CC BY
58
УДК 539.3
ПОДАВЛЕНИЕ ПРЕРЫВИСТОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
© А. А. Денисов, А.Е. Золотов, М. А. Желтов, А. А. Шибков
Ключевые слова: прерывистая деформация; электропластический эффект; полосы деформации; алюминий-магниевый сплав АМгб.
Экспериментально установлено, что пропускание постоянного тока плотностью более 10 А/мм2 через деформируемый образец алюминий магниевого сплава АМгб полностью подавляется полосы макролокализованной деформации и деформационные скачки на кривой нагружения.
ВВЕДЕНИЕ
Влияние электрического тока на пластическую деформацию металлов проявляется в известном электро-пластическом эффекте - увеличении пластичности металла электрическим током [1-10]. Этот эффект проявляется в резких сбросах деформирующего напряжения при пропускании импульсов тока плотностью до ~ 102-103 А/мм2 через образец, деформируемый с постоянной скоростью ¿0 в жесткой испытательной машине
[3, 8]. В результате интенсивных исследований элек-тропластического эффекта было разработано несколько его возможных механизмов: увлечение подвижных дислокаций электронами проводимости [2], локальный джоулев разогрев на дислокационных скоплениях [7], влияние пинч-эффекта [б, 7] и т. д. В настоящей работе обнаружен другой эффект влияния тока на кинетику пластической деформации, состоящий в подавлении скачкообразной деформации металла при пропускании тока через деформируемый образец.
МЕТОДИКА
Материалом исследования служил алюминий-магниевый сплав АМгб, проявляющий ярко выраженную прерывистую деформацию при комнатной температуре. Образцы сплава АМгб (А1 - 5,92 -
0,61 % Мп - 0,27 % Ее - 0,14 ) в форме
двухсторонних лопаток с размерами рабочей части бх 3x1,2 мм вырезали из холоднокатаного листа (в = 5). Для исследования влияния на скачкообразную деформацию структурных изменений, связанных с рекристаллизацией и выделением вторичной фазы, образцы отжигали в течение 1 часа в интервале температур Тап = 200-500 °С и закаливали на воздухе. Выше температуры ограниченной растворимости Тзг и 275 °С состав сплава представляет собой а-твердый раствор магния в алюминии с рекристаллзованной зеренной структурой и средним размером зерна около 10 мкм, а ниже Т3у, в двухфазной области, структура и состав сплава определяются процессами возврата, первичной рекристаллизации и выделения частиц вторичной Р (АуМ^)-фазы [11].
Через 1 час после термообработки образцы растягивали с постоянной скоростью роста напряжения (С&0 = 0,2 МПа/с) при комнатной температуре в мягкой
деформационной машине, описанной в [12]. Кривые деформирования регистрировали с помощью контактного цифрового индикатора смещения ID-C125 фирмы Mitutoyo с точностью 1 мкм и частотой 10 Гц.
Исследование динамики полос деформации проводили с помощью скоростной цифровой видеокамеры VS-FAST/G6 научно-производственной компании «Видеоскан». Для регистрации полос деформации на всей рабочей части образца поле зрения видеокамеры выбиралось 10x10 мм, что при скорости съемки 500 кадр/с и формате изображения 1204x1280 пикселей соответствует разрешению около 8 мкм/пиксель, т. е. размер пикселя примерно равен размеру зерна 10 мкм.
В ходе нагружения через образец пропускали электрический ток от источника постоянного тока H1000S24. Плотность тока варьировали от 5 до 30 А/мм2. Температуру образца измеряли дистанционно с помощью инфракрасного пирометра Testo 845. Измерение температуры производилось с локального участка площадью 1 мм2 поверхности образца, покрытого черной краской. Подробнее методика эксперимента и микроструктура материала исследования описаны в [11-13].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Искусственно состаренный сплав АМгб. Влияние внешнего воздействия на одиночный деформационный скачок удобнее исследовать в условиях, когда кривая нагружения содержит небольшое число, 2-3 скачка, включая последний скачок с разрывом. Такая ситуация имеет место для сплава АМгб, состаренного в течение 1 часа при температуре 250 °С, т. е. примерно на 25 °С ниже температуры ограниченной растворимости - температуры сольвус TSV и 275 °С и деформируемого с умеренной скоростью возрастания напряжения С&0 = 0,2 МПа/с, находящейся приблизительно в середине скоростного домена прерывистой деформации Савара-Массона с& ~10-3 +10 МПа/с при комнатной температуре.
