CC BY
50
Автоматизация производственных процессов и технологических систем
2009. С. 100-101.
3. Опыт разработки шиберных устройств для технологических переливов стали / С.П. Еронько [и др.] // Черметинформация. Бюл. «Черная металлургия». № 9.
2008. С. 81 - 87.
4. Шиберные сталеразливочные системы и комплекты огнеупоров к ним / В.И. Золотухин [и др.] // Новые огнеупоры. №. 3.
2008. С. 90-95.
V.I. Zolotukhin
AUTOMATION OF PROCESSES OF DISPENSING AND INCREASES OF THE CONTINUITY OF WORK THE MECHANISM OF A CONTINUOUS OF STEEL CASTING
Questions of application of modern technical solutions for systems of automation of management are considered by a stream of metal, advantage of slide gate and devices offast change of glasses batchers
Key words: steel casting, slide gate, slide gate ceramics.
Получено 16.01.12
УДК 621.9
Г.В. Шадский, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-18-87, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
С. В. Сальников, студент, (4872) 35-18-87, stanki @шс.Ш1а.ги (Россия, Тула, ТулГУ)
ВОЗМОЖНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАЗРУШЕНИЕМ ЗОНЫ РЕЗАНИЯ
Предложена гипотеза о возможности возникновения туннельного эффекта при эволюции дислокационной структуры в результате упругопластического деформирования материала в зоне резания, объясняющая механизм управления направленным разрушением.
Ключевые слова: туннельный эффект, зона резания, электрический ток, дислокационная теория.
Для объяснения механизмов разрушения зоны резания широко используются известные положения дислокационной теории [1,2]. Они дают возможность описать механические и электрические процессы, протекающие в зоне предразрушения, с единых позиций, основанных на исследовании эволюции структуры локального объема обрабатываемого материала.
Плотность дислокаций служит мерой дефектности структуры. При движении дислокации скапливаются у барьеров и дефектов. Они создают
поле внутренних напряжений, обратное приложенному напряжению, и препятствуют дальнейшему их движению. Вероятность преодоления препятствия дислокацией, остановившейся около него [2]
_ и 0 -Ц (()
Ж„ = Жо е кТ (() , (1)
где и о- высота активационного барьера; и (()- работа приложенного напряжения <г(()на глубине (; Т(()- температура на глубине (; Жо- постоянный коэффициент, характеризующий свойства обрабатываемого материала.
Известно, что при достижении плотностью дислокации некоторого критического значения, зависящего от характеристик дислокации, типа кристаллической решетки и условий деформирования, дислокационная система приобретает новые физические свойства, отсутствующие у изолированных дислокаций. Такие свойства дислокационных систем, как образование жестко связанных ансамблей и коллективное преодоление препятствий, являются фундаментальными [ 1,2,3,4]. Они объясняются, в частности, тем, что при увеличении плотности дислокаций силы взаимодействия между ними становятся больше внешних сил, что делает невозможным независимые перемещения отдельных дислокации. В результате дислокации с меньшими значениями энергии активации становятся способными преодолевать высокий потенциальный барьер на дефекте. Одним из типовых проявлений такого коллективного дислокационного эффекта является образование в металлах микротрещин. Этот механизм позволил выдвинуть гипотезу о существовании «туннельного эффекта» при преодолении дислокациями препятствий.
О правомочности данной гипотезы говорят следующие моменты дислокационного подхода, позволяющие рассматривать деформацию как движение квазичастиц:
- пластическая деформация сопровождается вращением отдельных микрообъемов, выполняющих функции катков;
- для образования внутри решетки дислокационной трещины необходимо создать пустоту, т.е. переместить часть материала на расстояния, соизмеримые со значением вектора Бюргерса;
- при скоростях деформации, характерных для процесса резания, в энергетическом балансе зоны предразрушения значимую роль начинает играть кинетическая энергия квазичастиц;
- известное дискретно-континуальное описание основано на представлении большей части скоплений дислокаций в виде континуума.
Проблема такого подхода заключается в определении параметров этих псевдочастиц: размеров, массы и скорости.
При движении коллектива дислокаций происходит эволюция дислокационной структуры, изменение распределения плотности дислокаций
Автоматизация производственных процессов и технологических систем
внутри некоторого объема в направлении этого движения [2].
Будем исходить из того, что изменение плотности дислокаций, особенно в зоне предразрушения на этапе образования микротрещин, связано с изменением локальной плотности материала. Тогда эволюцию дислокационной структуры можно представить как движение псевдочастиц, масса и размеры которых определяются дефектностью структуры, например, критическими размерами объема, в котором может зародиться и существовать трещина Гриффитса.
По определению туннельный эффект выражается в преодолении микрочастицей потенциального барьера, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.
