Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Актуальность и цели: одним из возможных способов рекуперации компонентов из Se-Al-сплава, образующегося при переработке медеэлектролитного шлама, является вакуумная перегонка. Объект исследования: Se-Al-сплавы состава, моль %: 0,01-99,99 Se; 99,99-0,01 Al, образование которых возможно в процессе переработки медеэлектролитного шлама при получении товарного концентрата селена. Цель работы: расчет равновесных состояний газ-жидкость VLE (Vapor Liquid Equilibrium), включая зависимости состава фаз от температуры ( Т-х ) и давления ( Р-х ) для Se-Al-сплава при вакуумной перегонке. Используемые методы и подходы: расчет коэффициентов активности компонентов Se-Al-сплава выполнен с помощью упрощенной версии объемной модели молекулярного взаимодействия Simple Мolecular Interaction Volume Model (SMIVM) . Для предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов при вакуумной перегонке используют фазовые диаграммы температуры « Т-х » и давления « Р-х ». Новизна: расчет коэффициентов активности с использованием упрощенной версии модели SMIVM. Основные результаты: в интервале температур 823-1073 К рассчитаны значения давления насыщенного пара для Se (p Se* = 1,42∙104-3,66∙105 Па) и Al (p Al* = 1,33∙10-8-3,54∙10-4 Па). Высокие значения соотношения p Se* / p Al* = 1,07∙1012…1,04∙109 и коэффициента разделения logβSe = 8,45…12,83 создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда селен обогащается в газовой фазе (βSe > 1), а алюминий - в жидкой. Мольная доля алюминия в газовой фазе у Al ≤ 2,6∙10-8…9,3∙10-12 уменьшается со снижением температуры 1073-823 К и мольной доли металла в сплаве х Al = 0,9…0,1. Для границы раздела фаз жидкость-газ Se-Al-сплава определены значения изменения избыточных энергии Гиббса, энтальпии и энтропии ΔG m E = 0,97…3,51 кДж/моль; ΔН m E = 2,2…6,1 кДж/моль; ΔS m E = 1,1…3,2 Дж/(моль∙К). Практическая значимость: сокращение количества трудоемких и дорогостоящих установочных опытов при переработке Se-Al-композиций для оптимизации значений температуры и давления процесса вакуумной дистилляции с целью получения Sе-содержащих продуктов заданного состава.

Проведены опыты по вариации скорости деформации на монокристаллах сплава Ni3Ge, обладающих ярко выраженной температурной аномалией предела текучести и напряжений течения. Показано, что для измерения активационного объема ( V *) необходимо учитывать суперпозицию нормального и аномального откликов напряжений течения на изменение скорости деформации: Предложена схема разделения скачка напряжений на нормальную и аномальную составляющие. Проведены расчеты значений эффективного активационного объема V * с использованием выделенной из суммарного скачка напряжений составляющей Получены эффективные активационные объемы пластической деформации в широком диапазоне значений температуры и напряжения течения. На температурной зависимости эффективного активационного объема выявляются две стадии: первая характеризуется увеличением активационного объема, вторая - снижением. Увеличение активационного объема наблюдается в интервале значений температуры 293-673 К, а при температуре от 673 до 873 К величина активационного объема резко снижается. Приложенное сдвиговое напряжение способствует снижению величины эффективного активационного объема. Границы температурных интервалов стадий активационного объема совпадают с границами стадий температурной зависимости значений напряжения течения и предела текучести. Проведено сопоставление полученных зависимостей эффективного активационного объема с эволюцией дислокационной структуры от температуры. Показано, что на первой стадии, характеризующейся ростом активационного объема, увеличение температуры приводит к самоблокировке винтовых дислокаций вследствие образования барьеров Кира - Вильсдорфа. Вторая стадия температурной зависимости активационного объема связана с тем, что повышение температуры приводит к активизации подвижности точечных дефектов и самоблокировке краевых сверхдислокаций.

Углерод-углеродные композиционные материалы - это материалы, которые сохраняют свою работоспособность при интенсивном нагреве в широком диапазоне температур (от 20 до 2500 °С). Они нашли свое применение в авиа- и ракетно-космической технике. Композитные материалы отличаются высокими удельной прочностью и жесткостью, сохраняющимися неограниченно долго в инертных средах при повышенных температурах. Сочетание высокой теплостойкости и химической стойкости с высокими значениями теплопроводности при малом линейном расширении делает УУКМ незаменимыми в области высокотемпературных применений. Посвящена исследованию резьбового крепежа из УУКМ. Исследовано влияние шага резьбовой пары, изготовленной из пространственно-армированного углерод-углеродного КМ со схемой армирования 4ДЛ, на возможность приблизиться к достижению условия равнопрочности резьбового соединения из композитов. Проведена оптимизация шага резьбы для исследуемого КМ. Получены результаты, основанные на численных расчетах, выполненных с помощью метода конечных элементов в программном комплексе ANSYS, и натурных экспериментах, проведенных на универсальной испытательной машине. Приведены результаты несущей способности резьбы, изготовленной из УУКМ, при разрушении по стержню, а также представлена прочность витков рассматриваемого типоразмера резьбы в резьбовой паре на срез. На основе анализа результатов численных расчетов и результатов экспериментов сделаны выводы о необходимости повышения шага для резьбовой пары, изготовленной из КМ. Увеличение шага резьбы до значения, отличного от рекомендованных ГОСТом, продемонстрировало повышение несущей способности резьбы из УУКМ при нормальных температурах более чем в 2,5 раза.

