Автореферати та дисертаційні роботи
Permanent URI for this collectionhttps://ena.lpnu.ua/handle/ntb/2995
Browse
4 results
Search Results
Item Науково-технологічні основи підвищення якості та експлуатаційних характеристик деталей машин формуванням зміцнених нанокристалічних шарів(Національний університет "Львівська політехніка", 2021) Гурей, Володимир Ігорович; Кузьо, Ігор Володимирович; Національний університет "Львівська політехніка"; Кальченко, Володимир Віталійович; Оргіян, Олександр Андрійович; Роп’як, Любомир ЯрославовичУ дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна проблема в області технології машинобудування – розроблення технологічного забезпечення підвищення експлуатаційних характеристик деталей машин шляхом формування зміцненого поверхневого шару з нанокристалічною структурою на масивних деталях фрикційним обробленням. Вперше запропоновано технологічний метод формування поверхневих шарів з нанокристалічною структурою у якому поєднується їх високошвидкісне нагрівання і охолодження з інтенсивною пластичною деформацією, яка реалізується використанням інструментів з перервними робочими поверхнями. Розроблені математична модель термопружного стану в поверхневих шарах металу під зоною контакту інструмент-деталь; математичні моделі динамічних процесів під часоброблення плоских і циліндричних поверхонь деталей. Досліджено формування структури, фазового і хімічного стану шарів, параметрів якості оброблених поверхонь і поверхневих шарів, їх вплив на експлуатаційні характеристики, а саме, зносотривкість під час тертя з різними видами мащення і контактному втомному навантаженні. Розроблено і впроваджено у виробництво технологічні процеси поверхневого зміцнення робочих поверхонь деталей машин та технологічного спорядження. В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая проблема в области технологии машиностроения - разработка технологического обеспечения повышения эксплуатационных характеристик деталей машин путем формирования упрочненного поверхностного слоя с нанокристаллической структурой на массивных деталях фрикционной обработкой. Впервые предложено технологический метод формирования поверхностных слоев с нанокристаллической структурой в котором сочетается их высокоскоростной нагрев и охлаждения с интенсивной пластической деформацией, которая реализуется использованием инструментов с прерывистыми рабочими поверхностями. Разработанные математическая модель термоупругого состояния в поверхностных слоях металла под зоной контакта инструмент-деталь; математические модели динамических процессов при обработке плоских и цилиндрических поверхностей деталей. Исследовано формирование структуры, фазового и химического состояния слоев, параметров качества обработанных поверхностей и поверхностных слоев, их влияние на эксплуатационные характеристики, а именно, износостойкость при трении с различными видами смазки и контактной усталостной нагрузке. Разработаны и внедрены в производство технологические процессы поверхностного упрочнения рабочих поверхностей деталей машин и технологического оснастки. During friction treatment, due to the high-speed friction of the tool with the part, high temperatures occur in their contact zone, which is higher than the phase transition points. The zone in which thermomechanical processes take place can be divided into three sections: the first is the zone of elevated temperature in front of the thermal energy source; the second – the area of intense thermal energy flow; the third is the zone of intensive cooling, which occurs after the cessation of the thermal energy flow. The mathematical model of the thermoelastic state in the surface layers of metal under the tool-part contact zone, on the basis of the modified theory of thermoelasticity is developed. The main disadvantage of the classical heat resistance theory is the assumption of an infinite rate of heat expansion in the material. To overcome it, Green and Lindsay proposed a modified theory of thermoelasticity (GL-theory), the propagation of thermal conductivity became hyperbolic with the introduction of so-called "relaxation times" parameters. Numerical solutions for different tool groove widths are presented. Also based on the method of determining the temperature by the depth of the sample using the thermocouples, experimental studies of the temperature at three different depths and several passes of the tool with transverse feed were determined. The three-mass model of the surface grinding machine used for flat parts’ frictional treatment is presented, the differential equations of which are written based on Lagrange equations of the second kind. The clamping force of the tool to the part is given as the vertical movement of the spindle head to the part by some value, where the total stiffness corresponds to some value of clamping force, as well as subtraction of movement, which is formed