Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Physical-Technical Series / Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук
Not a member yet
551 research outputs found
Sort by
Оценка надежности кластерной суперкомпьютерной конфигурации
Get PDFThe study of reliability indicators was carried out on the example of a cluster supercomputer configuration of “SKIF-GEO” (further cluster) worked out within the framework of the scientific and technical program “SKIF-Nedra” (2015–2018, Program of the Union State of Russia and Belarus). The cluster is a stationary supercomputer configuration designed to solve resource-intensive applications in data processing centers (DPC). Computing platforms and other cluster modules are located in the same 19′′ rack height of 42U. Theoretical peak performance of cluster – 100 Tflop/s. The basic architectural principles implemented in the cluster, the composition and structural-functional scheme of the cluster are given. A methodological support for calculating the reliability of the cluster, based on previous studies by the authors, is proposed. Taking into account these studies, the structural scheme of reliability (SSR) of the cluster, consisting of two parts – the cluster core and the combination of computing facilities (nodes) (CCF), is substantiated. The component parts (CP) include components of the cluster, the failure of which leads to a decrease in performance to zero. CCF includes CP of cluster, the failures of which lead to a decrease in cluster performance. The choice of the main indicators of the reliability of the cluster core and CCF is grounded and formulas for calculating these indicators are given. The analysis of the consequences of failures of cluster components is made. Taking into account the analysis, the SSR of the cluster core is determined, which allows to derive a formula for calculating the cluster core reliability indicators. A mathematical model of reliability (state graph) of an CCF cluster is proposed, which allows one to derive formulas for calculating the mean time to failure and the mean time for a failure of the CCF of cluster. An assessment of the reliability of CP cluster, for which there is no reliable information on their reliability, is determined based on the SSR of these CP. An assessment of the reliability of the cluster as a whole, based on the calculation of reliability indicators based on reference data on the reliability of components and components, as well as on data from the operation of supercomputers of family “SKIF” has been carried out. Taking into account this estimation and the calculated ratios obtained, the cluster reliability indicators for two options were calculated (in the presence and absence of a reserve of computing nodes). High values of cluster reliability indicators were achieved due to the architectural and structural solutions adopted in the process of its development, aimed at increasing its survivability.Исследование показателей надежности проводилось на примере кластерной суперкомпьютерной конфигурации «СКИФ-ГЕО-ЦОД РБ» (далее – кластер), разработанной в рамках научно-технической программы Союзного государства «СКИФ-Недра» (2015–2018 гг.). Кластер представляет собой стационарную суперкомпьютерную конфигурацию, предназначенную для решения ресурсоемких прикладных задач в центрах обработки данных (ЦОД). Вычислительные платформы и другие модули кластера располагаются в одной 19′′ стойке типа APC Netshelter высотой 42U. Теоретическая пиковая производительность кластера – 100 Тфлопс. Приведены базовые архитектурные принципы, реализованные в кластере, состав и структурно-функциональная схема кластера. Предложено методическое обеспечение расчета надежности кластера, базирующееся на предыдущих исследованиях авторов. Обоснована структурная схема надежности (ССН) кластера, состоящая из двух частей – ядра кластера и совокупности вычислительных средств (узлов) (СВС). В ядро кластера и в СВС входят составные части (СЧ), отказы которых приводят к снижению производительности кластера, причем в ядро входят СЧ, отказы которых приводят к снижению производительности кластера до нуля. Обоснован выбор основных показателей надежности ядра кластера и СВС, приведены формулы расчета этих показателей. Проведен анализ последствий отказов комплектующих кластер СЧ. С учетом этого анализа определена ССН ядра кластера, позволяющая определить формулу расчета показателей надежности ядра кластера. Предложена математическая модель надежности (граф состояний) СВС кластера и формулы для вычисления средней наработки на отказ и на сбой СВС