Накопления повреждений

Малогабаритные СВЧ-генераторы на диодах Ганна уже миновали стадию лабораторных разработок. Они обладают низким уровнем шумов (сравнимым с клистронами) и мощностью излучения, достаточной для использования в радиолокационных устройствах в диапазоне частот 1—80 ГГц. Такие диоды в пролетном режиме генерации обеспечивают выходную мощность 20— 350 мВт — в непрерывном режиме и 1 — 400 Вт — в импульсном режиме. В режиме ограниченного накопления объемного заряда диоды Ганна позволяют получать импульсную мощность 3— 6 кВт на частоте 1,5—2 ГГц при к. п. д. 10—20%.

мощность порядка нескольких сотен ватт при к.п.д. 5—25%. Модификацией генератора Ганна является генератор с ограничением накопления объемного заряда (ОНОЗ). В режиме ОНОЗ кристалл арсенида галлия включается последовательно с колебательным контуром и нагрузочным резистором. Наличие контура

Отметим, что скорость накопления объемного заряда лимитируется только скоростью движения электронов, так как переход возбужденных молекул в нормальное состояние и распространение фотонов к катоду происходит в течение ничтожно малого времени по сравнению с временем развития лавины. Накопление избыточного положительного заряда приводит к ослаблению напряженности поля вблизи анода и, напротив, к увеличению напряженности поля на остальной части промежутка ( 4.9). Это приводит к быстрому увеличению числа электронов в лавинах и соответственно числа фотонов, облучающих разрядный промежуток. В результате увеличивается число одновременно развивающихся лавин. Все это приводит к увеличению тока через разрядный промежуток вплоть до его пробоя.

Пока мгновенные значения напряжения в приборе больше, чем пороговое напряжение Е„„Р1, у катода формируется домен. Однако если прибор поместить в резонатор, настроенный на достаточно большую частоту, то домен, не успев сформироваться, начнет рассасываться, так как суммарное напряжение смещения и колебаний резонатора в следующую часть периода будет меньше, чем пороговое напряжение ?Пор/. Во время формирования домена ток, проходящий через прибор, уменьшается, а во время рассасывания возрастает. Таким образом, возникают периодические колебания тока, но период этих колебаний определяется уже не пролетным временем домена, а частотой резонатора. Такие генераторы называют генераторами с ограничением накопления объемного заряда (ОНОЗ). Этот режим работы генератора Ганна [в английской транскрипции — LSA (Limited Spacechar-

— с ограничением накопления объемного заряда 359

§ 8.4. Генераторы с ограничением накопления объемного заряда.....359

Малогабаритные СВЧ-генераторы на диодах Ганна уже миновали стадию лабораторных разработок. Они обладают низким уровнем шумов (сравнимым с клистронами) и мощностью излучения, достаточной для использования их в радиолокационных устройствах в диапазоне частот 1—80 ГГц. Такие диоды в пролетном режиме генерации обеспечивают выходную мощность 20—350 мВт — в непрерывном режиме и 1—400 Вт — в импульсном режиме. В режиме ограниченного накопления объемного заряда диоды Ганна позволяют получать импульсную мощность 3 — 6 кВт на частоте 1,5— 2 ГГц при к.п.д. 10—20%.

Генераторы Ганна, выполненные в форме квадратов со стороной 100—150 мкм, дают мощность в непрерывном режиме порядка нескольких милливатт на частотах 1—25 ГГц. Эти генераторы могут работать и в импульсном режиме, обеспечивая импульсную мощность порядка нескольких сотен ватт при к.п.д. 5—25%. Модификацией генератора Ганна является генератор с ограничением накопления объемного заряда (ОНОЗ). В режиме ОНОЗ кристалл арсенида галлия включается последовательно с колебательным контуром и нагрузочным резистором. Наличие контура обеспечивает легкость перестройки частоты. Переменное напряжение на контуре достаточно велико для того, чтобы во время отрицательной

