CC BY
87
Вестник Челябинского государственного университета. 2010. № 12 (193). Физика. Вып. 7. С. 21-24.
Д. В. Загуляев, С. В. Коновалов, В. Е. Громов
ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО АЛЮМИНИЯ А85 В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ1
В статье приведены результаты экспериментальных исследований влияния импульсного магнитного поля (в = ЗSG мТл) на микротвердость технически чистого алюминия AS5. Показана зависимость микротвердости от времени после импульсной обработки магнитным полем. Предложен физический механизм влияния импульсного магнитного поля на микротвердость.
Ключевые слова: импульсное магнитное поле, технически чистый алюминий А85, микротвердость, релаксация.
Одной из фундаментальных проблем физики твердого тела является взаимодействие поля с веществом. В литературе давно и подробно рассматриваются влияния электрических и магнитных полей на физические и механические свойства металлов, обсуждаются явления, связанные с полевым воздействием на материалы [1]. Однако вопрос о возможном влиянии магнитного поля на механические свойства немагнитных поликристаллов долго не ставился. Это было связано с очевидными, казалось бы, соображениями общего характера. Реальный кристалл всегда содержит дислокации и примесные центры. Энергия, сообщаемая полем В ~ 1 Тл одному парамагнитному центру (примесному дефекту или электрону, локализованному на дислокации), составляет AU ~ цв5 ~ 1G-4 эВ (цв — магнетон Бора), что на три порядка ниже, чем кТ при Т = 300 К. Отсюда следует, что влияния такого поля на физические, и в особенности механические, свойства немагнитных кристаллов ожидать не приходится [2]. Между тем работы последнего двадцатилетия подвергли указанное мнение принципиальному пересмотру.
Группой ученых во главе с профессором В. И. Альшицем в 19S7 г. был обнаружен магнитопластический эффект [З]. Было установ-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт № П411).
лено перемещение дислокаций под действием постоянного магнитного поля В < 1 Тл в кристаллах №С1 в отсутствии механических нагружений.
Ранее авторами выполнялись исследования ползучести поликристаллического алюминия в постоянном магнитном поле [5; 7].
Целью настоящей работы являлось исследование влияния импульсного магнитного поля на микротвердость поликристаллического алюминия.
Материалы и методика
В качестве материала для исследований был выбран технически чистый алюминий А85, физические, механические и электрические свойства которого обусловливают его применение практически во всех областях техники.
В работе использовалось 10 партий образцов в форме параллелепипеда высотой 2 см и размерами основания 1*1 см . Они предварительно отжигались при 773 К в течение 2 ч с последующим охлаждением в печи и механически полировались.
В качестве источника импульсного магнитного поля была использована магнитоимпульсная установка (МИУ 10/30), принцип действия которой состоит в разряде предварительно заряженной батареи конденсаторов (в нашем случае запасенная энергия Ж при и = 1 кВ составляла 300 Дж) на индуктор. В качестве индуктора использовался круговой виток, изготовленный
из медной шины с поперечным сечением 10 мм2 и внутренним диаметром S = 0,03 м.
Измерения микротвердости проводились с помощью микротвердомера ПМТ-3. Микротвердость анализировалась в следующих случаях: без воздействия магнитного поля, сразу после импульса магнитного поля и по прошествии определенных интервалов времени. Полученные по 15 измерениям результаты статистически обрабатывались в соответствии с [6].
Количественно эффект влияния магнитного поля характеризовался относительным изменением микротвердости Ш - Ш0
б = •
где HV — значение микротвердости образца, подвергнутого импульсу магнитного поля, HV0 — исходное значение микротвердости.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Полученные в работе экспериментальные данные показывают уменьшение микротвердости алюминия после импульсной обработки магнитным полем (В = 0,3 Тл).
Характерные зависимости относительного изменения микротвердости от времени, прошедшего после обработки различным числом импульсов магнитного поля N (время между импульсами составляло 4 с), представлены на рис. 1. Из анализа графиков видно, что эффект влияния импульсного магнитного поля на микротвердость носит обратимый характер, причем релаксация происходит по закону б ~ а-е-1х, где I — время, прошедшее после импульсной обработки образца магнитным полем, а — постоянная, зависящая от количества импульсов и характеризующая начальный эффект влияния импульсного магнитного поля, т — коэффициент, характеризующий время релаксации, т. е. время, за которое микротвердость достигает своего начального значения (т = 4,16 часа). Установлено, что постоянная а неоднозначно зависит от N наибольшее значение наблюдается при обработке одним импульсом — 8,9 %, наименьшее — при обработке двумя, а =
= -3,4 %. Графики зависимостей а(Ы) и т(Ы) приведены на рис. 2.
Интересно отметить, что время полной релаксации зависит от начального эффекта влияния магнитного поля линейно (рис. 3) согласно уравнению т = -0,6642 •а.