кластера. Определена надежность СЧ кластера, для которых отсутствуют достоверные сведения по их надежности, на основании ССН этих СЧ. Проведена оценка надежности кластера в целом, основанная на вычислении показателей по справочным данным о надежности компонентов и комплектующих элементов, а также по данным эксплуатации суперкомпьютеров семейства «СКИФ». С учетом этой оценки и полученных расчетных соотношений рассчитаны показатели надежности кластера для двух вариантов (при наличии и отсутствии резерва вычислительных узлов). Высокие значения показателей надежности кластера были достигнуты благодаря принятым в процессе его разработки архитектурным и структурным решениям, направленным на повышение его живучести. Полученный расчет показателей надежности разработанного кластера позволит определить наиболее эффективные стратегии его эксплуатации, а также подходы к проектированию и применению кластерных суперкомпьютерных конфигураций
Упрочнение композиционных материалов на основе металлической матрицы и углеродных нанотрубок
Get PDFCarbon nanotube (CNT)-reinforced powder nanocomposites based on copper matrix were successfully fabricated using a spark plasma sintering method. In this work, the mechanisms of hardening the metal matrix with nanosized filler particles were shown. A comparative analysis of the calculated and experimental values of the ultimate compressive strength for samples based on the copper matrix and carbon nanotubes was performed. Linear and root-mean-square models of hardening of composite materials with nano-sized filler were presented. The root-mean-square model allowed us to calculate reliably the values of the ultimate compressive strength at a concentration of CNT in the material up to 0.07 wt.%. The ultimate compressive strength decreases sharply when the content of CNTs in the material is more than 0.07 wt.%. The Orovan mechanism is the predominant mechanism of strengthening of composite materials: copper – CNT. The predominance of Orovan mechanism over other strengthening mechanisms is explained by the relatively low transfer efficiency of the load between the initial components of the material due to the weak interfacial connection between the matrix and the filler, the insufficiently uniform distribution of CNTs in the metal matrix, the agglomeration of nanosized filler, the location of a certain number of CNTs in the pore space of the metal matrix, the presence of pores of irregular shape. The results of the work were used in the development of new antifriction composite materials with improved strength properties for friction units of machines and mechanisms for various purposes.Рассмотрены механизмы упрочнения металлической матрицы частицами наноразмерного наполнителя. Выполнен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений предела прочности для образцов на основе медной матрицы и углеродных нанотрубок (УНТ). Представлены линейная и среднеквадратическая модели упрочнения композиционных материалов с наноразмерным наполнителем. Показано, что применение среднеквадратической модели обеспечивает получение значений предела прочности близких к экспериментальным при концентрации УНТ в материале до 0,07 мас.%. Установлено, что по критерию прочности оптимальным содержанием УНТ в материале является 0,07 мас.%. С увеличением содержания УНТ в материале свыше 0,07 мас.% значения предела прочности, определенные экспериментальным путем, резко снижаются, что связано с разупрочнением металлической матрицы. Расчетным путем продемонстрировано, что механизм образования петель Орована является преобладающим механизмом упрочнения композиционных материалов медь – УНТ. Преобладание механизма упрочения за счет образования петель Орована над другими механизмами упрочнения объясняется относительно низкой эффективностью передачи нагрузки между исходными компонентами материала из-за слабой межфазной связи между матрицей и наполнителем, недостаточно равномерным распределением УНТ в металлической матрице, агломерацией наноразмерного наполнителя, расположением некоторого количества УНТ в поровом пространстве металлической матрицы, наличием пор неправильной формы. Результаты исследований использованы при разработке новых антифрикционных композиционных материалов с улучшенными прочностными свойствами для узлов трения машин и механизмов различного назначения
Влияние режимов реакционного спекания на структуру и свойства карбидной керамики
