|
Реферат: Лазеры. Основы устройства и применение их в военной технике (Технология)
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ
имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
Институт государственного управления
Кафедра ,, Управление технологиями”,
РАСЧЕТНО ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
,,КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ,,
НА ТЕМУ: ЛАЗЕРЫ. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И
ПРИМЕНЕНИЕ ИХ В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ.
Выполнила студентка
Слепова И.П.
ф-та
государственного управления
группы 1 вечернего
отделения
Руководитель
Москва 1997 год.
С О Д Е Р Ж А Н И Е
стр.
1. Введение 3-
5
2. Причина удивительных свойств
лазерного луча. Когерентный свет. 6-7
а). Анатомия лазера 7-8
б). Типы лазеров: 9-10
- газоразрядные;
- эксимерные;
- элетроионизационные;
- химические.
3. Применение лазеров в военном деле 11
3.1. Лазерная локация 12-17
- характерные параметры.
3.2. Наземные лазерные дальномеры и
их применение в армиях. 18-27
4. Заключение 28-29
5. Использованная литература. 30
1. ВВЕДЕНИЕ
И вот он наступил ХХ век. Уже самое его начало было отмечено
величайшими достижениями человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании
Русского физико- химического общества Попов А.С. продемонстрировал
изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное
устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство
предложил итальянский техник и предприниматель Г.Маркони . Так родилось
радио. В конце уходящего века бал создан автомобиль с бензиновым
двигателем, который пришел на смену изобретенному еще в ХVШвеке паровому
автомобилю. Не менее потрясающим оказались достижения в физике. Только за
одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895
году немецкий физик Рентген открыл новый вид излучения , названный позднее
его именем. В 1896г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление
радиоактивности, в 1897году английский физик Дж.Дж.Томсон открыл электрон
и в следующем году измерил его заряд, 14 декабря 1900 года на заседании
немецкого физического общества Макс Планк дал вывод формулы для
испускательной способности черного тела, этот вывод опирался на совершенно
новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории - одной из основных
физических теорий ХХ века. В 1905г. молодой А.Эйнштейн - ему тогда было
всего 26 лет - опубликовал специальную теорию относительности. Все эти
открытия производили ошеломляющее впечатление и многих подвергали в
замешательство - они никак не укладывались в рамки существования физики,
требовала пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, новый век
возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за которой
осталась прежняя физика получившая отныне название ,,классическая,,.
Новые фундаментальные знания привели и к новым техническим
достижениям - началось то, что мы сегодня называем научно-технической
революцией. Развитие вакуумной, а позднее - с начала 50-х годов
-полупроводниковой электроники позволило создать весьма совершенные
системы радиосвязи, радиоуправления, радиолокации. В 1948 году был
изобретен транзистор, в начале 60-х годов на смену ему пришли интегральные
схемы - родилась микроэлектроника. Развитие атомной и ядерной физики
привело к созданию атомной электростанции (с1954г) и судов с атомными
двигателями( с 1959г). Телевидение, быстродействующие вычислительные
машины, разнообразные компьютеры, промышленные роботы - такова наша
сегодняшняя действительность.
Первый лазер был создан в 1960 году - и сразу началось бурное
развитие лазерной техники. В сравнительно короткое время появились
различные типы лазеров и лазерных устройств предназначенных для решения
конкретных научных и технических задач.
Человек никогда не хотел жить в темноте, он изобрел много
разнообразных источников света - от канувших в прошлое стеариновых свечей,
газовых рожков, и керосиновых ламп до ламп накаливания и ламп дневного
света, которые сегодня освещают наши улицы и дома. И вот появился еще один
источник света - лазер.
Этот источник света совершенно необычен. В отличие от всех других
источников , он вовсе не предназначается для освещения. Конечно при желании
лазеры могут применяться в качестве экстравагантных светильников. Однако
использовать лазерный луч в целях освещения столь же нерационально, как
отапливать комнату сжигаемыми в камине ассигнованиями. В отличие от других
источников света лазер генерирует световые лучи, способные гравировать,
сваривать резать материалы, передавать информации., осуществлять измерения.
контролировать процесса, получать особо чистые вещества, направлять
химические реакции... Так что это поистине удивительные лучи.
П. ПРИЧИНА УДИВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО
ЛУЧА .
КОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ.
Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин -
когерентность. Ученые скажут, что свет от лампы накаливания некогерентен, а
лазерное излучение когерентно - и все им понятно. Человеку же, недостаточно
просвещенному в области физики, надо очевидно, пояснить , что такое
некогерентный или когерентный свет.
В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно,
что поток света , распространяющийся от любого источника есть суммарный
результат высвечивания великого множества элементарных излучателей,
каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае
лампы накаливания каждый атом -излучатель высвечивается, никак не
согласуясь с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается
световой поток, который можно называть внутренне непорядочным, хаотическим.
Это есть некогорентный свет. В лазере же гигантское количество атомов
излучателей высвечивается согласованно- в результате возникает внутренне
упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.
Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и
тонкий световой шнур или световую нить. Нечто подобное можно увидеть в
действительности если включить гелий-неоновый лазер. Правда этот лазер
маломощный настолько, что его луч можно спокойно ,,ловить,, в руку. К тому
же луч не ,,ослепительно белый,, а сочного красного цвета. Чтобы он был
лучше виден, надо создать в лаборатории полумрак и легкую задымленность.
Луч почти не расширяется и везде имеет практически одинаковую
интенсивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и заставить его
описать. сложную изломанную траекторию в пространстве лаборатории. В
результате возникнет эффективное зрелище - комната , как бы ,
перечеркнутая,, в разных направлениях яркими красными прямыми нитями.
Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч
СО2 - лазера вообще невидим - ведь его длина волны попадает в инфракрасную
область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч - это
обязательные непрерывный поток световой энергии. В большинстве случаев
лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.
1. Анатомия лазера.
Как выглядит лазер? На что он похож? Лазеры отличаются большим
разнообразием. Существует огромное число разных типов лазеров, они
различаются не только характеристиками генерируемого ими излучения, но
также внешним видом, размерами, особенностями конструкции.
”Сердце лазера” - его активный элемент. У одних лазеров он
представляет собой кристаллический или стеклянный стержень цилиндрической
формы. У других - это отпаянная стеклянная трубка, внутри которой находится
специально подобранная газовая смесь. У третьих - кювета со специальной
жидкостью. Соответственно различают лазеры твердотельные, газовые и
жидкостные. см. табл. стр. 88.
2. Типы лазеров.
Продолжая знакомиться с лазерами, совершим экскурсию по обширному
лазерному хозяйству. Остановимся на некоторых типах лазеров .
Газоразрядные лазеры. Так называют лазеры на разряженных газовых
смесях( давление смеси 1-10мм рт.ст) которые возбуждаются самостоятельным
электрическим разрядом. Различают три группы газоразрядных лазеров:
- лазеры , в которых генерируемое излучение рождается на переходах
между энергетическими уровнями свободных ионов (применяется термин “ионные
лазеры”).
- лазеры , генерирующие на переходах между уровнями свободных атомов.
- лазеры, генерирующие на переходах между уровнями молекул (так
называемые молекулярные лазеры)
Из огромного числа газоразрядных лазеров выделим три: гелий-неоновый(
как пример лазера, генерирующего на переходах в атомах), аргоновый (ионовый
лазер) и СО2- лазер (молекулярный лазер). (см.таблицы 113-115)
Гелий -неоновой лазер имеет три основных рабочих перехода , на длинах
волн 3,39 и1,15 и 0,63 мкм.
В аргоновом лазере генерация происходит на переходах между уровнями
однократного иона аргона (Ar+) основными являются переходах на длинах волн
0,488(голубой цвет) и 0,515 мкм (зеленый цвет).
Генерация в СО2 -лазере происходит на переходах между колебательными
уровнями молекулы углекислого газа (СО2) основными являются переходы на
длинах волн 9,6 и 10,6 мкм. Основными составляющими газовой смеси являются
углекислый газ и молекулярный азот.
Эксимерные лазеры . Так называют газовые лазеры генерирующие на
переходах между электронными состояниями эксимерный (разлетных) молекул. К
таким молекулам относятся, например молекулы Ar2, Kr2, Xe2 , ArF, KrCl,
XeBr и др. Эти молекулы содержат атомы инертных газов.
Заметим, что в эксимерных лазерах реализованы наиболее низкие значения
генерируемых длин волн. Так. в лазере на молекулах Хе2 наблюдалась
генерация на длине волн 0,172 мкм , в лазере на молекулах Kr2 0,147 мкм, в
лазере на Ar2 0,126 мкм.
Электроионизационные лазеры. В качестве ионизирующего излучения
используют ультрафиолетовое излучение, электронный пучок из ускорителя,
пучки заряженных частиц, являющихся продуктами ядерных реакций.
Химические лазеры. Реакции идущие с высвобождением энергии,
называют экзоэнергетичсекими. Они-то и представляют интерес для химических
лазеров. В этих лазерах, высвобождающаяся при химических реакциях, идет на
возбуждение активных центров и в конечном счете преобразуется в энергию
когерентного света.
Приведем пример реакций замещения , которые используются в химических
лазерах:
F + H2 -> HF* + H , F + D2 ->DF* + D, H + Cl2 -> Hcl* + Cl,
Cl + HJ - > HCl* + J.
Звездочка указывает на то, что молекула образуется в возбужденном
колебательном состоянии.
Существует еще ряд признаков классификации лазеров, но отнесем их
рассмотрение к специальной литературе.
Ш. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В ВОЕННОМ ДЕЛЕ.
К настоящему времени сложилась основные направления по которым идет
внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются:
1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные ситным ПРО и ПКО , создаваемые в рамках стратегической
оборонной инициативы - СОИ.
Сейчас, получены такие параметры излучения лазеров, которые способны
существенно повысить тактико-технические данные различных образцов военной
аппаратуры (стабильность частоты порядка 10 в -14, пиковая мощность 10 в
-12 Вт, мощность непрерывного излучения 10 в 4 Вт, угловой раствор луча 10
в -6 рад, t=10 в -12 с, ... =0,2...20 мкм .
3.1 ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ.
Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники, занимающегося
обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи
электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемого лазерами.
Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники,
промышленные и военные сооружения. Принципиально лазерная локация
осуществляется активным методом. Нам уже известно, что лазерное излучение
отличается от температурного тем, что оно является узконаправленным,
монохраматичным, имеет большую импульсивную мощность и высокую спектральную
яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентноспособной в
сравнении с радиолокаций, особенно при ее использовании в космосе ( где
нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой ( где лоя ряда волн
оптического диапазона существуют окна прозрачности).
В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три
основных свойства электромагнитных волн:
1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон на котором она
расположена, по разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное
излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от
леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры
которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из
основной закономерности отражения , по которой следует, что чем короче
длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае
излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени.
Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная
способность, чем радиолокатору - чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-
то проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных
волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона,
излучающих сверх короткие радиоволны, становилось все более трудным делом,
а затем и зашло в тупик.
Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.
2. Способность распространяться прямолинейно. Использование
узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотр
пространства, позволяет определить направление на объект ( пеленг цели).
Это направление находят по расположению оси оптической системы,
формирующей лазерное излучение ( в радиолокации - по направлению антенны).
Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг.
Определим коэффициент направленного действия и диаметр антенны по следующей
простой формуле,
G = 4п * S
/ 2
где G - коэффициент направленного действия , S - площадь антенны, м2,
/ - длина волны излучения мкм.
Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности
около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь
антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк , а тем
более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно
использовать более короткие волны.
Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием
твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего 1,0 - 1,5
градуса и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем
(антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно
меньше, чем аналогического радиолокатора. Использование же незначительных
по габарита м оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких
угловых минут, если в этом возникнет необходимость.
3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной
скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так. при
импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:
L = ct и
2
где L - расстояние до объекта, км, С - скорость распространения
излучения км/с, t и -время прохождения импульса до цели и обратно, с.
Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность
измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения
импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче
импульс, тем лучше ( при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят
радисты). Но нам уже известно , что самой физикой лазерного излучения
заложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 - 10-8 с .
А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.
Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его
паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них,см.рис.
Прежде всего з о н а д е й с т в и я . Под ней понимают область
пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены
максимальной и минимальной дальности действия и пределами обзора по углу
места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного
локатора.
Другим параметром локатора является в р е м я о б з о р а.
Под ним понимается время, в течение которого лазерный луч приводит
однократный обзор заданного объема пространства.
Следующим параметром локатора являются о п р е д е л я е м ы е к о
о р д и н а т ы . они зависят от назначения локатора. Если он предназначен
для определения местонахождения наземных и надводных объектов, то
достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за
воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует
определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и
случайных ошибок. Их рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако
будем пользоваться таким понятием , как р а з р е ш а ю щ а я с п о
с о б н о с т ь . Под разрешающей способностью понимается возможность
раздельного определения координат близко расположенных целей. Каждой
координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того,
используется такая характеристика, как п о м е х о з а щ ищ е н н о с т ь
. Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных
(Солнце, Луна) и искусственных помех.
И весьма важной характеристикой локатора является н а д е ж н н о с
т ь. Это свойство локатора сохранять свои характеристики и
установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.
Схема лазерного локатора , предназначенного для измерения четырех
основных параметров объекта ( дальности, азимута, угла места и скорости)
см. рис. на стр. 17. Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит
из трех блоков : передающего, приемного и индикаторного. Основное
назначение передающего лока-тора - генерирование лазерного излучения,
формирование его в пространстве, во времени и направлении в район
объекта. Передающий блок состоит из лазера с источником возбуждения,
модулятора добротности, сканирующего устройства, обеспечивающего посылку
энергии в заданной зоне по заданному закону сканирования, а также
передающей оптической системы.
Основное назначение приемного блока - прием излучения отраженного
объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для
выделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической
системы, интерференционного фильтра , приемника излучения , а также блоков
измерения дальности, скорости и угловых координат.
Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме информации о
параметрах цели.
В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают:
дальномеры, измерители скорости (допплеровские локаторы), собственно
локаторы(дальность, азимут, и угол места).
CХЕМА ЛАЗЕРНОГО ЛОКАТОРА
| | Лазер |Модулятор |Оптическая система |Сканирующее |
|о- модулятор | | | |устройство |
| | | | | |
| | | |
| |Источник возбуждения|П Е Р Е Д А Ю Щ И Й Б Л О К |
|приемник | |оптический | |приемная | | |ИНДИКАТОРНЫЙ БЛОК |
|излучения | |фильтр | |оптическая | | | |
| | | | |система | | | |
| | | |ПРИЕМНЫЙ БЛОК | |
| | | | | |
|блок | |блок | |блок измерения | | | |
|измерения | |измерения | |угловых координат | | | |
|дальности | |скорости | | | | |Угол места |
| | | A |В | |Азимут |
| | | | | | |
| | | | | |Скорость |
| |Блок питания | | | |Дальность |
3.2. НАЗЕМНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ.
Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического
применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к
1961 году, а сейчас лазерные дальномеры используются и в наземной военной
технике(артиллерийские, таковые), и в авиации (дальномеры, высотомеры,
целеуказатели), и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во
Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят на
вооружение во многих армиях мира.
Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к
измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и
сигналом, отражения от цели. Различают три метода измерения дальности в
зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения
используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазово-импульсный.
Внешний вид импульсного дальномера показан на рисунке.
Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к
объекту посылается зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик
в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то
он останавливает работу счетчика. По временному интервалу автоматически
высвечивается перед оператором расстояние до объекта. Используя ранее
рассмотренную формулу , оценим точность такого метода дальнометрирования,
если известно, что точность измерения интервала времени между зондирующим и
отраженным сигналами соответствует 10 в -9 с. Поскольку можно считать ,
что скорость света равна 3*10в10 см/с, получим погрешность в изменении
расстояния около 30 см. Специалисты считают, что для решения ряда
практических задач этого вполне достаточно.
При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется
по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в
значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется
фаза сигнала, упавшего на объект. Отраженный от объекта сигнал прийдет на
приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния.
Это хорошо показано в разделе геодезических дальномеров. Оценим погрешность
фазового дальномера, пригодного работать в полевых условиях. Специалисты
утверждают, что оператору (не очень квалифицированному солдату) не сложно
определить фазу с ошибкой не более одного градуса. Если же частота
модуляции лазерного излучения составляет 10 Мгц, то тогда погрешность
измерения расстояния составит около 5 см.