due to grooves on the periphery of the tool. The analysis of numerical solutions shows that the greatest value of the amplitude of the impact occurs when the width of the groove increases and the number of grooves decreases. The frequency response of the machine’ three-mass oscillating system is developed, it is determined that the dangerous number of grooves is 8-10, which can cause resonance. A three-mass model of a lathe is presented, on which instead of the tool-post the special device with an autonomous tool drive for frictional treatment of cylindrical machine parts is installed, the differential equations of which are written based on Lagrange equations of the second kind. The clamping force is given as the movement of the carriage in the horizontal direction to the workpiece by some value, where the total stiffness corresponds to some value of clamping force, as well as subtraction of movement, which is formed due to grooves on the periphery of the tool. The frequency response of the machine’ three-mass oscillating system is developed, it is determined that the dangerous number of grooves is 9-12, which can cause resonance. The change of structure, depth, and also microhardness of surface layers depending on the feed’ type of the technological medium and its structure and type of the tool’ periphery is shown. The redistribution of chemical elements by the depth of the strengthened layer are shown. The phase composition of the surface layers after strengthening and alloying, as well as residual stresses in the strengthened surface layers, are presented. After using various tools, the parts’ surfaces were scanned and then the 3D view of the scanned surfaces, the topography, profiles of waviness and roughness in the longitudinal and transverse directions, peaks count distribution, volumes of the holes or the peaks, textures directions, averaged power spectrum density, textures isotropy, Abbott-Firestone curves, Sk parameters, etc. are investigated. The studies of the friction pairs’ wear resistance according to the "ring-ring" and "ring-insert" schemes of wearing without lubrication, with maximum lubrication, as well as in an oil-abrasive medium were showed. Wear resistance studies were performed for pairs of steel – cast iron, cast iron – cast iron, steel – steel. Experimental studies of the contact strength of the strengthened layers after friction treatment were performed by using the special equipment where a test-sample is mounted, which is run-in by three spring-loaded rollers. The friction treatment technology and microalloying have been tested and new improved results of increased wear resistance of friction pairs after this friction treatment have been obtained.Item Електро- і магнітотранспортні властивості базових сенсорних ниткоподібних кристалів Si, Ge, InSb, GaSb в околі переходу метал-діелектрик(Національний університет "Львівська політехніка", 2019) Лях-Кагуй, Наталія Степанівна; Дружинін, Анатолій Олександрович; Національний університет «Львівська політехніка»; Хрипунов, Геннадій Семенович; Євтух, Анатолій Антонович; Ціж, Богдан РомановичПроведено комплексне дослідження електро- та магнітотрансортних властивостей ниткоподібних кристалів Si, Ge, InSb та GaSb у широкому інтервалі температур 1,4 ÷ 300 К і магнітних полях з індукцією 0 ÷ 14 Тл. На основі експериментальних досліджень польових залежностей магнітоопору в області кріогенних температур виявлено осциляційний ефект у ниткоподібних кристалах Si, Ge, InSb та GaSb, який в залежності від концентрації легуючої домішки в околі ПМД пов'язаний з магнітофононними осциляціями чи осциляціями Шубнікова–де Гааза, що дозволило оцінити основні параметри носіїв заряду в кристалах. У ниткоподібних кристалах GaSb, легованих телуром, вперше виявлено поверхневу надпровідність при критичній температурі 4,2 К, що зумовлено сильною спінорбітальною обмінною взаємодією носіїв заряду в металевій фазі в околі ПМД. Вперше встановлена поява фази Беррі в польових залежностях магнітоопору при температурі 4,2 К деформованих ниткоподібних кристалів InSb та GaSb n-типу провідності, що підтверджує двовимірну природу електронного газу у кристалах. Вивчено вплив зовнішніх чинників (деформації, магнітного поля, електронного опромінення, температури) на властивості легованих ниткоподібних кристалів Si, Ge, InSb та GaSb як чутливих елементів сенсорів механічних, теплових та магнітних величин. На основі виявлених кінетичних ефектів розроблено концепцію створення надчутливих радіаційно стійких п’єзорезистивних сенсорів, дієздатних в екстремальних умовах експлуатації, зокрема при кріогенних температурах, у сильних магнітних полях, при опроміненні електронами високих енергій, які зможуть знайти застосування в різних галузях науки і техніки. Проведено комплексное исследование электро- и магнитотрансортных свойств нитевидных кристаллов Si, Ge, InSb и GaSb в широком