Get PDFExperimental studies of the structure, phase composition, physical and mechanical properties of the reaction-sintered ceramics based on silicon carbide and boron obtained by reaction sintering have been performed. It has been shown that the properties of the reaction-sintered ceramics based on carbides are largely determined by the quality of impregnation of the porous carbide frame with silicon, which depends on the total and open porosity, shape and size of the pores of the compact, the composition of the charge from the carbide powder. High-temperature sintering, followed by impregnation of the carbide frame with silicon and its interaction with the carbon constituent of the frame, largely determines the properties of the material. The main task in the implementation of this process is to create conditions that ensure the full filling of pores in the initial compact during impregnation with silicon melt and, secondly, maximum activation of chemical interaction between the melt of silicon, carbon and other components that compose the charge. A complex of studies on the effect of compacting pressure and annealing temperature of the charge based on silicon carbide and boron powders with the addition of graphite on the pore structure of the compact and the quality of its impregnation with a silicon melt has been carried out in this work. It has been shown that the density, bending strength, hardness of ceramics based on silicon carbide and boron carbide obtained by reaction sintering are increased with a rise in compacting pressure of carbide frames. The optimum porosity of the carbide frame is 25–30 %; the pore size is 1.0–1.5 μm. It has been also demonstrated that ceramics based on boron carbide and boron carbide with 50 % silicon carbide impregnated with silicon at high-temperature sintering has higher strength and hardness values than those based on silicon carbide due to higher adhesion strength at the interface of boron carbide particles and binder, caused by the dissolution of boron carbide in the silicon melt and the formation of complex carbide particles on the surface.Проведены экспериментальные исследования структуры, фазового состава и физико-механических свойств реакционно-спеченной керамики на основе карбида кремния и бора, полученной реакционным спеканием. Показано, что свойства реакционно-спеченной керамики на основе карбидов во многом определяются качеством пропитки пористого карбидного каркаса кремнием, которая, в свою очередь, зависит от общей и открытой пористости, формы и размера пор прессовки, состава шихты из порошка карбида. Высокотемпературное спекание, сопровождающееся пропиткой карбидного каркаса кремнием и взаимодействием его с углеродной составляющей каркаса, во многом определяет свойства материала. Главной задачей в реализации этого процесса является создание условий, обеспечивающих полное заполнение пор в исходной прессовке в процессе пропитки расплавом кремния и максимальной активации процесса химического взаимодействия между расплавом кремния, углеродом и другими компонентами, входящими в состав шихты. Проведен комплекс исследований по изучению влияния давления прессования и температуры отжига шихты на основе порошков карбида кремния и бора с добавкой графита на поровую структуру прессовки и качество ее пропитки расплавом кремния. Показано, что плотность, прочность при изгибе, твердость керамики на основе карбида кремния и карбида бора, получаемой реакционным спеканием, повышаются с ростом давления прессования карбидных каркасов. Оптимальной пористостью карбидного каркаса является 25–30 %, размер пор – 1,0–1,5 мкм. Показано, что керамика на основе карбида бора и карбида бора с 50 % карбида кремния, пропитанная кремнием при высокотемпературном спекании, обладает более высокими значениями прочности и твердости, чем на основе карбида кремния, благодаря более высокой адгезионной прочности на границе раздела частиц карбида бора и связки, которая вызвана растворением карбида бора в расплаве кремния и образованием на поверхности частиц сложного карбида
Получение износостойких материалов методом СВС-литья с применением центробежных сил