Первый лазерный дальномер ХМ-23 прошел испытания , и был принят на
вооружение армий. Он рассчитан на использование в передовых наблюдательных
пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем является лазер на
рубине с выходной мощностью 2.5 Вт и длительностью импульса 30нс. В
конструкции дальномера широко используются интегральные схемы. Излучатель,
приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет
шкалы точного отчета азимута и угла места цели. Питание дальномера
производится то батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением 24в,
обеспечивающей 100 измерений дальности без подзарядки. В другом
артиллерийской дальномере, также принятом на вооружение армий, имеется
устройство для одновременного определения дальности до четырех целей.,
лежащих на одной прямой, путем последовательного стробирования дистанций
200,600,1000, 2000 и 3000м.
Интересен шведский лазерный дальномер. Он предназначен для
использования в системах управления огнем бортовой корабельной и береговой
артиллерии. Конструкция дальномера отличается особой прочностью, что
позволяет применять его в сложенных условиях. Дальномер можно сопрягать при
необходимости с усилителем изображения или телевизионным визиром. Режим
работы дальномера предусматривает либо измерения через каждые 2с. в течение
20с. и с паузой между серией измерений в течение 20с. либо через каждые 4с.
в течение длительного времени. Цифровые индикаторы дальности работают
таким образом, что когда один из индикаторов выдает последнюю измеренную
дальность, и в памяти другого хранятся четыре предыдущие измерения
дистанции.
Весьма удачным лазерным дальномерам является LP-4. Он имеет в качестве
модулятора добротности оптико-механический затвор. Приемная часть
дальномера является одновременно визиром оператора. Диаметр входной
оптической системы составляет 70мм. Приемником служит портативный фотодиод,
чувствительность которого имеет максимальное значение на волне 1,06 мкм.
Счетчик снабжен схемой стробирования по дальности, действующей по установке
оператора от 200 до 3000м. В схеме оптического визира перед окуляром
помещен защитный фильтр для предохранения глаза оператора от воздействия
своего лазера при приеме отраженного импульса. Излучатель в приемник
смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется в пределах + 25
градусов. Аккумулятор обеспечивает 150 измерений дальности без подзарядки ,
его масса всего 1 кг. Дальномер прошел испытания и был закуплен в ряде
стран таких как - Канада, Швеция, Дания , Италия, Австралия. Кроме того,
министерство обороны Великобритании заключило контракт на поставку
английской армии модифицированного дальномера LP-4 массой в 4.4.кг.
Портативные лазерные дальномеры разработаны для пехотных
подразделений и передовых артиллерийской наблюдателей. Один из таких
дальномеров выполнен в виде бинокля. Источник излучения и приемник
смонтированы в общем корпусе, с монокулярным оптическим визиром
шестикратного увеличения, в поле зрения которого имеется световое табло из
светодиодов, хорошо различимых как ночью, так и днем. В лазере в качестве
источника излучения используется аллюминиево-иттриевый гранат, с
модулятором добротности на ниобате лития. Это обеспечивает пиковую мощность
в 1,5 Мвт. В приемной части используется сдвоенный лавинный фотодетектор с
широкополосным малошумящим усилителем , что позволяет детектировать
короткие импульсы с малой мощностью, составляющей всего 10 в -9 Вт. Ложные
сигналы , отраженные от близлежащих предметов, находящихся в стволе с
целью, исключается с помощью схемы стробирования по дальности. Источником
питания является малогабаритная аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250
измерений без подзарядки. Электронные блоки дальномера выполнены на
интегральных и гибридных схемах, что позволило довести массу дальномера
вместе с источником питания до 2 кг.
Установка лазерных дальномеров на танки сразу заинтересовала
зарубежных разработчиков военного вооружения. Это объясняется тем, что на
танке можно ввести дальномер в систему управления огнем танка, чем повысить
его боевые качества. Для этого был разработан дальномер AN/VVS-1 для танка
М60А. Он не отличался по схеме от лазерного артиллерийского дальномера на
рубине, однако помимо выдачи данных о дальности на цифровое табло в счетно-
решающее устройство системы управления огнем танка. При этом измерение
дальности может производится как наводчиком пушки так и командиром танка.
Режим работы дальномера - 15 измерений в минуту в течение одного часа.
Зарубежная печать сообщает, что более совершенный дальномер, разработанный
позднее , имеет пределы измерения дальности от 200 до 4700м. с точностью +
10 м, и счетно-решающее устройство, связанное с системой управления огнем
танка, где совместно с другими данными обрабатывается еще 9 видов данных о
боеприпасах. Это, по мнению разработчиков, дает возможность поражать цель с
первого выстрела. Система управления огнем танковой пушки имеет в качестве
дальномера аналог, рассмотренный ранее, но в нее входят еще семь
чувственных датчиков и оптический прицел. Название установки “Кобельда”. В
печати сообщается что она обеспечивает высокую вероятность поражения цели и
несмотря на сложность этой установки переключатель механизма баллистики в
положение, соответствующее выбранному типу выстрела, а затем нажать кнопку
лазерного дальномера. При ведении огня по подвижной цели наводчик
дополнительно опускает блокировочный переключатель управления огнем для
того, чтобы сигнал от датчика скорости поворота башни при слежении за целью
поступал за тахометром в вычислительное устройство, помогая вырабатывать
сигнал учреждения. Лазерный дальномер, входящий в систему “Кобельда”,
позволяет измерять дальность одновременно до двух целей, расположенных в
створе. Система отличается быстродействием, что позволяет произвести
выстрел в кратчайшее время.