£,%
Рис. 1. Кривые нагружения с одинаковой скоростью (о =
= 0,2 МПа/с) образцов сплава АМгб; состаренного в течении 1 часа при температуре 250 °С: 1 - без тока, 2 - с током 20 А (■ и 12 А/мм2), 3 - с током 50 А ( и 30 А/мм2). Стрелки указывают моменты включения и выключения постоянного тока
На рис. 1 представлена типичная кривая нагружения искусственно состаренного сплава, не обработанного током, ]\ = 0 (кривая 1). Как видно, она содержит два крупных скачка, первый амплитудой 5 % и второй (с разрывом) амплитудой около 3 %. Эту кривую нагружения сравнивали с кривыми нагружения образцов, обработанных постоянным током плотностью /2= 12 А/мм2 (кривая 2) и ]3 = 30 А/мм2 (кривая 3). Ток включали незадолго до момента появления первого скачка деформации (который должен произойти в отсутствии тока). Как видно из рис. 1, ток плотностью 12 А/мм2 сглаживает первый деформационный скачок, но не препятствует развитию последнего скачка деформации с разрывом амплитудой около 7 %. В то же время ток плотностью 30 А/мм2 выглаживает кривую нагружения вплоть до разрыва, оставляя некоторую волнистость на месте появления первого скачка при деформировании без тока (кривая 3).
Таким образом, постоянный электрический ток плотностью, по крайней мере, больше ~ 30 А/мм2 подавляет отдельные довольно крупные скачки деформации амплитудой 3-5 %. При этом образец нагревается не более, чем до 36 °С, т. е. на 15-16 °С. Этот эффект не может быть сведен только к тепловому эффекту, поскольку, как показано в [14], с ростом температуры испытания скачки исчезают при температуре больше 72 °С. Предположительно постоянный электрический ток препятствует образованию крупных статических дислокационных скоплений, разрядка которых провоцирует развитие макроскопической дислокационной лавины, вызывающей распространение деформационных полос, входящих в структуру деформационного скачка.
Рекристаллизованный сплав АМгб. Для исследования влияния тока на количество скачков, долю скачкообразной деформации удобно использовать рекри-сталлизованный сплав АМгб, полученный отжигом выше температуры сольвус Тзг. После отжига при 450 °С кривая растяжения сплава содержит обычно около десятка ступеней (рис. 2, кривая 1), причем пер-
вый скачок наблюдается примерно в середине (по напряжению) кривой нагружения при ст и 170 МПа. Действие постоянного тока плотностью 10-30 А/мм2 (который выглаживает скачки искусственно состаренного сплава) на рекристаллизованный сплав оказалось более сложным, чем на состаренный сплав.
На рис. 2 представлена кривая нагружения образца, по которому в ходе растяжения пропускают ток плотностью 20 А/мм2 (кривая 2). Количество скачков в результате действия тока уменьшилось с 10 до 7, в основном за счет подавления мелких скачков. Действительно, ток включили после первого скачка (отмечено первой стрелкой на рис. 2) и выключили при ст и 230 МПа.
На этом участке наблюдается два очень мелких скачка амплитудой ~ 0,1 %. После выключения тока через несколько секунд произошел скачок амплитудой 1,5%. После окончания скачка ток снова включили при ст и 240 МПа (стрелка III на рис. 2) до окончания процесса деформирования, т. е. до ств и 320 МПа. Однако на участке от 240 до 320 МПа в условиях воздействия тока плотностью 20 А/мм2 наблюдались ступени с возрастающей амплитудой (до 6 %) и продолжительностью плато.
Таким образом, в отличие от искусственно состаренного сплава пропускание постоянного тока плотностью 20 А/мм2 при растяжении рекристаллизованного сплава не подавляет прерывистый характер деформации сплава АМг6 за исключением очень мелких скачков. Известно, что в структуре искусственно состаренного сплава имеют место интерметаллидные частицы вторичной Р' и р (А12М^3)-фазы размерами 0,30,7 мкм, которые, являясь сильными стопорами (особенно частицы Р'-фазы), могут служить причиной формирования больших дислокационных скоплений. Концентрация поля плотности тока на более высокоомных частицах второй фазы может привести к локальному нагреву выше температуры сольвус при среднем перегреве на ~ 10 °С и, следовательно, к частичному или полному растворению этих частиц. Отсутствие сильных стопоров вызывает монотонный (не прерывистый) и макроскопический однородный характер пластической деформации.