Get PDFThe paper is devoted to the problem of producing hard, wear-resistant materials by SHS-casting using centrifugal forces. We have developed a device for centrifugal SHS casting and initial compositions of the reactive iron-base charge. A technology for producing coatings, materials and final products with a non-uniform distribution of strengthening particles over the specimen volume has been developed and tested in industrial conditions. The microstructure and phase composition of the synthesized material with a non-uniform distribution of reinforcing particles is studied. The synthesized material implements the Charpy principle: dispersed hard carbide particles are distributed in a relatively soft matrix, which ensures high wear resistance. By means of SHS casting, billets were obtained for producing a measurement instrument, namely a plug-type gauge, which successfully passed industrial tests at OJSC “VIZAS”. The tests shown that the hardness of all synthesized samples was in the range from 63 to 68 HRC and the number of measurements per 1 micron of wear on a diameter of15 mm was 2500 to 2700. Hence, the developed method made it possible to significantly increase the service life of the measuring tool: by a factor of 1.5 to 2.Работа посвящена проблеме получения твердых износостойких материалов методом СВС-литья с применением центробежных сил. Разработано устройство для центробежного СВС-литья и составы исходной реакционной шихты на основе железа. Создана и реализована на практике технология получения покрытий, материалов и конечных изделий с неоднородным распределением упрочняющих частиц по объему образца. Исследована микроструктура и фазовый состав синтезированного материала с неоднородным распределением упрочняющих частиц. В синтезированном материале реализован принцип Шарпи: в относительно мягкой основе распределены твердые дисперсные частицы карбидов, что обеспечивает высокую износостойкость. Методом СВС-литья были изготовлены заготовки для измерительных калибров типа «пробка», которые успешно прошли производственные испытания на ОАО «ВИЗАС». Испытания показали, что твердость всех синтезированных образцов находится в интервале 63–68 HRC; количество измерений на 1 мкм износа на диаметре 15 мм составляет 2500–2700. Таким образом, использование разработанного метода позволило существенно (в 1,5–2 раза) повысить срок службы измерительного инструмента
Введение наноразмерных добавок при модифицировании энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала
Get PDFThe article describes a possible way of introducing nanoscale powders into energy-saturated heterogeneous composite materials (ECM). By the example of polydispersed nanoscale carbon, the main well-known methods for introducing nanoscale components into dispersed and high-viscosity colloidal systems have been studied, their effectiveness has been evaluated, and limitations have been revealed. The main influencing factors on the uniform distribution of nanoscale components in the volume of the composite material and the ways of leveling their influence have beenfound. A technological scheme has been proposed for increasing the distribution uniformity of nanoscale components due to their preliminary deposition on the surface of the material prevailing in quantity of dispersed component while limiting the growth of its specific surface as a method of further reduction of the viscosity of the energy-saturated heterogeneous composite material at the stage of mixing its liquid and solid phases.The rate of change of the form factor, specific surface and distribution of the nanoscale diamond-containing additive over the particle surface of ammonium salt of perchloric acid has been studied depending on the modes of mixing the components in a gravity mixer. Acceptable technological mixing modes have been found.The main tasks of further study of phenomena arising at the phase boundary when introducing nanoscale additives into the dispersed medium of ECM have been determined.Рассмотрен возможный способ введения наноразмерных порошков в энергонасыщенные гетерогенные композиционные материалы (ЭГКМ). На примере полидисперсного наноразмерного углерода изучены основные способы введения наноразмерных компонентов в дисперсные и высоковязкие коллоидные системы, проведена оценка их эффективности, выявлены ограничения. Установлены основные факторы, влияющие на равномерность распределения наноразмерных компонентов в объеме композиционного материала, и пути нивелирования их влияния. Предложена технологическая схема повышения равномерности распределения наноразмерных компонентов за счет их предварительного осаждения на поверхность превалирующей по количеству дисперсной составляющей материала при одновременном ограничении роста ее удельной поверхности. Данный процесс может использоваться в качестве способа последующего снижения вязкости энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала на стадии смешивания его жидкой и твердой фаз.Исследованы степень изменения фактора формы, удельной поверхности и распределения наноразмерной алмазосодержащей добавки по поверхности частиц аммониевой соли хлорной кислоты в зависимости от режимов смешивания компонентов в гравитационном смесителе. Установлены приемлемые технологические режимы смешивания.Определены основные задачи дальнейшего исследования явлений, возникающих на границе фаз при введении в дисперсную среду изготавливаемого ЭГКМ наноразмерных добавок