Если необходимо получить колебания более высокой частоты, толщина кристалла становится слишком малой. В этом случае используют несколько другой механизм генерации, не связанный непосредственно с временем прохождения домена через весь кристалл. Домен формируется в течение некоторого отрезка времени. Поместив диод в резонатор с достаточно высокой добротностью, можно воспрепятствовать полному формированию домена; который уже в начале своего формирования наводит в резонаторе ток и отдает мощность во внешнюю цепь. Возникающее в резонаторе напряжение вычитается из напряжения источника пи-гания диода, в результате чего напряженность электрического поля в диоде уменьшается. При достаточно большой добротности резонатора напряженность поля в диоде падает ниже того порогового значения, при котором динамическое сопротивление диода отрицательно, и домен рассасывается. Начало формирования нового домена определяется тем моментом времени, когда в результате изменения высокочастотного напряжения в резонаторе напряженность поля в кристалле вновь превысит пороговое значение, а затем процесс повторяется. Такой механизм генерации получил название режима ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ). В режиме ОНОЗ частота генерации может быть значительно повышена, поскольку она определяется внешним резонатором, а не размерами кристалла и характером движения домена.

полем не происходит из-за тщательно контролируемого высокочастотного напряжения, быстро разрушающего поле в области отрицательной дифференциальной подвижности. Это предотвращает накопление заряда и сохраняет более или менее однородное поле по всему прибору. Тжим образом, зависимость тока от напряжения для этого режима, известного под названием режима с ограниченным накоплением объемного заряда* определяется зависимостью скорости от величины поля, так как ток равен qnv(E)A, где п — плотность электронов; А — площадь прибора и v(E) —зависящая от поля скорость дрейфа. Из этого следует, что при отрицательной дифференциальной подвижности у диода появляется отрицательное дифференциальное сопротивление и, следовательно, его можно использовать для усиления. Режим ограниченного накопления объемного заряда имеет то преимущество, что он потенциально пригоден для получения большой выходной мощности на СВЧ. Более того, ожидается, что ганновские диоды с однородным распределением поля из-за более высокой подвижности должны иметь меньшие шумы,, чем диоды с неоднородными полями.

Режим ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ). Рассмотрим работу диода Ганна, к которому приложено постоянное смещение 1/, = ElL— (2 ... 3)?n0pL и переменное смещение такой величины, что в течение части периода напряженность электрического поля в диоде меньше fnop ( 6.14).

В течение той части периода, когда E>Enov, у катода формируется домен. Если период колебаний достаточно мал, то домен, не успев сформироваться, начнет рассасываться во время той части периода, когда Е<Еп01,. При образовании домена ток уменьшается, при рассасывании— увеличивается. Таким образом, существуют колебания тока, период которых определяется не временем пролета домена через диод, а внешним резонатором. Такой режим работы диода Ганна называется режимом ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ), в отличие от ранее рассмотренного режима, который называют пролетным. Для осуществления режима ОНОЗ необходимо выполнение следующих условий:

В реальных условиях работы оборудования сопротивляемость материала узлов и конструкций разрушению в результате наложения сложных, часто нерасчетных условий может резко понижаться несмотря на оптимальные запасы прочности, принятые при конструировании. В этих случаях эффективным методом диагностирования элементов энергооборудования становится диагностика состояния металла и причин его повреждения структурными методами. Влияние коррозионно-активных сред, периодические нерасчетные колебания температур и напряжения приводят к изменению кинетики и механизмов накопления повреждений. Сочетание таких факторов, как воздействие повышенных температур и коррозионно-активнои среды, или высоких температур и периодического упруго-пластического деформирования изменяет скорость и характер развития процессов разрушения, затрудняет оценку ресурса таких деталей.

Из вышесказанного очевидно, что для диагностирования и прогнозирования ресурса металла после длительной эксплуатации и правильного применения расчетных методов необходимо знание основных закономерностей процессов зарождения и накопления повреждений в сложных условиях эксплуатации.