На рисунке приведены зависимости , показывающие , как
изменяется вероятности поражения неподвижной цели в случае использования
обычного прицела, стеродальномера с простейшим счетным прибором, системы с
лазерным дальномером. Анализ графиков показывает, что использование системы
с лазерным дальномером и ЭВМ обеспечивает вероятность поражения цели
близкую к расчетной. Графики также показывают, насколько повышается
вероятность поражения движущейся цели.
|1,0| | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | | |
|0,8| | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | | |
|0,6| | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | | |
|0,4| | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | | |
|0,2| | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | | |
1000 2000
3000
Если для неподвижных целей вероятность поражения при использовании
лазерной системы по сравнению с вероятностью поражения при использовании
системы со стереодальномером не составляет большой разницы на дистанции
около 1000м, и ощущается лишь на дальности 1500м, и более, то для
движущихся целей выигрыш явный. Видно, что вероятность поражения движущейся
цели при использовании лазерной системы по сравнению с вероятностью
поражения при использовании системы со стереодальномером уже на дистанции
100м, повышается более чем в 3,5 раза , а на дальности 2000м., где
система со стереодальномером становиться практически неэффективной,
лазерная система обеспечивает вероятность поражения с первого выстрела
около 0,3.
В армиях, помимо артиллерии и танков , лазерные дальномеры
используются в системах, где требуется в короткий промежуток времени
определить дальность с высокой точностью. Так, в печати сообщалось в
разработана автоматическая система сопровождения воздушных целей и
измерения дальности до них. Система позволяет производить точное измерение
азимута, угла места и дальности. Данные могут быть записаны на магнитную
ленту и обработаны на ЭВМ. Система имеет небольшие размеры и массу и
размещается на подвижном фургоне. В систему входит лазер, работающий в
инфракрасном диапазоне. Приемное устройство с инфракрасной телевизионной
камерой, телевизионное контрольное устройство, следящее зеркало с
сервопроводом, цифровой индикатор и записывающее устройство. Лазерное
устройство на неодимовом стекле работает в режиме модулированной
добротности и излучает энергию на волне 1,06 мкм. Мощность излучения
составляет 1 Мвт в импульсе при длительности 25нс и частоте следования
импульсов 100 Гц. Расходимость лазерного луча 10 мрад. В каналах
сопровождения используются различные типы фотодетекторов. В приемном
устройстве используется кремниевый светодиод. В канале сопровождения -
решетка, состоящая из четырех фотодиодов, с помощью которых вырабатывается
сигнал рассогласования при смещении цели в сторону от оси визирования по
азимуту и углу места. Сигнал с каждого приемника поступает на
видеоусилитель с логарифмической характеристикой и динамическим диапазоном
60 дБ. Минимальной пороговый сигнал при котором система следит за целью
составляет 5*10в-8Вт. Зеркало слежения за целью приводится в движение по
азимуту и углу места сервомоторами. Система слежения позволяет определять
местоположение воздушных целей на удалении до 19 км. при этом точность
сопровождения целей, определяемая экспериментально составляет 0,1 мрад. по
азимуту и 0,2 мрад по углу места цели. Точность измерения дальности + 15
см.
Лазерные дальномеры на рубине и неодимовом стекле обеспечивают
измерение расстояния до неподвижной или медленно перемещающихся объектов,
поскольку частота следования импульсов небольшая. Не более одного герца.
Если нужно измерять небольшие расстояния, но с большей частотой циклов
измерений, то используют фазовые дальномеры с излучателем на
полупроводниковых лазерах. В них в качестве источника применяется, как
правило , арсенид галлия. Вот характеристика одного из дальномеров :
выходная мощность 6,5 Вт в импульсе, длительность которого равна 0,2 мкс, а
частота следования импульсов 20 кГц. Расходимость луча лазера составляет
350*160 мрад т.е. напоминает лепесток. При необходимости угловая
расходимость луча может быть уменьшена до 2 мрад. Приемное устройство
состоит из оптической системы, а фокальной плоскости которой расположена
диафрагма, ограничивающая поле зрения приемника в нужном размере.
Коллимация выполняется короткофокусной линзой, расположенной за диафрагмой.
Рабочая длина волны составляет 0,902 мкм, а дальность действия от 0 до
400м. В печати сообщается , что эти характеристики значительно улучшены
в более поздних разработках. Так, например уже разработан лазерный
дальномер с дальностью действия 1500м. и точностью измерения расстояния +
30м. Этот дальномер имеет частоту следования 12,5 кГц при длительности
импульсов 1 мкс. Другой дальномер , разработанный в США имеет диапазон
измерения дальности от 30 до 6400м. Мощность в импульсе 100Вт, а частота
следования импульсов составляет 1000 Гц.
Поскольку применяется несколько типов дальномеров, то наметилась
тенденция унификации лазерных систем в виде отдельных модулей. Это
упрощает их сборку, а также замену отдельных модулей в процессе
эксплуатации. По оценкам специалистов, модульная конструкция лазерного
дальномера обеспечивает максимум надежности и ремонтопригодности в полевых
условиях.
Модуль излучателя состоит из стержня, лампы-накачки, осветителя,
высоковольтного трансформатора, зеркал резонатора. модулятора добротности.
В качестве источника излучения используется обычно неодимовое стекло или
аллюминиево-натриевый гранат, что обеспечивает работу дальномера без
системы охлаждения. Все эти элементы головки размещены в жестком
цилиндрическом корпусе. Точная механическая обработка посадочных мест на
обоих концах цилиндрического корпуса головки позволяет производить их
быструю замену и установку без дополнительной регулировки, а это
обеспечивает простоту технического обслуживания и ремонта. Для
первоначальной юстировки оптической системы используется опорное зеркало,
укрепленное на тщательно обработанной поверхности головки, перпендикулярно
оси цилиндрического корпуса. Осветитель диффузионного типа представляет
собой два входящих один в другой цилиндра между стенками которых находится
слой окиси магния. Модулятор добротности рассчитан на непрерывную
устойчивую работу или на импульсную с быстрым запусками. основные данные
унифицированной головки таковы: длина волны - 1,06 мкм, энергия накачки -
25 Дж, энергия выходного импульса - 0,2 Дж, длительность импульса 25нс,
частота следования импульсов 0,33 Гц в течение 12с допускается работа с
частотой 1 Гц), угол расходимости 2 мрад. Вследствие высокой
чувствительности к внутренним шумам фотодиод, предусилитель и источник
питания размещаются в одном корпусе с возможно более плотной компоновкой, а
в некоторых моделях все это выполнено в виде единого компактного узла. Это
обеспечивает чувствительность порядка 5*10 в -8 Вт.