интервале температур 1,4 ÷ 300 К и магнитных полях с индукцией 0 ÷ 14 Тл. На основе экспериментальных исследований полевых зависимостей магнитосопротивления в области криогенных температур обнаружено осциляционные эффект в нитевидных кристаллах Si, Ge, InSb и GaSb, который в зависимости от концентрации легирующей примеси в окрестности ПМД связан с магнитофононнимы осцилляциями или осцилляциями Шубникова-де Гааза, что позволило оценить основные параметры носителей заряда в кристаллах. В нитевидных кристаллах GaSb, легированных теллуром, впервые выявлено поверхностную сверхпроводимость при критической температуре 4,2 К, что обусловлено сильным спин-орбитальным обменным взаимодействием носителей заряда в металлической фазе в окрестности ПМД. Впервые обнаружено появление фазы Берри в полевых зависимостях магнетосопротивления при температуре 4,2К деформированных нитевидных кристаллов InSb и GaSb n-типа проводимости, что подтверждает двумерную природу электронного газа в кристаллах. Изучено влияние внешних факторов (деформации, магнитного поля, электронного облучения, температуры) на свойства легированных нитевидных кристаллов Si, Ge, InSb и GaSb как чувствительных элементов сенсоров механических, тепловых и магнитных величин. На основе выявленных новых кинетических эффектов разработана концепция создания сверхчувствительных радиационно стойких пьезорезистивных сенсоров, дееспособных в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе при криогенных температурах, в сильных магнитных полях, при облучении электронами высоких энергий, которые смогут найти применение в различных областях науки и техники. The complex investigation of electro- and magnetotransport properties of Si, Ge, InSb and GaSb whiskers in the wide temperature range 1.4 ÷ 300 K and magnetic fields with induction of 0 ÷ 14 T were carried out. On the basis of experimental studies of the magnetoresistance field dependences at cryogenic temperatures, an oscillatory effect was found in Si, Ge, InSb and GaSb whiskers. The effect was associated with magnetophonon oscillations or oscillations of Shubnikov-de Haas, depending on the doping concentration in the vicinity to the metal-insulator transition. Shubnikov-de Haas oscillations were detected in the temperature interval of 4.2 ÷ 77 K and magnetic fields with induction up to 14 T as a result of the analysis of the longitudinal and transversal magnetoresistance of n-type conductivity InSb whiskers with a concentration of a dopant in the range of 4.41016 сm-3 to 7.161017 сm-3. The induced magnetic field the metal-insulator transition is established in the InSb whiskers due to strong spin-orbit interaction, which leads to the splitting of each peak of the longitudinal and transverse magnetoresistance in whole range of magnetic fields and to obtain the giant Lande g-factor g* = 46 ÷ 60. Analysis of the Shubnikov-de Haas oscillations allowed to calculate the basic parameters of InSb whiskers, such as the cyclotron effective mass of electrons mс 0.03mо ÷ 0.033mо, the Fermi level EF 0.11 eV, the Dingle temperature ТD = 3 K, which, with increasing doping concentration increases to EF 0.12 eV and up to ТD = 12 K, respectively. The Kondo effect was first detected in GaSb whiskers with tellurium concentration of 11018 сm-3. This effect arises as a result of an exchange interaction between holes localized oj doped atoms and free charge carriers. It was established that the increasing of the doping concentration causes a significant overlap of the wave functions, which leads to an increase of the value of direct exchange interaction, the change of the sign of the exchange interaction integral and as a result of the damping of the Kondo effect. A transition from the effect of weak anti-localization to the weak localization of charge carriers at temperature about 4 K was detected in heavy doped whiskers with a metallic type of conductivity in weak magnetic fields due to a change in the temperature correlation between dephasing time and electron spin relaxation time. Surface superconductivity was first observed at a critical temperature of 4.2 K in GaSb whiskers doped with tellurium due to the strong spin-orbit exchange interaction of charge carriers in the metal phase in the vicinity to the metal-insulator transition. This conclusion is confirmed by the results of the study of the magnetic susceptibility of whiskers in weak magnetic fields. This showed that the GaSb whisker is a superconductor of the second kind with critical fields (lower 50 mT and upper 1.1 T). The first appearance of the Berry phase on the magnetoresistance field dependences at temperature 4.2 K was found in the strained n-type conductivity InSb and GaSb whiskers with a doping concentration near the metal-insulator transition. That confirms the two-dimensional nature of the electron gas in whiskers and their transition into the