007 г. на кафедре физики твердого тела и неравновесных систем Самарского аэрокосмического университета (СГАУ) им. С.П. Королева проводились исследования слитков из сплава АК9, закристаллизованного в штатном и ФАРРС режимах при литье в кокиль. С увеличением частоты сигнала ФАРРС с 250 кГц до 1000 кГц наблюдается измельчение участков а-твердого раствора и эвтектики. При этом структура представляется как статистически более равномерная и мелкозернистая. В ходе аналогичного исследования слитков из сплава А1-Се, закристаллизованного в штатном и ФАРРС режимах, показано, что с увеличением частоты ИТ наблюдается уменьшение размеров кристаллов алюминия и более равномерное распределение их в матрице эвтектики (А1 + А14Се), т.е. величина зерна уменьшается [1].

По данным [1, 7-9], фоновая регуляция проявляется на модификации структуры и кинетики кристаллизации металлов и сплавов на основе свинца, олова, висмута, сурьмы и др. На рис. 6 показано действие ФАРРС на структурные параметры свинца. Наблюдается рост пространственной однородности структуры с одновременным измельчением зерна от 5 до 2,5 мкм на оптимальной частоте ИТ 1000 кГц [1, 9].

Рис. 6. Зависимость среднего размера поликристаллических зерен свинца от частоты ИТ режима ФАРРС кристаллизации металла

Fig. 6. Dependence on the average size of polycrystalline lead grains from CI frequency BARRS mode of crystallization metal

Кинетика кристаллизации и фазово-переходная память

Репрезентативно установлен эффект сокращения времени процесса кристаллизации металлов и сплавов в режиме ФАРРС. Этот эффект был проверен количественно лабораторными опытами по кристаллизации олова, свинца, алюминия и некоторых сплавов на их основе [1, 8-11]. Сигнал ФАРРС от гальванической петли магнитного диполя подавался погружением в массу металла керамического волновода, либо примыканием провода диполя к внешней поверхности стеклоуглеродного плавильного тигля. Плавление и кристаллизацию проводили при частотах ИТ, которые определили экспериментально, изучив частотную зависимость микротвердости холодного алюминия и его сплава (см. далее).

Кинетические кривые компьютерной хронотер-мометрии - кривые изобарного охлаждения олова и свинца в естественных условиях (контроль) и режиме ФАРРС на оптимальной частоте следования ИТ (215 кГц) показывают сохранение скоростей остывания как жидкой, так и твердой фаз металлов и отчетливое сокращение времени фазового перехода в режиме ФАРРС. Если принять неизменность энтальпии кристаллизации в электромагнитном и акустическом полях - а для иного нет достаточных оснований, -сокращение длительности процесса твердения означает интенсификацию «сброса» внутренней энергии системы в термостат.

Рис. 7. Сокращение времени кристаллизации р-олова (слева) и свинца (справа) в режиме ФАРРС (цикл 2) по сравнению с контролем (цикл 1) и эффект фазово-переходной памяти при повторах без фона (циклы 3 и след.) Fig. 7. Abbreviation of a time on crystallization of p-stannous (at the left) and lead (on the right) in BARRS regime (cycle 2) in comparison with the spontaneous (cycle 1), and effect of "сhange-phase memories" at repetitions without a hum (cycles 3 and follow)

Еще одна особенность - исчезновение переохлаждения жидкости, что также соответствует представлениям об организующем механизме ФАРРС.

Нами обнаружен и объяснен эффект памяти однократного ФАРРС процессами плавления и кристаллизации металлов [1, 8-11]: длительность фазового перехода при повторных операциях спонтанной перекристаллизации сократилась (рис. 7).

В методике ФАРРС главным эффектом является повышение скоростей химических и транспортных процессов, а в итоге - кардинальное уменьшение пространственных неоднородностей продуктов, с энтропийный анализом чего можно ознакомиться в публикациях [1, 11, 12]. Эти явления играют важную роль в объяснении фазово-переходной памяти.

На рис. 7 показано сохранение и постепенное разрушение фазово-переходной (долговременной) памяти олова и свинца о режиме ФАРРС (цикл 2) в серии последовательных неуправляемых циклов (36) плавления - кристаллизации. Однако к исходному значению времени превращения (цикл 1) система так и не вернулась.

Сходная картина наблюдается при исследовании аккумуляторного сплава СКА7. Сокращение длительности кристаллизации в режиме ФАРРС достигает 16% при сохранении памяти об этом режиме в дальнейших циклах плавления - кристаллизации [1].