В усилителе имеется пороговая схема, возбуждающаяся в тот момент,
когда импульс достигает половины максимальной амплитуды, что способствует
повышению точности дальномера, ибо уменьшает влияние колебаний амплитуды
приходящего импульса. Сигналы запуска и остановки генерируются этим же
фотоприемником и идут по тому же тракту, что исключает систематические
ошибки определения дальности. Оптическая система состоит из афокального
телескопа для уменьшения расходимости лазерного луча и фокусирующего
объектива для фотоприемника. Фотодиоды имеют диаметр активной площадки 50,
100, и 200 мкм. Значительному уменьшению габаритов способствует то, что
приемная и передающая оптические системы совмещены , причем центральная
часть используется для формирования излучения передатчика, а периферийная
часть - для приема отраженного от цели сигнала.
1У. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные
исследования в области квантовой электроники. созданы разнообразные лазеры,
а также приборы , основанные на их использовании. Лазеры теперь применяются
в локации и в связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в
вычислительной технике и промышленности, в военной технике. Появилось новое
научное направление - голография, становление и развитие которой также
немыслимо без лазеров.
Однако, ограниченный объем этой работы не позволил отметить такой
важный аспект квантовой электроники , как лазерный термоядерный синтез, об
использовании лазерного излучения для получения термоядерной плазмы.
Устойчивость светового сжатия . Не рассмотрены такие важные аспекты , как
лазерное разделение изотопов, лазерное получение чистых веществ, лазерная
химия и многое другое. Но мы рассмотрели одну из частей употребления
лазеров в военной технологии , которые сейчас широким фронтом вторгаются в
нашу действительность, обеспечивая подчас уникальные результаты. Человек
получил в свое распоряжение инструмент для повседневной научной и
производственной деятельности.
Мы еще не знаем, а вдруг может произойти научная “революция” в мире
основанная на сегодняшних достижениях лазерной техники. Вполне возможно ,
что через 50 лет действительность окажется гораздо багаче нашей
фантазии.....
Может быть, переместившись в “машине времени” на 50 лет вперед, мы
увидим мир, затаившийся под прицелом лазеров. Мощные лазеры нацелившись из
укрытий на космические аппараты и спутники. Специальные зеркала на
околоземных орбитах приготовились отразить в нужном направлении
беспощадный лазерный луч, направить его на нужную цель. На огромной высоте
зависли мощные гамма-лазеры , излучение которых способно в считанные
секунды уничтожить все живое в любом городе на Земле. И негде укрыться от
грозного лазерного луча - разве , что спрятаться в глубоких подземных
убежищах.
Но это все фантазии. И не дай бог она привратиться в реальность.
Все это зависит от нас, от наших действий сегодня, от того, насколько
активно все мы будет относиться к достижениям нашего разума правильно, и
направлять наши решения в достойное русло этой необъятной “реки” которая
называется - Лазер.
Л И Т Е Р А Т У Р А .
1.Тарасов Л.В. “Знакомьтесь - лазеры” Радио и связь 1993 г
2. Федоров Б.В. “Лазеры основы устройства и применение” изд ДОСААФ
1990г.
3. Тарасов Л.В. “ Лазеры действительность и надежды” изд Наука 1985г
4. Орлов В.А. Лазеры в военной технике Воениздат 1986г.
5.Реди Дж. “Промышленной применение лазеров” Мир 1991г.
6. Авиация и космонавтика № 5 1981г. с 44-45
7. Петровский В.И. “Локаторы на лазерах “ Воениздат
8. Федоров Б.Ф. “Лазерные приборы и системы летательных аппаратов “
Машиностроение 1988г.
9. Лазеры в авиации. (под ред. Сидорина В.М.) Воениздат 1982г.
Реферат на тему: Легированные стали
ВВЕДЕНИЕ
Конструкторы при выборе материала для какой-либо конструкции или
изделия не могут учитывать только один или два каких-либо критерия,
характеризующие свойства материала, им необходимо знать его конструктивную
прочность.
Конструктивная прочность - это определенный комплекс механических
свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях
его эксплуатации. Конструктивная прочность - это прочность материала
конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и
эксплуатационных факторов, т. е. это комплексное понятие. Считается, что
как минимум нужно учитывать четыре критерия: жесткость конструкции,
прочность материала, надежность и долговечность материала в условиях
работы данной конструкции.
Жесткость конструкции. Для многих силовых элементов конструкций -
шпангоутов, стрингеров, плоских пластинок, цилиндрических оболочек и т, п.
- условием, определяющим их работоспособность, является местная или общая
жесткость (устойчивость), определяемая их конструктивной формой, схемой
напряженного состояния и т. д., а также и свойствами материала.
Показателем жесткости материала является модуль продольной упругости Е
(модуль жесткости) - структурно нечувствительная характеристика, зависящая
только от природы материала.
Среди главных конструкционных материалов наиболее высокое значение
модуля Е имеет сталь, наиболее низкое - магниевые сплавы и стеклопластики.
Однако оценка этих материалов существенно изменяется при учете их
плотности и использовании критериев удельной жесткости и устойчивости:
Е/(,(E/()1/2,(E/()1/3 (табл.1).