state of the topological insulator. Extremely high values of the Gauge factor up to К-5.24×105 for Si and Ge whiskers were found in the region of the action of the "non-classical" piezoresistance that allows them to be used in highly sensitive piezoresistive mechanical sensors. The influence of external factors (strain, magnetic field, electron irradiation, temperature) on the properties of doped Si, Ge, InSb and GaSb whiskers as sensitive elements of mechanical, thermal and magnetic sensors were studied. The physical representations about the transport mechanisms of charge carriers were expanded due to the conducted studies for doped semiconductor whiskers in the vicinity to the metalinsulator transition at low temperatures in strong magnetic fields and under the influence of high-energy electron irradiation. The concept of creating supersensitive radiation-sensitive piezoresistance sensors have been developed due to the discovered new kinetic effects in the whiskers. These sensors, which could be used in various fields of science and technology, are capable of extreme operating conditions, in particular at cryogenic temperatures, in strong magnetic fields with irradiation by high-energy electrons.Item Розроблення елементів сенсорної техніки на основі структур кремній-на-ізоляторі та мікрокристалів кремнію, модифікованих домішками бору і нікелю(Національний університет "Львівська політехніка", 2016) Ховерко, Юрій МиколайовичДисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми створення елементів сенсорної техніки на основі структур кремній-на-ізоляторі, та мікрокристалів кремнію, легованих домішками бору і нікелю. Проведено комплексне дослідження електрофізичних властивостей структур кремній- на-ізоляторі та мікрокристалів кремнію у широкому інтервалі температур на постійному та змінному струмах, що є передумовою розроблення фізичних основ створення мікроелектронних сенсорів на базі полікристалічного та ниткоподібного кремнію і встановлено, що за кріогенних температур в околі температури рідкого гелію провідність змінюється стрибкоподібно по локалізованих домішкових рівнях. Обгрунтовано фізичні моделі, які описують деформаційно-стимульовані та спін-поляризаційні ефекти в мікрокристалах кремнію та КНІ-структурах, що лягло в основу розроблення нових підходів щодо створення елементів сенсорної техніки і дозволять прогнозувати необхідні параметри в процесі їх виготовлення. Запропоновано високочутливі сенсори деформації, температури, магнітного поля, що має важливе значення для сучасної кріоелектроніки, кріоенергетики, сенсорної мікро- та наноелектроніки, а також пристрої, що виготовлені за рахунок поєднання технологій отримання структур кремній-на-ізоляторі та мікрокристалів кремнію шляхом розроблення нових підходів та конструктивно-технологічних методів до формування функціональних властивостей приладів. Представлено чутливий елемент акселерометра, що дало можливість реалізувати як дискретний прилад, так і елемент зінтегрованих наноелектромеханічних систем зі структурою кремній-на-ізоляторі, який забезпечує контроль переміщення з точністю 200 нм. На основі комплексного використання мікрокристалів кремнію та структур кремній-на ізоляторі створено як дискретні елементи твердотільної електроніки (індуктивні, ємнісні елементи), так і комбіновані (коливальні контури), які реалізуються за суміщеними технологіями. Конструкція коливального контура передбачає комбінацію елементів, яка складається з ниткоподібного кристала кремнію із концентрацією легуючої домішки, що відповідає діелектричному боку переходу метал-діелектрик та полікристалічного кремнію в КНІ-структурах. Диссертация посвящена решению научно-прикладной проблемы создания элементов сенсорной техники на основе структур кремний-на-изоляторе и микрокристаллов кремния, легированных примесями бора и никеля. Проведено комплексное исследование электрофизических свойств структур кремний-на-изоляторе и микрокристаллов кремния в широком интервале температур на постоянном и переменном токах, что является предпосылкой разработки физических основ создания микроэлектронных сенсоров на базе поликристаллического и нитевидного кремния и установлено, что при криогенных температурах, возле температуры жидкого гелия проводимость, меняется скачкообразно по локализованным примесным уровням. Обоснованно физические модели, описывающие деформационно-стимулированные и спин-поляризационные эффекты в микрокристаллах кремния и КНИ-структурах, что легло в основу разработки новых подходов по созданию элементов сенсорной техники и позволят прогнозировать необходимые параметры в процессе их изготовления. Предложено высокочувствительные сенсоры деформации, температуры, магнитного поля, что имеет важное значение для современной криоэлектроники, криоэнергетики, сенсорной микро- и наноэлектроники, а также устройства, изготовленные за счет сочетания технологий получения структур