Особенности выбора траектории и этапов полета беспилотного летательного аппарата на солнечной энергии в условиях неспокойной атмосферы
Get PDFWhen forming the design parameters of an unmanned aerial vehicle (UAV) on solar energy, it is important to consider the peculiarities of energy supply not only when performing horizontal flight, but also at other stages (take-off, landing, maneuver, etc.), which ultimately form a common flight trajectory the implementation of which ensures the implementation of the specific task assigned to the UAV. However, the flight should be considered taking into account the actual operating conditions, including atmospheric factors. Determining the features of planning the trajectories and stages of flight of a UAV on solar energy during the implementation of a long flight, considering energy, design constraints and actual operating conditions, is the goal of this work. The possible trajectories of flight of UAVs on solar cells are determined in accordance with the typical tasks of its practical application. A discrete model is proposed for planning a trajectory of a route for a UAV on solar cells. The principles of the implementation of the stages of takeoff and landing of UAVs on solar energy are described, the dependencies between the energy consumption and the main parameters of each stage are determined. The dependences are obtained for determining the main components of the energy balance of UAVs on solar energy on the parameters of curvilinear flight. Verification of the obtained dependences was carried out by comparing the calculated and experimental (flight) data for a particular UAV on solar energy, which is of the mini class by mass. The convergence of the results of calculation and experiment is in the range of 15–20 %. The factors acting on an aircraft in a restless atmosphere, their effect on operational and design constraints are established. A generalized analytical model was obtained to determine the conditions for the implementation of a long flight (4–6 hours) of a solar-powered UAV, considering: mass, aerodynamic, energy characteristics; trajectory, atmospheric and operational conditions. The results of the study can be used at forming the shape of a UAV on solar energy at the stage of its preliminary design. При формировании проектных параметров беспилотного летательного аппарата (БпЛА) на солнечной энергии важно учитывать особенности энергообеспечения не только при выполнении горизонтального полета, но и на остальных этапах (взлет, посадка, маневр и т. д.), которые в итоге формируют общую траекторию полета, реализация которой обеспечивает выполнение поставленной перед БпЛА конкретной задачи. Вместе с тем следует рассматривать полет с учетом реальных условий эксплуатации, включающих атмосферные факторы. Определение особенностей планирования траекторий и этапов полета БпЛА на солнечной энергии при реализации продолжительного полета с учетом энергетики, конструктивных ограничений и реальных условий эксплуатации является целью данной работы. Определены возможные траектории полета БпЛА на солнечных элементах в соответствии с типовыми задачами его практического применения. Предложена дискретная модель планирования траектории маршрута для БпЛА на солнечных элементах. Описаны принципы реализации этапов взлета и посадки БпЛА на солнечной энергии, определены зависимости между энергозатратами и основными параметрами каждого из этапов. Получены зависимости для определения основных составляющих энергетического баланса БпЛА на солнечной энергии от параметров криволинейного полета. Проведена верификация полученных зависимостей путем сравнения расчетных и экспериментальных (летных) данных для конкретного БпЛА на солнечной энергии, по массе относящемуся к классу мини. Сходимость результатов расчета и эксперимента находится в пределах 15–20 %. Установлены факторы, действующие на летательный аппарат в неспокойной атмосфере, их влияние на эксплуатационные и конструктивные ограничения. Получена обобщенная аналитическая модель для определения условий реализации продолжительного полета (4–6 ч) БпЛА на солнечной энергии, учитывающие: массовые, аэродинамические, энергетические характеристики; траекторные, атмосферные и эксплуатационные условия. Результаты исследования могут быть использованы при формировании облика БпЛА на солнечной энергии на этапе его эскизного проектирования.
