CC BY
38
УДК 539.87
ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ АЛЮМИНИЯ А 85 ПОД ВЛИЯНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
С.А. Невский, С.В. Коновалов, В.Е. Громов
Изучено поведение параметров процесса релаксации напряжений технически чистого алюминия А 85 при температурах 296 и 333 К в условиях влияния слабых электрических потенциалов. Установлено, что наложение потенциала на поверхность алюминия, подвергаемого испытанию на релаксацию, приводит к изменению её параметров.
Ключевые слова: алюминий, релаксация напряжений, активационный объем.
Введение
В последние годы не ослабевает интерес ученых в области физического материаловедения и физики конденсированного состояния к проблеме влияния различного рода электромагнитных полей на прочность и пластичность материалов. Это обусловлено как чисто научными, так и практическими аспектами влияния внешних энергетических воздействий. К настоящему времени установлено влияние импульсного электрического тока и электростатических полей на пластическую деформацию металлов [1-3]. Воздействие электростатического поля хорошо изучено в диэлектрических кристаллах. В случае металлов исследование влияния электростатических полей усложняется, так как свободные носители заряда экранируют полевое воздействие. В [2] предложен способ обойти указанное препятствие путем помещения образца в диэлектрическую оболочку. Авторы [4-6] считают, что в данном случае выгоднее всего изменять электрический потенциал поверхности металла. В их работах показано, что изменение потенциала поверхности образца, подвергаемого испытанию на ползучесть, изменяет ее скорость [4] и снижает вязкость разрушения [5, 6]. Недостатком данных работ является то, что они охватывают только один вид пластической деформации - ползучесть. Для построения полной картины влияния электрических потенциалов на неактивные виды пластической деформации необходимо проведение исследования релаксации напряжений. В этой связи целью исследования является изучение изменений параметров процесса релаксации под влиянием электрического потенциала.
Материал и методика эксперимента
Исследования выполнены на образцах технически чистого алюминия А 85, которые после изготовления подвергались отжигу при 773 К в течение 2-х часов для снятия внутренних напряжений. Испытания образцов проводили на деформационной машине с программным обеспечением [7], позволяющим записывать релаксационные кривые. В течение испытания образец подвергается нагреву до определенной температуры при помощи специально сконструированной под размер образца нагревательной печи. Контроль температуры испытаний осуществлялся термопарой. Как и в работах [4-6] электрический потенциал в диапазоне от-1,5 В до +1,5 В подводился к образцу от стабилизированного источника питания при его электрической изоляции от элементов испытательной установки.
Из полученных релаксационных кривых по методикам [8, 9] вычислялись параметры процесса релаксации напряжений: активационный объем у и коэффициент чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения т.
Эффект влияния электрического потенциала оценивался величинами относительного изменения активационного объема С, и коэффициента чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения 2,, определяемыми по формулам:
^ = 1^1о, (1)
Уо
(2)
то
где уе/, те1 - значения активационного объема и коэффициента чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения при наложении электрического потенциала, а уо и т0 - без него соответственно.
Результаты эксперимента и их обсуждения
На рис. 1, а приведены характерные графики зависимости глубины релаксации Дст от времени / при температуре 296 К, что совпадает с общепринятыми представлениями о протекании процесса в таких условиях [10]. Видно, что при наложении потенциала происходит ускорение релаксации напряжений.
Рис. 1, б демонстрирует графики зависимости Да от / при 333 К. Как и на рис. 1, а кривые 1 и 3 получены при (р — ±1 В, а кривая 2 - при (р = 0 В. Видно, что кривые расположены друг к другу достаточно близко, следовательно, при температуре больше 333 К эффект влияния потенциала незначителен.
Рис. 1. Изменение глубины релаксации от времени испытания в обычных условиях (кривая 1), при потенциале поверхности -1 В (кривая 2) и +1 В (кривая 3).
Температура испытания: а) 296 К, б) 333 К
Такое поведение процесса релаксации под воздействием потенциала при различных температурах не может не отразиться на его параметрах: активационном объеме у и коэффициенте чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения т.
Зависимости относительных изменений этих параметров С, и £ представлены на рис. 2 и 3, из которых следует, что при 296 К величины ^ и £; при наложении потенциала уменьшаются вне зависимости от его знака (кривая 1). При температуре 333 К наблюдается возрастание £ и ^ (кривая 2). Различие между левой и правой ветвями графика 2 обусловлено, по-видимому, статистическим разбросом.
Качественно объяснить причины влияния слабых электрических потенциалов на релаксацию напряжений при различных температурах можно исходя из следующих представлений. Изменение электрического потенциала образца приводит к тому, что избыточный заряд сосредотачивается на его поверхности. Следовательно, изменение параметров процесса релаксации можно связать с явлениями, происходящими на поверхности металла.
Рис. 2. Зависимость относительного изменения активационного объема от величины электрического потенциала при температуре 296 К (кривая 1), 333 К (кривая 2)
Рис. 3. Зависимость коэффициента чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения от потенциала при температуре 296 К
(кривая 1), 333 К (кривая 2)
При температуре 296 К, по-видимому, проявляется явление аналогичное обнаруженному в [11]. Его суть заключается в том, что при применении поверхностно-активных веществ в процессах обработки металлов давлением происходит сосредоточение пластической деформации в поверхностных слоях материала. В нашем случае, скорее всего, наложение электри-
ческого потенциала на образец приводит к синергетической перестройке дислокационных ансамблей в поверхностных слоях материала [12].