кремний-на-изоляторе и микрокристаллов кремния путем разработки новых подходов и конструктивно-технологических методов к формированию функциональных свойств приборов. Представлено чувствительный элемент акселерометра, что позволило реализовать как дискретный прибор, так и элемент интегрированных наноэлектромеханических систем со структурой кремний-на-изоляторе, который обеспечивает контроль перемещения с точностью 200 нм. На основе комплексного использования микрокристаллов кремния и структур кремний-на изоляторе созданы как дискретные элементы твердотельной электроники (индуктивные, емкостные элементы), так и комбинированные (колебательные контуры), которые реализуются по совмещенным технологиям. Конструкция колебательного контура предусматривает комбинацию элементов, которая состоит из нитевидного кристалла кремния с концентрацией легирующей примеси, что соответствует диэлектрической стороне перехода металл-диэлектрик и поликристаллического кремния в КНИ-структурах. The thesis is devoted to the solution of scientific and applied problems of development of elements of sensing equipment on the basis of silicon-on-insulator structures and silicon microcrystals doped with boron and nickel impurities. A comprehensive study of electrical properties of silicon-on-insulator structures and silicon microcrystals in a wide temperature range at direct and alternating currents, which is a prerequisite for the development of physical foundations of microelectronic sensors based on polycrystalline and needle-like silicon was conducted, and it was established that at cryogenic temperatures in the vicinity of helium ones, the conductivity changes abruptly over localized impurity levels. The study of the properties of poly-silicon layers in SOI structures by impedance analysis method (AC measurements) allowed for determining the effect of material dispersion on its low-temperature conductivity and for separating and identifying the contributions of various microstructure elements in the sample conductivity. In both the DC and AC cases the Mott law hopping conductivity in non-recrystallized poly-Si samples has been confirmed at low temperatures (4.2 – 30 K). A capacitive type of Nyquist plot in turn supported this assumption. In laser-recrystallized poly-Si layers the charge carrier transport is limited by grain barriers and corresponds rather to percolation type of conduction, obeying the Shklovskii-Efros law The physical models were proposed to describe the strain-induced and spin polarization effects in silicon microcrystals and SOI structures, which formed the basis for the development of new approaches to the fabrication of elements of sensing equipment, and will allow to predict the required parameters in a manufacturing process. The results of low-temperature studies of magnetization of silicon nanocrystals doped with boron and nickel impurities showed that at liquid helium temperatures the crystal conductance changes abruptly due to localization of impurity levels. The magnetic properties of crystals, the concentration of which corresponds to a dielectric and metal side of metal-insulator transition, subject to the percolation laws of the formation of magnetic clusters, that in turn is important for the development of devices that can be used in spintronics. A highly sensitive strain, temperature, magnetic field sensors were proposed, which are important for modern cryoelectronics, cryoelectronic storage, sensor micro- and nanoelectronics, as well as for the devices made by combining the techniques of silicon-on-insulator structures and silicon microcrystals fabrication through the development of new approaches and structural and technological methods for the formation of functional properties of devices. The developed sensing element of accelerometer made it possible to implement as a discrete device or an element of integrated nanoelectromechanical system based on silicon-on-insulator structure, which provides the displacement with precision of 200 nm. Based on the multipurpose use of silicon microcrystals and silicon-on-insulator structures, the discrete solid state elements (inductive, capacitive elements) and combined elements (oscillatory circuits) implemented by positioning technologies were developed. The design of the oscillatory circuit provides a combination of elements consisting of silicon whisker with a dopant concentration corresponding to the dielectric side of metal-insulator transition and polycrystalline silicon in SOI structures.Item Міцність і деформативність комбінованих металевих систем, об’єднаних у сумісну роботу зі залізобетонною плитою(Національний університет "Львівська політехніка", 2016) Вибранець, Юрій ЮрійовичДисертаційна робота присвячена вдосконаленню методики розрахунку, розробці програми та вивченню роботи комбінованих металевих шпренгельних систем, об’єднаних у