Дефект, у которого скапливаются дислокации, разделяет пространство на две области потенциальным барьером, Цр0, > Е, где Е полная
энергия квазичастицы; и р0, - потенциальная энергия барьера. Просачивание квазичастицы сквозь него в рамках классической теории оказывается невозможным, поскольку соответствует мнимому значению ее импульса. В квантовой механике этому соответствует экспоненциальная зависимость волновой функции от её координаты. Для иллюстрации возможности существования в рассматриваемом случае туннельного эффекта воспользуемся уравнением Шрёдингера с постоянным потенциалом [5]. Рассмотрим одномерный случай, соответствующий, в частности, образованию узкой трещины, когда в первом приближении можно считать, что все дислокации расположены на оси трещины:
2
^ + Ц (е - Про, )т= о, (2)
йх П2
где х - координата; П - редуцированная постоянная Планка; т - масса частицы.
Задачу сформулируем следующим образом. Пусть на пути движущейся квазичастицы встречается дефект, создающий потенциальный барьер высотой и о >> Е. Потенциал самой частицы до и после барьера и^ < Е. Предположим также, что начало барьера совпадает с началом координат, а его «ширина» равна а.
Все пространство можно разбить на три области: I - до прохождения барьера (до дефекта); II - во время прохождения внутри потенциального барьера и III - после прохождения барьера (за дефектом).
Граничные условия между областями можно представить следующим образом:
у11х=о = уII\х=о ; уII\х=а = уIII\х=а ;
I, = ц , _ ц , = ш ,
1 х=о 1 х=о ; 1 х=а 1 х=а . (3)
ах ах ах ах
Решения приведенного уравнения для указанных областей имеют вид [5,6]
^I = А} ехр('-х) + ехр(-¡кх),
х¥11 = А2 ехР(-Хх) + В2 ехР(Хх), (4)
ЧIII = А3 ехр('к(х - а)) + В3 ехр(-¡к(х - а)),
где к
І
2т
—(Е -и{), х
2т (ио - Е) .
н2 Ц
Слагаемое В3 ехр(-¡к(х - а)) характеризует отраженную волну, идущую из бесконечности. В данном случае будем полагать, что она отсутствует, то есть В3 = 0. Для характеристики величины туннельного эффекта вводится коэффициент прозрачности барьера, равный модулю отношения плотности потока прошедших частиц у'щ к плотности потока упавших jI:
В =. (5)
Поток частиц определяется через волновую функцию:
(6)
іН
^ 2т
ґ * \ дш дш *
------ш--------ш
дх дх
V У
где знак * обозначает комплексную сопряженную функцию.
Воспользовавшись граничными условиями, выразим сначала А2 и
В2 через А3 (будем полагать, что ха >> 1) [5,6]:
1 - ІП , 1 + ІП , X * ^
А2 = ~у~ А3 ехР( Xа) , В2 =—^~ А3 ехР( ~Ха) ~ 0 , (7)
а затем Аі через А3:
к Е - и г
п = - = Л-------, (8)
X V и 0 - Е
А1 ='(^ '¡^ ехР(Ха)А3 • (9)
4п
Подставляя в формулу (4) соответствующие волновые функции, получим
|А3|2
в = Щг. (Ю)
И12
Практика показывает, что величина, характеризующая энергетические соотношения
16п2 (и0 - Е)(Е - и Г)
Во = 2 2 = 16^- -^ (11)
(1 + п2)2 (ио - иг )2
Автоматизация производственных процессов и технологических систем имеет порядок единицы [7]. Тогда
Из полученной зависимости можно сделать вывод, что для увеличения эффекта туннелирования следует уменьшить массу квазичастицы, то есть поднять плотность дислокаций, увеличить собственную энергию дислокаций или уменьшить потенциальный барьер. Одним из направлений решения этой задачи в первом случае является изменение режимов резания, во втором случае - приложение внешних воздействий, например электрического, в направлении компенсации напряжений, создаваемых дефектом.
Интенсификация процессов резания дополнительным дискретным электрическим воздействием сопровождается сложным взаимодействием механических, термодинамических, электрических и электродинамических явлений. Эти явления объединяют не только единое пространство, в качестве которого выступает зона предразрушения, но и время, в течение которого результат их взаимодействия проявляется в образовании мгновенной плоскости сдвига и направленном разрушении материала.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проект № 10-08-97512-р_центр_а.
1. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. 159 с.
2. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.
3. Коттрелл А.Х. Теория дислокаций. М.: Мир, 1969. 95 с.
4. Ландау А.И., Боржковская В.М., Торкатюк М.Т. Движение дислокаций в реальных кристаллах, содержащих крупные локальные дефекты (стопоры) //Металлофизика. Вып. 24. Киев: Наукова думка, 1968. С.47-62.
5. Давыдов А.С. Квантовая механика. М.: Наука, 1973, 704 с.
6. Флюгге З. Задачи по квантовой механике. М.: Мир. Т.1. 1974,
7. Кунин С.В. Вычислительная физика. М.: Мир, 1992. 123 с.
G.V. Shadsky, S.V. Salnikov
POSSIBILITIES OF AUTOMATIC STEERING OF DESTRUCTION OF THE ZONE OF CUTTING
The hypothesis about possibility of origination of tunnel effect is offered at evolution dislocation structures as a result elastic-plastic material strainings in the cutting zone, explaining the control mechanism by the directed destruction.
Key words: tunnel effect, a cutting zone, an electric current, the dislocation theory.
H
Список литературы
343 с.
Получено 20.01.12