Эффект увеличения активационного объема под воздействием электрического потенциала при 333 К можно связать с эффектом описанным в работе [13]. Суть этого явления заключается в том, что приложение электрического поля при изотермической выдержке увеличивает твердость материалов и, соответственно, уменьшает релаксационную податливость материала [14]. Однако для подтверждения или опровержения выдвинутых предположений необходимо проведение дополнительных исследований с привлечением современных методов материаловедения и физики конденсированного состояния.
Выводы
1. Установлено влияние электрического потенциала на параметры релаксации напряжений при температурах 296 и 333 К. При 296 К активационный объем и коэффициент чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения уменьшаются, а при 333 К увеличиваются вне зависимости от его знака.
2. Сделано предположения о связи установленных изменений с явлениями, происходящими на поверхности металла.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 гг.» (гос. контракт № П411).
Литература
1. Electromagnetic fields effect on the structure and characteristic of materials (Book of the International seminar articles, 19-21 May 2009, Institute for Machines Science of the Russian Academy of Sciences Moscow) / Ed. By Yu. Baranov, V. Gromov, G. Tang. - Novokuznetsk: Novokuznetsk Poli-graphic Center, 2009. - 380 p.
2. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства): в 2 т. / О.А. Троицкий, Ю.В. Баранов, Ю.С. Аврамов, А.Д. Шляпин. -Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. - Т. 1. - 590 с.
3. Зуев, Л.Б. Физика электропластичности щелочно-галлоидных кристаллов / Л.Б. Зуев. -Новосибирск: Наука, 1990. - 120 с.
4. О влиянии электрического потенциала на скорость ползучести алюминия / С.В. Коновалов, В.И. Данилов, Л.Б. Зуев и др. // ФТТ. - 2007. - Т. 49. - Вып. 8. - С. 1389-1391.
5. Влияние электрического потенциала на поверхность разрушения алюминия при ползучести / Ю.Ф. Иванов, С.В. Коновалов, О.А. Столбоушкина, В.Е. Громов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». - 2009. - Вып. 1. - № 22(155). - С. 66-71.
6. Роль электрического потенциала в ускорении ползучести и формировании поверхности разрушения А1 / С.В. Коновалов, Ю.Ф. Иванов, О.А. Столбоушкина, В.Е. Громов //Известия РАН. Серия физическая. - 2009. - Т. 73, № 9. - С. 1315-1318. (863124)
7. Автоматизированная установка для регистрации и анализа ползучести /С.В. Коновалов, В.И. Данилов, Л.Б. Зуев и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2007. - Т. 73, №8.-С. 64-66.
8. Dotsenko, V.I. Stress relaxation in crystals / V.I. Dotsenko // Physica Status Solidi (b). - 1979. -V. 93.-P. 11-43.
9. Количественные параметры быстрой релаксации напряжений в гранулированном высокопрочном алюминиевом сплаве / В.Ф. Гайдученя, Э.Б. Калмыков, В.В. Мишакин, В.А. Скуднов //ФММ.- 1988.-Т. 65.-Вып. 8.-С. 1186-1190.
10. Борздыка, А.М. Релаксация напряжений в металлах и сплавах / А.М. Борздыка, Л.Б. Ге-цов. - М.: Металлургия, 1978. - 256 с.
11. Лихтман, В.И. Физико-химическая механика металлов / В.И. Лихтман, Е.Д. Щукин, П.А. Ребиндер. - М.: Издательство АН СССР, 1962. - 303 с.
12. Малыгин, Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов / Г.А. Малыгин // Успехи физических наук. - 1999. - Т. 169, № 9. - С. 979-1010.
13. Клыпин, А.А. Структура и свойства сплавов при воздействии электрического поля / А.А. Клыпин // МиТОМ. - 1979. -№ 3. - С. 12-15.
14. Ровинский, Б.М. Температурная зависимость параметров релаксации напряжений в металлах и сплавах / Б.М. Ровинский, Г.С. Воротников // Механизмы релаксационных явлений в твердых телах: сб. науч. тр. / Институт металлургии им. А.А. Байкова. - М.: Наука, 1972. - 296 с.
Поступила в редакцию 14 апреля 2010 г.
CHANGE OF PARAMETERS OF STRESS RELAXATION OF ALUMINUM A 85 UNDER INFLUENCE OF ELECTRICAL POTENTIAL AT VARIOUS
TEMPERATURES
The behavior of parameters of the stress relaxation process of commercially pure aluminum A 85 is researched at temperatures 296 and 333 К under conditions of influence of weak electric potentials. It is established that superimposition of potential on a surface of the aluminum tested on relaxation leads to change of its parameters.
Keywords: aluminum, stress relaxation, activation volume.
Nevsky Sergey Andreevich is a postgraduate student of the Physics Department, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk.
Невский Сергей Андреевич - аспирант кафедры физики, Сибирский государственный индустриальный университет, г.Новокузнецк.
e-mail: nevskiy_sa@physics.sibsiu.ru
Konovalov Sergey Valerievich is a Cand.Sc. (Engineering), associate professor of the Physics Department, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk.
Коновалов Сергей Валерьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры физики, Сибирский государственный индустриальный университет, г.Новокузнецк.
e-mail: konovalov@physics.sibsiu.ru
Gromov Victor Evgenievich is Dr.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Physics Department, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk.
Громов Виктор Евгеньевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.
e-mail: gromov@physics.sibsiu.ru