Выполненные при другой температуре (Т = 353 К) исследования влияния магнитного поля свидетельствуют о неизменности закона релаксации. Релаксация микротвердости при повышенной температуре происходит за время, в 2 раза меньшее, т становится равным 0,91 ч.
Все вышесказанное позволяет предположить стимулирование магнитным полем движения дислокаций. Это может происходить за счет открепления дислокаций от точечных препятствий под действием импульсного магнитного поля. Данное явление происходит в результате спин — зависимых переходов в системе «точечный дефект — ядро дислокации» с последующим движением дислокаций в поле дальнодей-ствующих внутренних напряжений в кристалле [4]. При повышенных температурах (когда пластичность контролирует сила Пайерлса) релаксация происходит быстрее в связи с «зависанием» дислокаций на атомах примесей [11].
Если предположить, что дислокация обладает собственным магнитным моментом, то при помещении образца в магнитное поле при взаимодействии магнитного момента дислокации с ним изменяется энергия дислокации [9]. В результате этого происходит понижение локальных барьеров за некоторое характерное время, а число дислокаций п, способных их преодолеть, возрастает и становится согласно [10]
равным
п = п0 ехр
кТ
(
и -
а РтВ ММ 0
где Рт — магнитный момент дислокации; а, п0 — константы; В — индукция магнитного поля, и — потенциальный барьер, ц — магнитная проницаемость среды, ц0 — магнитная постоянная. Это приводит к перераспределению и изменению локальной плотности дислокаций и, как следствие, изменению микротвердости.
Рис. 1. Зависимость относительного изменения микротвердости А1 от времени после импульсной обработки магнитным полем: количество импульсов:
а) 1; б) 3; в) 2
Рис. 2. Зависимость начального эффекта влияния импульсного магнитного поля (а) и времени полной релаксации (б) от числа импульсов
Таким образом, одним из возможных механизмов влияния импульсного магнитного поля на микротвердость поликристал-лического алюминия является стимулирование движения дислокаций, что совпадает
с механизмом влияния магнитного поля на монокристаллы алюминия [11]. Для однозначного выяснения физической природы влияния импульсных магнитных полей необходимо проведение прецизионных
т(ч)
Рис. 3. Зависимость времени полной релаксации от начального эффекта влияния магнитного поля
исследований по формированию и эволюции дислокационных субструктур, в том числе методами просвечивающей электронной микроскопии.
Список литературы
1. Головин, Ю. И. Магнитопластичность твердых тел : обзор / Ю. И. Головин // ФТТ. 2004. № 5. С. 769-803.
2. Урусовская, А. А. Эффекты магнитного воздействия на механические свойства и реальную структуру немагнитных кристаллов / А. А. Урусовская и [др.] // Кристаллография. 2003. № 5. С. 855-872.
3. Альшиц, В. И. О движении дислокаций в кристаллах NaCl под действием постоянного магнитного поля / В. И. Альшиц [и др.] // ФТТ. 1987. № 2. С. 467-471.
4. Альшиц, В. И. «In situ» изучение магнитопластического эффекта в кристаллах NaCl методом непрерывного травления /
В. И. Альшиц, Е. В. Даринская, Е. А. Петр-жик // ФТТ. 1991. №10. С. 3001-3009.
5. Альшиц, В. И. Магнитопластический эффект в монокристаллах алюминия / В. И. Аль-шиц, Е. В. Даринская, Е. А. Петржик // ФТТ. 1992. Т. 34, № 1. С. 155-158.
6. Зажигаев, Л. С. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента / Л. С. Зажигаев, А. А. Кишьян, Ю. И. Ро-маников. М. : Атомиздат, 1978. 232 с.
7. Загуляев, Д. В. Влияние воздействия слабого магнитного поля на скорость ползучести металлов / Д. В. Загуляев, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Изв. вузов. Черная металлургия. 2009. № 2. С. 50-51.
8. Загуляев, Д. В. Ползучесть поликри-сталлического А1 в постоянном магнитном поле / Д. В. Загуляев, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Вестн. Челяб. гос. ун-та. 2009. № 24. С. 49-53.
9. Мазанко, В. Ф. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций : в 2 т. Т. 2 /
B. Ф. Мазанков, А. В. Покоев, В. М. Миронов. Самара : Самар. гос. ун-т, 2006. 319 с.
10. Изгодин, А. К. Исследование прочностных свойств ферромагнитного сплава Бе-8ьА1 в магнитном поле / А. К. Изгодин, Г. А. Шипко // ФММ. 1983. Т. 56, Вып. 6.
C.1227-1230.
11. Штремель, М. А. Прочность сплавов. Дефекты решетки : учеб. для вузов : в 2 ч. Ч. 1 / М. А. Штремель. М. : МИСИС, 1999. 384 с.