сумісну роботу зі залізобетонною плитою різної форми. Проведені експериментальні дослідження зразків з різними типами монолітної плити – плоскою та ребристою в різних напрямках. Зазначено особливості роботи елементів на дію симетричного та несиметричного навантаження. Зафіксовано характер тріщиноутворення дослідних зразків, який показує процес їх руйнування. Збіжність теоретичних та експериментальних значень склала 85-95%. Виконано моделювання дослідних зразків за допомогою розробленого програмного комплексу. Дослідження комбінованих металевих шпренгельних систем, об’єднаних у сумісну роботу зі залізобетонною плитою, супроводжувалися проектуванням реальних конструкцій та впровадженням їх у будівництво. З використанням розроблених рекомендацій запроектовано конструкції прольотом від 6 до 18 м, які застосовано для будівель громадського призначення як при новому будівництві, так і при реконструкції. Диссертация посвящена совершенствованию методики расчета, разработке программы и изучению работы комбинированных металлических шпренгельных систем, объединенных в совместную работу с железобетонной плитой различной формы. Проведенные экспериментальные исследования образцов с различными типами монолитной плиты – плоской и ребристой в разных направлениях. Указано особенности работы элементов на действие симметричной и несимметричной нагрузки. Зафиксированный характер трещинообразования опытных образцов показывает процесс их разрушения. Сходимость теоретических и экспериментальных значений составила 85-95%. Выполнено моделирование образцов с помощью разработанного программного комплекса. Исследование комбинированных металлических шпренгельных систем, объединенных в совместную работу с железобетонной плитой, сопровождались проектированием реальных конструкций и внедрением их в строительство. С использованием разработанных рекомендаций запроектировано конструкции пролетом от 6 до 18 м, которые применены для зданий общественного назначения как при новом строительстве, так и при реконструкции. Во введении обоснована актуальность, новизна и практическое значение диссертационной работы, указана необходимость теоретических и экспериментальных исследований прочности и деформативности комбинированных металлических шпренгельных систем, объединенных в совместную работу с железобетонной плитой. В первом разделе рассмотрено развитие и применение сталежелезобетонных шпренгельных конструкций, выполнено обзор научных и нормативных источников, существующих методов и способов расчета. Существующие теоретические и экспериментальные наработки в этих направлениях позволили сформулировать основные задачи диссертационных исследований. Во втором разделе усовершенствована методика расчета перекрестно-ребристых и комбинированных шпренгельных систем, основанная на способе введения мнимых шарниров в характерных сечениях конструкции. В третьем разделе разработана программа экспериментальных исследований, проведено испытание опытных образцов и обработаны результаты. Для выполнения задач исследования были испытаны 3 опытных образца. Каждый образец состоял из двух идентичных металлических шпренгельных конструкций, по верху которых была залита монолитная железобетонная плита. В четвертом разделе представлены применения комбинированных металлических шпренгельных систем, объединенных в совместную работу с железобетонной плитой перекрытия при разработке проектов строительства и реконструкции зданий и сооружений. Результаты теоретических и экспериментальных исследований шпренгельных сталежелезобетонных конструкций, позволили применять конструкции данного типа в перекрытиях общественных зданий. В диссертационной работе приведены выводы по результатам теоретических и экспериментальных исследований. В приложениях представлены программа расчета параметров прочности и деформативности элементов комбинированных металлических шпренгельных систем, объединенных в совместную работу с железобетонной плитой, и справки о внедрении. The thesis is devoted to improving of calculation methods, program development and study of combined metal subdiagonal systems, composite with concrete plate of different shapes. Fulfilled experimental study of specimens with different types of monolithic plates – flat and smooth in different directions. Defined specific features of elements work under the action of symmetric and asymmetric loads. It is reported about crack formation character of prototypes that shows the process of destruction. The convergence of theoretical and experimental values was 85-95%. Modeling of prototypes fulfilled using developed software. The study of combined metal systems, composite with concrete plate, accompanied by the design and implementation of real structures. Using the developed recommendation, the structures with span from 6 to 18 m. where designed. These structures are used for public buildings, both new construction and the renovation.