Экранированный планарный диэлектрический резонатор с модами шепчущей галереи
Get PDFThe spectral and energy characteristics of two planar dielectric resonators (DRs), open and shielded from the curvilinear surface, excited in higher-order modes as whispering gallery modes (WGMs) in Ka-waveband are investigated. These resonators are formed by a thin (compared to the operating wavelength) disk dielectric structure, located between two conducting planes. Thus, the E-field of the resonator was limited along the height of the planar disk by two conducting surfaces. The resonance properties of such a structure are determined by the condition of total internal reflection of waves from the internal curvilinear surface of a dielectric disk. The carried out investigations shown that the unloaded Q-factor is increased at the arrangement of planar dielectric disk inside the ring metal shield at the certain ratio of the radiuses of the shield and dielectric disk. The Q-factor of the shielded resonant structure at the high-frequency edge increases to 40 %. The partial displacement of the resonant field of the WGMs modes from the dielectric to the air gap is the cause of this effect. It leads to decrease in losses in the dielectric material. A computer simulation of the WGMs fields in the planar DR was carried out using the CST Microwave Studio 2013 software to confirm this effect. In addition, computer simulation results shown that these WGMs in the planar DR are characterized by a homogeneous distribution of the resonant field along the axial coordinate. The perspectives of using planar DR in solid-state Ka-band oscillators are shown.Исследованы спектральные и энергетические характеристики открытого и экранированного со стороны криволинейной поверхности планарных диэлектрических резонаторов (ДР), возбуждаемых на модах высших порядков типа шепчущей галереи (ШГ) в 8-миллиметровом диапазоне длин волн. Данные резонаторы образованы тонкой по сравнению с рабочей длиной волны дисковой диэлектрической структурой, расположенной своими плоскими основаниями между двумя проводящими зеркалами. Таким образом, электрическая компонента резонансного поля ограничивалось по высоте планарного диска двумя проводящими поверхностями. Резонансные свойства такой структуры определялись условием полного внутреннего отражения волн от внутренней криволинейной поверхности диэлектрического диска. Проведенными исследованиями установлено, что при переходе от открытых планарных ДР к экранированным с тонким воздушным зазором в области между металлическим экраном кольцевой формы и диэлектрическим диском при определенном соотношении радиусов удается повысить их собственную добротность. Добротность экранированной резонансной структуры на высокочастотном краю возрастает до 40 %. Причиной данного эффекта является частичное смещение резонансного поля мод ШГ из области диэлектрика в воздушный зазор, что приводит к уменьшению потерь в материале диэлектрика. Для подтверждения этого эффекта было проведено компьютерное моделирование полей мод ШГ в планарном ДР с помощью программного обеспечения CST Microwave Studio 2013. Кроме того, результаты компьютерного моделирования показывают, что эти моды ШГ характеризуются однородным распределением резонансного поля вдоль аксиальной координаты. Отмечена перспективность использования планарных ДР в твердотельных генераторах миллиметрового диапазона длин волн
Моделирование процесса образования недендритной морфологии при затвердевании бинарного сплава Al–Si с перемешиванием
Get PDFThe growth of primary crystals from a supercooled binary melt is modeled on the basis of the phase-field method with an approximate consideration for melt stirring. Changes in the concentration of the solute in the melt near the solidification region due to stirring are considered as the main reason for modifying the dendritic morphology of the crystals. The stirring effect results in a partial removal of the melt with an increased solute concentration from the region near the interface, which is called washout in the work. This effect is approximately modeled as a forced periodic replacement of the current high solute concentration in this region either at the initial concentration or at the averaged concentration in the melt. In this paper, we propose a new algorithm for choosing such a correction region, which can be used for a small intensity of stirring. A value is introduced to describe the washout intensity-the washout parameter. It is shown that when washed away dendritic morphology passes into a rosette morphology, depending on the intensity of stirring. A numerical analysis of the growth of perturbations on the surface of the initial embryo of a circular crystal is carried out. The main differences in the development of such perturbations are shown, which leads to a non-dendritic morphology of the crystal. The growth of additional branches is demonstrated due to a decrease in the solute concentration near the center of the crystal. Calculations have been performed for the case of crystal growth with a decrease in washout intensity with growth time. For this case, the secondary arms grow on additional branches growing from the center of the crystal. It is shown that at a constant value of the washout intensity near the surface of a growing crystal, only two types of morphology are possible from a small round embryo, dendritic and rosette. At the same time, if the crystal already has a rosette morphology, it is retained and with its further growth with a decrease in the washout intensity.