є, %
Рис. 2. Кривые нагружения со скорость 0,2 МПа/с сплава АМгб, оттоженого в течение 1 часа при температуре 450 °С: 1 - без токового воздействия; 2 - в условиях действия постоянного тока плотностью 20 А/мм2. Стрелками I и III отмечены моменты включения тока, стрелкой II - выключение тока
В свежезакаленном от 450 °С сплаве АМгб включения вторичной фазы в виде частиц Р' и P-фазы отсутствуют, но имеют место самые ранние продукты распада -зоны Гинье-Престона 1 (ГП1), представляющие собой структуры кластеров атомов Mg, т. е. концентрационную волну с длиной волны 30-40 нм [15-18]. Зоны ГП1 подавляют поперечное скольжение дислокаций, способствуя образованию плоских дислокационных скоплений, но не оказывают дополнительного сопротивления электрическому току и, соответственно, не локализуют джоулево тепло. По крайней мере, за время активного деформирования под током растворение зон ГП1 не происходит.
Для подавления прерывистой деформации рекри-сталлизованного сплава АМгб схему нагружения изменили, включив в нее участок ползучести ст = const (рис. 3). На участке ОА образец деформировали с постоянной скоростью прироста напряжения ст0 = 0,2 МПа/с.
После появления первого скачка в точке А испытательную машину переводили в режим ползучести ст0= 0
выключением подачи воды в систему нагружения и включали постоянный ток плотностью 12 А/мм2. Через 5-7 минут испытания на ползучесть с током в точке В машину переводили вновь в режим активного нагружения с прежней скоростью. На сравнительно большом участке кривой деформирования ВС (от 5 до 15 %) кривая нагружения носила монотонный характер (без скачков). Затем - участок CD - ток выключали, кривая нагружения вновь приобретала ступенчатый характер -появлялись два крупных скачка амплитудой 2-3 %. Включение тока в момент времени D на последнем плато, однако, не подавляет последнего скачка амплитудой и 10 %. Таким образом, обработка сплава постоянным током в режиме ползучести при напряжении вблизи напряжения появления первого скачка стс способно эффективно подавлять прерывистую деформацию на значительной части кривой нагружения.
Рис. 4. Совмещение кривых нагружения в координатах є - ст рекристализованных сплавов АМг6: 1 - необработанного током; 2 - обработанного током по схеме на рис. 3. Точка А соответствует режиму ползучести
На рис. 4 совмещены кривые нагружения в координатах є - ст для необработанного током рекристаллизо-ванного образца сплава АМг6 (кривая 1) и обработанного током плотностью 12 А/мм2 с участком ползучести по схеме на рис. 3. Видно, что после токовой обработки на участке ползучести в ходе дальнейшего активного нагружения включение тока подавляет скачки деформации, а при выключении тока скачки появляются вновь. Из-за малой плотности тока пластификация сплава током не наблюдается. Действие столь малого тока сводится только к подавлению прерывистой деформации.
Наконец, на рис. 5 представлен основной результат настоящей работы: при схеме нагружения, соответствующей рис. 3, и непрерывном пропускании тока плотностью 20 А/мм2 вплоть до разрушения наблюдаются гладкие (без скачков) кривые нагружения (кривая 2) с небольшим пластифицирующим эффектом: гладкая кривая 2 смещена вверх (в сторону больших деформаций) по сравнению со ступенчатой кривой нагружения образца без тока.
Рис. 3. Нагружение образца со ступенчатым переключением скорости нагружения: на участках 0А и ВР о = 0,2 МПа/с , а
на участке АВ о 0 = 0. Стрелки вверх обозначают включение постоянного тока 30 А, стрелки вниз - выключение тока
Рис. 5. Сравнение кривых нагружения рекристаллизованного сплава АМгб, обработанного постоянным током плотностью 20 А/мм2 (кривая 1) и сплава, обработанного с участком ползучести по схеме на рис. 3 (кривая 2)
Таким образом, экспериментально установлено, что постоянный ток плотностью больше ~20 А/мм2 полностью подавляет прерывистую деформацию сплава АМгб.