Таблица 1.Удельная жесткость (устойчивость) конструкционных
материалов
При оценке по этим критериям, выбираемыми в соответствии с формой и
напряженным состоянием, во многих случаях наиболее выгодным материалом
являются магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгодным -
углеродистые и легированные стали.
Прочность - способность тела сопротивляться деформациям и разрушению.
Большинство технических характеристик прочности ((в, (0,2) определяют в
результате статического испытания на растяжение.
Эти характеристики зависят от структуры и термической обработки.
Прочность конструкционных материалов, используемых в технике,
изменяется в очень широком диапазоне - от 100(150 до 2500(350О МПа. Однако
выбор материала только по абсолютному значению показателей прочности (т
((0,2), (в и др. не дает правильной оценки возможностей материала. Для
создания конструкции (машины) с минимальной массой большое значение имеет
плотность материалов (. С учетом этого более правильно оценивать значение
его удельной прочности отношением характеристик прочности (т, (в и др. к
плотности материала (например, (в/(, (т/(, где ( - плотность материала,
г/см3).
Из данных, приведенных в табл.2, видно, что, например, алюминиевые
сплавы, имея значительно меньшую абсолютную прочность, чем углеродистые и
многие легированные стали, превосходят их по удельной прочности. Это
означает, что при равной прочности масса изделия из алюминиевых сплавов
меньше, чем
Таблица 2. Удельная прочность некоторых конструкционных материалов
изделия из стали. Наиболее высокую удельную прочность имеют стеклопластики
типа СВАМ, а из металлических конструкционных материалов - титановые
сплавы.
Оценивая реальную прочность конструкционного материала, следует
учитывать характеристики пластичности (, (, а также вязкость материала, так
как именно эти показатели в основном определяют возможность хрупкого
разрушения. Это относится и к высокопрочным материалам, которые, обладая
высокой прочностью, склонны к хрупкому разрушению
Модуль упругости Е и (0,2 являются расчетными характеристиками,
определяющими допустимую нагрузку.
Надежность-свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои
эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого
промежутка времени или требуемой наработки. Надежность конструкции - это
также ее способность работать вне расчетной ситуации, например,
выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем надежности является запас
вязкости материала, который зависит от состава, температуры (порог
хладноломкости), условий нагружения, работы, поглощаемой при
распространении трещины и т. д.
Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей
характеристикой, определяющей надежность работы конструкций.
Долговечность-свойство изделия сохранять работоспособность до
предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации).
Долговечность конструкции зависит от условий ее работы. Прежде всего это
сопротивление износу при трении и контактная прочность (сопротивление
материала поверхностному износу, возникающему при трении качения со
скольжением). Кроме того, долговечность изделия зависит от предела
выносливости, зависящего в свою очередь от состояния поверхности и
коррозионной стойкостью материала.
1. Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей
Сплавы железа - сталь и чугун - основные металлические материалы,
используемые в различных отраслях народного хозяйства. Наиболее широко
применяют стали. Они должны иметь хорошие технологические свойства: легко
обрабатываться давлением (многие изделия получают прокаткой, ковкой или
штамповкой), а также хорошо обрабатываются на металлорежущих станках,
свариваться. В ряде случаев от них требуется высокая коррозионная стойкость
или жаропрочность и т. д.
Достоинством сталей является возможность получать нужный комплекс
свойств, изменяя их состав и вид обработки.
Стали подразделяют на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали - это основной конструкционный материал, который
используют в различных областях промышленности. Они проще в производстве и
значительно дешевле легированных. Свойства их определяются количеством
углерода и содержанием присутствующих в них примесей, которые
взаимодействуют и с железом, и с углеродом.
1.1 Влияние углерода
Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом
от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали
увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается
количество феррита, т. е. повышаются прочность и твердость и уменьшается
пластичность. Как видно из графика, приведенного на рис.1, прочность
повышается только до 1 % С, а при более высоком содержании углерода она
начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам
зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность
[pic]
Рис.1. Зависимость свойств горячекатаной углеродистой стали от
содержания углерода
стали. Кроме углерода, в стали есть еще другие элементы - примеси,
присутствие которых обусловлено разными причинами. Различают постоянные,
скрытые, случайные и специально введенные примеси.
1.2.Влияние примесей
Постоянные примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера.
Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее
раскисления, т.е. для удаления FеО, поэтому их также называют
технологическими: примесями.
Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания сульфида
железа FeS в стали: FeS+Mn(MnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в
феррите, повышая его прочность; марганец может также растворяться в
цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7 - 0,8 % Мn и до 0,5 %
Si.
Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным
сырьем-чугуном. Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение
FeS-сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика
(Fе+FеS) с температурой плавления 988 (С. Поэтому при нагреве стальных
заготовок для пластической деформации выше 900 (С сталь становится хрупкой.
При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление
называется красноломкость. Одним из способов уменьшения влияния серы
является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620 (С, эти
включения пластичны и не вызывают красноломкости.
Содержание серы в сталях допускается не более 0,06 %.
Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном,
использованным для выплавки стали. До 1,2 % фосфора растворяется в феррите,
уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации,
поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда
могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ
зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е.
вызывает хладноломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной
примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0,05 %.Чем
больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.
Содержание серы и фосфора в стали зависит от способа ее выплавки.
Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы - азот,
кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы
попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать,
либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды,
оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных
несплошностях. Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород
сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10-2-
10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается,
свойства улучшаются. Случайной примесью может быть любой элемент (медь,
алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом
или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех
пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.
Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для
получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими,
а стали, их содержащие - легированными сталями.
Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень
широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если
содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании
ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1-0,5 %
стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и
в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для
углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать
1 %.