Представлены результаты анализа процессов деградации электродов свинцово-кислотных аккумуляторов и рассмотрены современные технологии по предотвращению разрушения электродов и продлению срока их службы. Показана взаимосвязь надежности аккумуляторных батарей и их эксплуатационных характеристик. Описаны технологии получения электродов методами порошковой металлургии (холодное и горячее формование), обеспечивающие получение консолидированных порошковых композиционных материалов с однородной структурой, повышенной относительной плотностью 0,9-0,98 для материала сетки и около 0,5-0,6 для активной массы, а также трещиностойкостью. Рассмотрена эффективность применения технологии искрового плазменного спекания, обеспечивающая получение электродов аккумуляторных батарей, с возможностью задавать широкий спектр эксплуатационных свойств при минимальных затратах времени. Также способы искрового плазменного спекания позволяют изготавливать композиционные материалы, содержащие углерод или имеющие высокую степень окисления. Рассмотрены преимущества пористой структуры материала, способствующей глубокому проникновению электролита и активной массы в сетку электрода. Выявлено, что введение акриловых волокон позволяет повысить механическую прочность материала сетки без увеличения стоимости готового изделия. Изучена возможность применения различных углеродсодержащих компонентов, позволяющих повысить сохраняемость, долговечность и безотказность аккумуляторных батарей, а также возможность применения процессов спекания под давлением в ходе уплотнения порошкового материала. На основе результатов ранее проведенных исследований проведена многокритериальная оптимизация и установлено содержание 0,46-0,78 мас. % углеродсодержащих компонентов в шихте, обеспечивающее повышенные значения электропроводности композиционного материала Pb-C сетки аккумуляторных батарей, скорости заряда и емкости отрицательного электрода.

Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии проведены исследования структурно-фазового состояния ультрамелкозернистого никеля, полученного путем деформации равноканальным угловым прессованием. При равноканальном угловом прессовании образцы подвергались сдвиговой деформации путем сжатия по двум пересекающимся под углом 1200 каналам равного диаметра при температуре Т = 400 °С без промежуточных отжигов. Число проходов соответствовало N = 4. Проведено изучение зеренной структуры. В соответствии с характером дислокационной структуры зерна были классифицированы на три типа: 1) бездислокационные зерна - самые мелкие зерна, не обладающие субструктурой (в них практически отсутствуют дислокации), 2) более крупные зерна, содержащие хаотически распределенные дислокации или сетчатую субструктуру, и 3) самые крупные зерна с ячеистой или фрагментированной субструктурой. Все зерна анизотропны. Для каждого типа зерен, а также для материала в целом построены распределения для продольных и поперечных размеров зерен. В зернах каждого типа, а также в среднем по материалу рассчитана средняя величина скалярной плотности дислокаций. Самая высокая величина скалярной плотности дислокаций оказалась в зернах второго типа. Установлено, что равноканальное угловое прессование привело к образованию в ультрамелкозернистом никеле стабильных (NiO и Ni2O3) и метастабильных (Ni4N и Ni3C) вторых фаз. Доказано, что частицы вторых фаз обладают нанометрическим размером и локализуются внутри (Ni2O3), на границах (Ni4N, Ni3C) зерен, а также в их стыках (NiO). Расположенные на границах и в стыках зерен они препятствуют перемещению границ и тем самым стабилизируют структуру ультрамелкозернистого никеля.

Фрикционная муфта нового типа, предназначенная для машиностроения, со сложным относительным движением точек рабочих поверхностей фрикционных пар, обладает такими достоинствами, как более высокая плавность включения и выключения, низкий уровень шума и вибрации, сравнительно меньший и более равномерный износ по рабочим поверхностям фрикционных пар. Это, в частности, достигается за счет снижения контактных температур в зоне фрикционного взаимодействия. Для выявления особенностей протекания тепловых процессов и процессов изнашивания требуется проведение дополнительных углубленных исследований. Цель - разработка комплексной математической модели тепловых процессов и процессов изнашивания фрикционной муфты нового типа для машиностроения со сложным относительным движением точек рабочих поверхностей фрикционных пар путем усовершенствования существующих математических моделей, с учетом кинематических и конструкционных особенностей фрикционной муфты нового типа. Используемые методы: математическое моделирование тепловых процессов и процессов изнашивания, планирование эксперимента, проведение эксперимента в лабораторных условиях, статистическая обработка данных и сравнительный анализ результатов исследований. Новизна: предложена комплексная математическая модель, описывающая закономерности энерговыделения, теплообмена и износа фрикционной муфты со сложным относительным движением рабочих поверхностей фрикционных пар. Результаты: получены новые аналитические зависимости: коэффициента трения скольжения рабочих поверхностей фрикционных пар фрикционной муфты и износа фрикционных материалов от температуры и относительной скорости перемещения точек рабочих поверхностей; теплофизических параметров фрикционных материалов от температуры. Предложено универсальное корреляционное выражение, устанавливающее зависимость между относительной скоростью движения точек рабочих поверхностей фрикционных пар фрикционной муфты и коэффициентами теплопередачи для внутренней и внешней конвекции. Установлено, что результаты численного эксперимента хорошо согласуются с результатами стендовых испытаний. Практическая значимость: разработанная комплексная математическая модель позволяет проводить численные эксперименты работы фрикционных муфт нового типа различной конструкции, по результатам которых могут быть получены оптимальные параметры фрикционных муфт различного конструктивного исполнения.