Скачки пластической деформации обусловлены зарождением и распространением полос макролокализо-ванной деформации. На основе данных высокоскоростной видеосъемки показано, что фактически вся деформация на фронте скачков осуществляется полосами деформации, что позволяет свести исследования прерывистой деформации к изучению динамики и морфологии деформационных полос [19]. Установлено, что пропускание постоянного тока плотностью ~ 10 А/мм2 подавляет прерывистую деформацию, а следовательно, и полосы макролокализованной деформации. Скоростная видеосъемка показывает, что на всей гладкой кривой нагружения полосы действительно не наблюдаются, за исключением стадии предразрушения за ~ 0,3 с до развития магистральной трещины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Троицкий О.А., Лихтман В.И. Об анизотропии действия электронного и у-облучения на процесс деформации монокристаллов цинка в хрупком состоянии // Докл. АН СССР. 19б3. Т. 148. С. 332-334.
2. Кравченко В.Я. Воздействие направленного потока электронов на движущиеся дислокации // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 19бб. Т. 51. С. 1б7б-1б81.
3. Предводителев. А.А., Троицкий О.А. Дислокации и точечные дефекты в гексагональных металлах. М.: Атомиздат, 1973. 198 с.
4. Троицкий О.А. Электропластический эффект в металлических кристаллах, деформируемых в пучке электронов // ФТТ. 1971. Т. 13. С. 185-187.
5. Старцев В.И., Ильичев В.Я., Пустовалов В.В. Пластичность и прочность металлов и сплавов при низких температурах. М.: Металлургия, 1975. 37б с.
6. Троицкий О.А. Соотношение теплового, пондеромоторного и электронно-пластического эффектов в цинке // Докл. АН СССР. 1980. Т. 251. С. 400-403.
7. Спицын В.И., Троицкий О.А. Моделирование теплового и пинч-действия импульсного тока на пластическую деформацию металла // Докл. АН СССР. 1975. Т. 220. С. 1070-1073.
8. Громов В.Е., Зуев Л.Б., Козлов Э.В., Целлермайер В.Я. Электро-стимулированная пластичность металлов и сплавов. М.: Недра, 199б. 290 с.
9. Батаронов И.Л., Бабенко Т.А., Рощупкин А.М. О линейном отклике дислокационного ансамбля на импульсное воздействие // Известия РАН. Серия физическая. 1997. Т. б1. № 5. С. 877.
10. Roshchupkin A.M., Bataronov I.L. Physical basic of the electroplastic deformation of metals // Russian Physics Journal. 1996. V. 39. № 3. P. 230.
11. Шибков А.А., Мазилкин А.А., Протасова С.Г. и др. Влияние со-
стояния примесей на скачкообразную деформацию сплава АМгб // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 5. С. 24-32.
12. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А. и др. Комплекс in situ методов исследования скачкообразной пластической деформации металлов // Завод. лаб. 2005. Т. 71. № 7. С. 20-27.
13. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А. и др. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Изв. РАН. Сер. Физ. 2006. Т. 70. № 9. С. 1372-1376.
14. Шибков А.А., Мазилкин А.А., Протасова С.Г. и др. Влияние выделений вторичной фазы на скачкообразную деформацию алюминиево-магниевого сплава АМг6 // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 6. С. 12-17.
15. Шуклинов А.В. Структурно'-чувствительные переходы между скачкообразной и устойчивой пластической деформацией сплавов Al-Mg: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Тамбов: ТГУ им. Державина, 2006. 140 с.
16. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978. 392 с.
17. Miyazaki T., Takagishe S., Mori H., Kozakai T. The phase decomposition of the of Fe-Mo binary alloys by spinodal mechanism // Acta Metall. 1980. V. 28. P. 1143-1153.
18. Устиновщиков Ю.И. Выделение второй фазы в твердых растворах. М.: Наука, 1988. 172 с.
19. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. Акустический предвестник неустойчивой пластической деформации алюминий-магниевого сплава АМг6 // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 11. С. 2223-2231.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», рег. номер проекта 2.1.1/2747.
Поступила в редакцию 30 ноября 2010 г.
Denisov A.A., Zolotov A.Ye., Zheltov M.A., Shibkov A.A. Depression of jerky deformation of metal by electric current
It is experimentally established that the passing constant electric current through deformed sample of aluminum-magnesium AMg6 alloy depresses completely the bands of macrolocalized deformation and deformation jumps in loading curve.
Key words: jerky flow; electroplastic effect; deformation bands; aluminum-magnesium AMg6 alloy.