Рост первичных кристаллов из переохлажденного бинарного расплава моделируется на основе метода фазового поля с приближенным учетом перемешивания расплава. Изменения концентрации второго компонента (примеси) в расплаве вблизи области затвердевания за счет перемешивания рассматриваются как главная причина модификации дендритной морфологии кристаллов. Эффект перемешивания приводит к частичному удалению расплава с повышенной концентрацией примеси из области вблизи границы кристаллизации, называемому в работе смывом. Данный эффект приближенно моделируется как вынужденная периодическая замена текущей высокой концентрации примеси в этой области либо на начальную концентрацию, либо на усредненную в расплаве. Предложен новый алгоритм выбора такой области коррекции, который может быть использован и для малой интенсивности перемешивания. Введен параметр для описания интенсивности смыва – параметр смыва. Показано, что при смыве дендритная морфология переходит в розеточную в зависимости от интенсивности перемешивания. Проведен численный анализ роста возмущений на поверхности исходного зародыша кристалла круглой формы. Показаны основные отличия развития таких возмущений, которые приводят к недендритной морфологии кристалла. Продемонстрирован рост дополнительных ветвей за счет понижения концентрации примеси вблизи центра кристалла. Проведены расчеты для случая роста кристалла с уменьшением интенсивности смыва со временем роста. Для данного случая отмечено явление роста вторичных ветвей на дополнительных ветвях, растущих из центра кристалла. Показано, что при постоянной величине интенсивности смыва вблизи поверхности растущего кристалла при росте из малого круглого зародыша возможны только два типа морфологии – дендритная и розеточная. При этом если кристалл уже имеет розеточную морфологию, она сохраняется и при дальнейшем его росте при уменьшении интенсивности смыва
Влияние структуры стали электрошлакового переплава на свойства цементированных и азотированных поверхностей деталей машин
Get PDFThe analysis of the influence of electroslag remelting steel structure on the properties of cemented and nitrided surfaces of machine parts is carried out. It is noted that when using electroslag remelting, the greatest efficiency is achieved in the production of large-sized gearwheels, hardened by cementation and ion nitriding. It is shown that cast steel, crystallized in a water cooled crystallizer, has a strength not lower than forged or rolled with significantly lower anisotropy properties and accelerated carbon diffusion when cementation. The discovered patterns are caused by the structural and chemical homogeneity of boundary grain volumes, which formation is affected by copper impurities. Uniform density of copper in the said volumes not only reduces their propensity to localize plastic deformation, but contributes to a higher ability for uniform carburization of these steels in the process of cementation. This causes a change in the main characteristics of the cemented layers and is the basis for increasing the bearing capacity of the gearwheels. The obtained results also testify to the fact that controlling grain-boundary effects in steel material at the stage of crystallization of blanks can be a significant factor in increasing the characteristics of the hardened layer in the manufacture of nitrided gearwheels from cast blanks of the electroslag redistribution. A set of studies was carried out and results were obtained which indicate that the control of grain boundary effects in modern steel material at the stage of its crystallization may be a significant factor in improving the characteristics of the hardened layer in the manufacture of cemented and nitrated gear wheels from cast billets electroslag remelting.Осуществлен анализ влияния структуры стали электрошлакового переплава (ЭШП) на свойства цементированных и азотированных поверхностей деталей машин. Отмечено, что при использовании ЭШП достигается наибольшая эффективность упрочнения зубьев зубчатых колес как цементацией, так и ионным азотированием. Литая сталь, закристаллизовавшаяся в водоохлаждаемой металлической форме, обладает не только повышенной прочностью (по сравнению с прокатом), но и ускоренной диффузией углерода при цементации и азота при азотировании. Обнаруженные закономерности обусловлены более равномерной структурной и химической однородностью приграничных объемов зерна, в формировании которых особая роль отводится примесной меди. Равномерная концентрация меди в указанных объемах стали ЭШП не только снижает склонность материала к локализации пластической деформации при его деформировании, но и способствует более эффективному формированию упрочненного слоя при азотировании и цементации деталей. Отмеченные особенности являются основой повышения несущей способности крупногабаритных зубчатых колес, получаемых из литых заготовок электрошлакового передела. Проведен комплекс исследований и получены результаты, которые свидетельствуют о том, что управление зернограничными эффектами в стальном современном материале на стадии его кристаллизации может быть существенным фактором повышения характеристик упрочненного слоя при изготовлении цементированных и азотированных зубчатых колес из литых заготовок электрошлакового переплава