Зарождение и развитие разрушения в сталях, применяемых в теплоэнергетике, имеет свои особенности, связанные со структурой и фазовым составом этих сталей. Работа деталей в условиях ползучести вызывает накопление повреждений в процессе эксплуатации. Важно оценивать степень опасности накопления повреждений, с тем чтобы определять допустимый ресурс работы деталей, особенно дорогостоящих, выпускаемых малыми сериями, какими являются детали турбин, паропроводов, арматуры.

На 1.6 представлена кривая ползучести образца из стали 12X1МФ при испытании на растяжение. Здесь же приведена кривая накопления повреждений на участке перехода от второй стадии к критической фазе ползучести, обозначенном на кривой буквами о и т. Поврежденность выражена в количестве пор на единицу поверхности шлифа N. На переходном участке от идет накопление обособленных пор. Переход ползучести в критическую фазу сопровождается слиянием пор в микротрещины.

Структурная чувствительность процесса разрушения в перлитных сталях объясняется следующими факторами. Фрагментация матрицы, вызванная фазовым наклепом, способствует появлению большого числа мест преимущественного зарождения микропор. Высокая плотность дислокаций в игольчатом сорбите обеспечивает интенсивный приток вакансий в пору и способствует более быстрому ее росту. Развитие процессов возврата приводит к ускорению деформирования металла при ползучести, появлению избытка вакансий тем в большей степени, чем выше исходная плотность дислокаций. Это также способствует быстрому росту пор. Высокая удельная плотность зародышевых пор и создание условий для интенсивного роста пор определяют наблюдаемый характер накопления повреждений в металле с сорбитной структурой.

Таким образом, карты механизмов ползучести и разрушения и полученные зависимости кинетики накопления повреждений от структуры стали позволяют повысить надежность экспертизы причин повреждения элементов энергооборудования.

Значительное влияние на жаропрочные свойства и процесс накопления повреждений оказывает предварительная деформация. В элементах оборудования энергоустановок в связи с технологическими особенностями их изготовления в пластически деформированном состоянии в основном проставляются такие детали паропроводов и пароперегревателей, как изогнутые трубы (гибы). Гибы паропроводов и пароперегревателей из стали 12Х1МФ изготавливаются в основном методом холодной гибки. Степень деформации в растянутой зоне гибов в среднем составляет 10—15%. Гибы паропроводов с толщиной стенки 10—20 мм и выше в зависимости от конструкции подвергаются высокому отпуску при 700—740 °С.

Существенное влияние на долговечность гибов оказывает термическая обработка труб, которая определяет их структурное состояние. Как было показано выше, структурную чувствительность проявляют скорость ползучести, процесс накопления повреждений.

При испытаниях на длительную прочность в предварительно деформированном металле поврежденность по длине образца распределена более равномерно, степень локализации поврежденного материала при ползучести в деформированном металле меньше, что оказывает влияние на снижение длительной пластичности стали. На третьей стадии ползучести в деформированном металле скорость накопления повреждений в 2—4 раза больше, чем в недеформированном.

Влияние холодной гибки на дислокационную структуру и характер накопления повреждений приводит к изменению жаропрочных свойств стали в эксплуатации. Сравнительное определение кратковременных и длительных свойств металла прямых труб и гибов после различных сроков эксплуатации с различной степенью поврежденное™, проведенное в [20], показало, что кратковременные механические свойства слабо зависят от длительности эксплуатации. Прочностные свойства, как правило, выше, а пластические ниже, чем на прямых участках. Длительная прочность гибов, в металле которых присутствуют поры и цепочки пор по границам зерен, в том числе и разрушенных в эксплуатации, существенно ниже, чем гибов в исходном состоянии и после эксплуатации, в металле которых отсутствуют поры.

Эффективным мероприятием по уменьшению влияния гибки на процесс накопления поврежденности при ползучести является высокий отпуск. Отпуск при 710 °С в течение 1 ч приводит к перераспределению накопленных при пластической деформации дислокаций с образованием стенок и сеток. Вследствие частичной аннигиляции дислокаций их плотность несколько уменьшается. Закономерности накопления повреждений при испытании отпущенного металла приближаются к уровню исходного состояния независимо от структуры стали.