В 2006 г. в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН (СПб) проводились опыты по ФАРРС кристаллизации алюминиевого сплава АМц при вертикальном вытягивании кристаллизующейся полосы через фильеру с подключением антенны-медиатора непосредственно к литьевой машине. При сравнении усредненных значений плотностей и поперечных сечений (±1,6%) полос АМц непрерывного литья как функции скорости вытягивания слитка из расплава и частоты ИТ ФАРРС отмечено следующее [1]. При малых скоростях вытягивания спонтанный и ФАРРС режимы показывают близкие результаты. Однако повышение скорости вытягивания при частоте ИТ 500 кГц отчетливо показывает существенное сужение слитка при сохранении структурных и экс-

плуатационных параметров изделия на скоростях вытягивания, не реализуемых в штатном (спонтанном) режиме из-за разрыва полосы, не успевающей затвердеть в зоне фильеры. Это прямо свидетельствует об ускорении процесса кристаллизации в режиме ФАРРС и проникновении зоны твердения в глубь отверстия фильеры, что аналогично результатам по ФАРРС кристаллизации олова, свинца и алюминия.

Пластические деформации металлических материалов в режиме ФАРРС

Поверхностные деформации сжатия

Была замечена весьма примечательная корреляция между частотной полосой резонансного структурного и кинетического фазово-переходного отклика металлических материалов и частотным диапазоном влияния ИТ ФАРРС на их поверхностные пластические свойства. Имеется в виду изменение микротвердости металлических материалов, включенных в электрическую цепь петли антенны-медиатора ФАРРС при естественной температуре (рис. 8). Эти материалы представлены в [1, 2, 8-11].

Испытаниям подвергались образцы легкоплавких металлов (отожженные слитки) олова, свинца, алюминия, висмута, цинка и тугоплавких (отожженные полосы) меди, серебра, кобальта, никеля, ниобия, тантала, циркония, молибдена, вольфрама. Поскольку целью данного эксперимента было сравнение действия ФАРРС пластической деформации на разных частотах ИТ, то для получения надежных репрезентативных данных методика Виккерса была изменена: мягкие (алюминий, олово, свинец, висмут, медь, цинк) материалы нагружались силой 50 мН, твердые (серебро, никель, ниобий) - силой 200 мН, цирконий - 300 мН и еще более твердые - кобальт, тантал, молибден, вольфрам - 500 мН.

Данные опытов показывают, что микротвердость металлов изменяется, максимальное влияние ИТ ФАРРС наблюдается для легкоплавких олова и свинца. Для этих металлов изменения достигают 39%. Подача сквозных ИТ в некоторой полосе частот

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (96) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

вызывает рост микротвердости алюминия, олова, цинка, меди, серебра, никеля, кобальта, циркония, тантала, ниобия и снижение - у свинца, висмута, молибдена, вольфрама. Погрешности измерений (указаны размером вертикальных штрихов на рис. 8) составляют 2-3%.

Эти наблюдения могут иметь чисто прагматическое значение в аспекте подбора триботехнических пар металлов при ФАРРС эксплуатации трущихся элементов шарнирных, подшипниковых и проч. уз-

лов для уменьшения износа при эксплуатации механизма с ИТ ФАРРС [1, 2]. Эффект изменения пластичности также привлекателен для облегчения таких операций, как обработка металлов резанием, штамповка, вальцовка, прокат и др. при соответствующем подборе инструментального материала: инструмент в режиме ФАРРС, находясь в условиях гальванического и акустического контакта, не должен терять своих функциональных свойств.

Рис. 8. Зависимости микротвердости от частоты сквозных ИТ ФАРРС, подаваемых в процессе нагружения индентора ПМТ-3 для металлических материалов: алюминия, цинка Fig. 8. Metal microhardness dependences from CI frequency of through electric current pulses, submitted in the course of a loading of penetrator for metal materials: aluminium, zinc

Но в плане общей теории ФАРРС здесь более интересна следующая тенденция: частотная область максимального отклика металлического материала изменением своих пластических свойств совпадает с диапазоном проявления ФАРРС в процессе кристаллизации этих веществ. И надо заметить, что никакие физико-химические константы, характеризующие чистые кристаллические или жидкие металлы в равновесном состоянии и параметры межатомных взаимодействий в конденсированном состоянии, не коррелируют с проявлением описанных эффектов.

Именно потому мы называем металлы в данном аспекте металлическими материалами, подразумевая весь комплекс физико-химических микро- и макро-структурных параметров, выходящий далеко за рамки классических справочников по физике, химии и материаловедению.