В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения
механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Кроме того, при
введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и
другие ее свойства. Нужный комплекс свойств достигается не только
легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате
которой получается необходимая структура.
Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость
стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому
добавление их в сталь должно быть строго обосновано.
Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать
стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств.
Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по
структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по
назначению.
1.3.Классификация сталей
По химическому составу прежде всего все стали можно разделить на две
большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные
стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как
трехкомпонентные (содержат кроме железа и углерода один какой-либо
легирующий элемент), четырехкомпонентные и т.д. Более распространенной
является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые,
хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.д.
По степени легирования, т.е. по содержанию легирующих элементов,
стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5-5 %
легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные
(более 10 %).
По способу выплавки. Углеродистые стали выплавляют главным образом
мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную
углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.
Рис 2. Диаграммы изотермического распада аустенита трех классов стали
В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть
спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в
марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одинаковом содержании
углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие
заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния.
Содержание кремния в спокойной стали 0,15-0,35 %, в полуспокойной 0,05-0,15
%, в кипящей 600
(т, Мпа - 210-250 300-320
(, % 31-34 23-26 12-15
Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали
в дальнейшем обычно подвергают различной обработке (ковке, сварке,
термической обработке) с целью получения нужного заказчику комплекса
механических свойств.
Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим
свойствам - по нормам для сталей групп А и Б.
Углеродистая сталь обыкновенного качества - дешевая и во многих
случаях удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, предъявляемым
к металлу. Ее выплавка составляет около 80 % всего производства
углеродистых сталей.
Качественные стали. В качественных сталях максимальное содержание
вредных примесей составляет не более 0,04 % серы и 0,04 % фосфора.
Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет
меньшее содержание растворенных газов. В случае примерно одинакового
содержания углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и
вязкость по сравнению со сталями обыкновенного качества особенно при низких
температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому
составу и по механическим свойствам. Марки сталей обозначают цифрами,
указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (пределы по
углероду 0,07-0,08 % для одной марки), степень раскисленности - буквами пс,
кп (спокойные, качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь
10кп (0,10 % С, кипящая), сталь 30пс (0,30 % С, полуспокойная), сталь 45
(0,45 % С, спокойная) и т.д. Качественные углеродистые стали поставляются
заказчику в различном состоянии: без термической обработки, после
нормализации, различной степени пластической деформации и т.д.
В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное
содержание серы и фосфора (S(0,035 % и Р( 0,035 %). Поскольку при этом
стоимость стали существенно возрастает, конструкционные углеродистые стали
редко выплавляют высококачественными. Для обозначения высокого качества
стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, например, сталь У10А.
Легированные стали выплавляют только качественными, а чаще -
высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в нашей
стране принята буквенно-цифровая система.
Легирующие элементы обозначают следующими буквами: хром - Х, никель -
Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан - Т, азот - А, марганец -
Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий - Ю, бор - Р,
ниобий - Б, цирконий - Ц.
Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных
марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых
долях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1 %,
ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки
18ХГТ содержит около 0,18 % С; 1 % Сг; 1 % Мn и около 0,1 % Тi; марки 12ХН3
-0,12 % С; 1 % Сг и 3 % Мn.
Нестандартные стали обозначают различным образом. Наиболее часто
встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка
показывает, что сталь выплавлена на заводе "Электросталь" (буква Э), сталь
исследовательская (буква И) или пробная (буква П). Состав таких сталей
приведен в справочниках.
Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и
сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним
предъявляют повышенные требования и по содержанию других примесей.
По назначению стали подразделяют на три основные группы:
конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. В основу
классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали,
содержащие до 0,25 % С, используют как котельные, строительные и для
деталей машин, подвергаемых цементации. Низкое содержание углерода в
котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и
строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает
свариваемость.
Для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки, применяют стали,
содержащие 0,36-0,50 % С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т.д.).
Эти стали подвергают термической обработке-закалке с последующим
высокотемпературным отпуском (улучшению).
Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50-0,70 % С. Эти
стали также применяют только после соответствующей термической обработки.
Из стали с 0,7-1,5 % С изготавливают ударный и режущий инструмент.
Углеродистые стали маркируют У7, У8..., У13, где буква У означает
углеродистую сталь, число показывает содержание углерода в десятых долях
процента, т.е. сталь У10 содержит 1 % С. Эти стали иногда выплавляют
высококачественными и тогда их маркируют 10А или УЗА и т.п. Химический
состав и механические свойства углеродистых инструментальных сталей
приведены в ГОСТ 1435-74.
У инструментальных легированных сталей содержание углерода также
обозначают в десятых долях процента, например, сталь 9ХС содержит 0,9 % С;
1 % Сг и 1,4 % Si. Если углерода больше 1 %, то цифры не указывают,
например, стали ХВГ, ХГ и т.д.
Стали и сплавы с особыми свойствами.
К ним относят коррозионностойкие и кислотоупорные; жаропрочные и
жаростойкие стали и сплавы: с особыми магнитными свойствами и т. д.
1.4.Дефекты легированных сталей
Кроме дефектов, характерных для углеродистых сталей, в легированных
сталях проявляются и специфические дефекты: дендритная ликвация, флокены и
отпускная хрупкость II рода.
Дендритная ликвация. Наличие легирующих элементов увеличивает
температурный интервал кристаллизации. Кроме того, диффузионные процессы в
легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается
склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре.
Устраняется дендритная ликвация диффузионным отжигом.
Флокены. Как уже отмечалось, газы оказывают различное влияние газов
на свойства сталей, указывалось на их нежелательное присутствие, так как
свойства сталей ухудшаются, например, возникает один из дефектов
легированных сталей–флокены | |