Деформации кручения В материалах [1, 2] нами описан эффект появления сверхпластичности медного прутка, подвергающегося деформации кручения на испытательном

стенде (крутильной машине) в режиме пропускания через испытуемый образец сквозных ИТ частотой следования 500 кГц: в лаборатории прочности материалов НИИ математики и механики С.-Петербургского государственного университета (СПбГУ) было зафиксировано полное отсутствие наклепа в ходе вращения, который, однако, появился практически сразу после выключения ГИТ ФАРРС.

Совершив несколько оборотов при постоянном моменте трения (как жгут из вязко-пластичного тестообразного материала) с появлением на цилиндрической поверхности характерных спиральных канавок, стержень без ИТ проявил наклеп и испытал разрыв (рис. 9).

Рис. 9. Появление сверхпластичности кручения в режиме пропускания импульсов (500 кГц) сквозного электрического тока вдоль медного стержня Fig. 9. Emersion of superplasticity of twisting in a regime of through electric current pulses (500 kHz) along the copper rod

Это явление может быть использовано в производственных операциях волочения и прокатки без последующих термических процедур отжига, отпуска, закалки материала. Здесь важно сделать акцент на весьма существенном для доказательства акустического действия фоновой регуляции факте: если микротвердость - поверхностное свойство, и его ФАРРС-эффекты можно было бы интерпретировать как проявление, скажем, «электронного ветра» [13] в области скин-слоя, используя, таким образом, электромагнитную интерпретацию наблюдаемых явлений, то аномальная объемная деформация кручения не может быть истолкована иначе, как референтами акустической модели [1].

Список литературы

1. Колесников А. А. Фоновая акустическая регуляция физико-химических процессов в конденсированных системах: Дисс. д-ра хим. наук. СПб., 2009.

2. Зарембо В.И., Колесников А.А., Бурнос Н.А., Иванов Е.В. Метод электромагнитного кондиционирования в промышленных технологиях гетерофаз-ных превращений // Тяжелое машиностроение. 2005. № 11. С. 14-18.

3. Зарембо В.И., Подгородская Е.С., Колесников А.А. и др. Изменение ликвации жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта при кристаллизации в слабых электромагнитных полях в токовом режиме // Химическая пром-ть. 2003. Т. 80, № 9. С. 30-37.

4. Зарембо В.И., Подгородская Е.С., Колесников А.А. и др. Гетерофазные превращения в реактивных конденсированных средах в режиме резонансного электромагнитно-акустического преобразования // Там же. № 6. С. 7-14.

5. Зарембо В.И., Киселева О.Л., Колесников А.А. и др. Влияние импульсов тока на процессы плавления и кристаллизации металлов // Металлургия машиностроения. 2005. № 1. С. 11-15.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Зарембо В.И., Киселева О.Л., Колесников А.А. и др. Структурирование неорганических материалов под действием слабых электромагнитных полей радиочастотного диапазона // Неорганические материалы. 2004. Т. 40, № 1. С. 96-102.

7. Пат. 2137572 Российская Федерация, С 1 6 В 22 Б 27/02. Способ управления процессом кристаллизации / Алехин О.С., Бобров А.П., Герасимов В.И. и др. - № 98123306/02; Заявл. 29.12.98; Опубл. 20.09.99 // Бюлл. № 26.

8. Зарембо В.И., Колесников А.А., Иванов Е.В. Фоновое электромагнитно-акустическое управление структурными и пластическими свойствами металлических материалов // Известия РАН, Сер. Физич. 2006. Т. 70, № 8. С. 1088-1091.

9. Иванов Е.В. Управление структурными и пластическими свойствами металлических материалов фоновым электромагнитно-акустическим полем: Ав-тореф. дисс. канд. хим. наук / СПбГТИ(ТУ). СПб., 2005.

10. Зарембо В.И., Колесников А.А., Иванов Е.В. Влияние переменного электрического тока на структуру и пластичность металлических материалов // Нанотехника. 2005. № 3. С. 120-129.

11. Зарембо В.И., Колесников А.А. Фоновое резонансно-акустическое управление гетерофазными процессами // Теор. основы химич. технологии. 2006. Т. 40, № 5. С. 520-532.

12. Зарембо В.И., Киселева О.Л., Колесников А. А. и др. Увеличение скоростей физико-химических превращений в режиме резонансного электромагнитно-акустического преобразования // Химическая пром-ть. 2003. Т. 80. № 5. С. 12-24.

13. Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985.

Г'-": — TATA — LXJ

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (96) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.