CC BY
21
УДК 539.87
РЕЛАКСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ АЛЮМИНИЯ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
© 2010 г. С.А. Невский, С.В. Коновалов, В.Е. Громов
Сибирский государственный индустриальный университет, Siberian State University of Industry,
ул. Кирова, 42, г. Новокузнецк, Кемеровская обл., 654007, Kirov St., 42, Novokuznetsk, Kemerov Region, 654007,
[email protected]. su [email protected]. su
Исследовано изменение характеристик релаксации напряжений алюминия при подключении разнородных металлов: циркония, свинца, титана, железа и меди. Показано, что подключение металлов оказывает различное влияние на характеристики релаксации напряжений. Подключение меди увеличивает скорость релаксации и уменьшает активационный объем, а присоединение свинца снижает скорость релаксации. Сделано предположение о связи установленных изменений с явлениями, происходящими на поверхности металлов. Возможно, что имеет место явление, аналогичное эффекту Ребиндера.
Ключевые слова: алюминий, релаксация напряжений, средняя скорость релаксации, активационный объем.
The change of characteristic of stress relaxation at connected of various metals (Zr, Pb, Ti, Fe and Cu) are researched. It is shown that connection of metals makes various impact on stress ^laxation characteristics. The connected of cooper increase stress relaxation rate and reduces of activation volume. Lead connection reduces a stress relaxation rate. The guess of communication of the established changes with the phenomena occurring on a surface of metals is made. Probably that the phenomenon similar to a Rehbinder effect takes place.
Keywords: aluminium, stress relaxation, average speed of a relaxation, activation volume.
Несмотря на длительное время исследования влияния внешних электрических воздействий на процессы пластической деформации материалов, а также большие успехи, достигнутые физическим материаловедением и физикой конденсированного состояния, неко-
торые вопросы остаются еще нерешенными. К одному из них относится выяснение роли влияния электрических воздействий на общий характер и кинетику протекания пластической деформации, особенно воздействие слабыми электрическими потенциалами.
Анализ литературных данных свидетельствует о специфическом влиянии электрического потенциала и подключения металлов с иной работой выхода на скорость ползучести и микротвердость технически чистого алюминия [1 - 4]. В указанных работах показано, что при подключении к алюминиевому образцу пластин циркония и никеля ползучесть ускоряется, а при подключении меди и свинца - замедляется. Релаксация напряжений по сравнению с ползучестью в условиях слабых электрических воздействий практически не исследована. В этой связи целью работы является изучение влияния подключения разнородных металлов на характеристики релаксации напряжений.
Материал и методика эксперимента
Исследования выполнены на образцах технически чистого алюминия А 85, которые для снятия внутренних напряжений подвергались отжигу при температуре 773 К в течение 2 ч. Испытания на релаксацию напряжений в условиях сжатия проводились на деформационной машине с автоматической регистрацией усилий во времени. При достижении напряжения с0 = 57 ± 0,5 МПа со скоростью деформирования 0,002 с-1 нагружение прекращалось, и далее регистрировался спад нагрузки в процессе релаксации напряжений. Как и в работах [14], к испытуемому образцу подключались пластины Zr, Pb, Fe, Си.
В процессе исследования анализировались изменения средней скорости релаксации и активационного объема. Средняя скорость релаксации рассчитывалась по формуле 3 = Дст/Д/, где Дст = с-а0 - падение напряжений; Д/ - время испытания [5], которое в наших исследованиях составляло 1800 с. Активаци-онный объем определялся по методике [6], исходя из уравнения Аррениуса и соотношения между скоростью спада напряжений и скоростью пластической деформации:
s = s0 exp
kT
(1)
лить по формуле у = kT -
Act
Эффект влияния слабых потенциалов характеризовался величинами относительных изменений данных параметров 8 и ^, определяемых по формулам
8 = {3^-3, )/30 , (4)
С = {/,-Го )/Го , (5)
где 3 и у - значения средней скорости релаксации и активационного объема при воздействии; 30 и у0 -в обычных условиях.
Результаты эксперимента и их обсуждение
На рис. 1 приведены типичные кривые релаксации напряжений, полученные в обычных условиях (кривая 1), при подключении свинца (кривая 2) и меди (кривая 3). При подключении металлов с иной, чем у алюминия, работой выхода глубина релаксации изменяется.
59 57 55 53 51 49 47 45 43
а, МПа
800 1000
1200 1400
t,c
Рис. 1. Типичные релаксационные кривые в обычных условиях (1); при подключении Pb (2); Cu (3)
Аппроксимация методом наименьших квадратов показала, что полученные кривые подчиняются уравнению (6) с коэффициентом корреляции 0,997:
a(t) = (a + btc)-
(6)
сг = -МГ , (2)
где е - скорость пластической деформации; еа - пре-дэкпоненциальный множитель; и - энергия активации; у - активационный объем; сг - скорость спада напряжений; ст* - эффективное напряжение (ст* = ст-ст^, где с - текущее напряжение; ст^- - атермическая компонента напряжения); к - постоянная Больцмана; Т - температура. Подставляя (2) в (1) и логарифмируя, получим *
1п(-ст) = УС— + С, (3)
кТ
где С = 1п(М^о) - и .
кТ
Из соотношения (3) следует, что если построить релаксационные кривые в координатах 1п(-сг) - ст*, то значение активационного объема можно опреде-, Д 1п(-сг)
где а, Ь, с - некоторые параметры; параметры Ь и с зависят от подключаемых металлов, а параметр а не зависит от них и принимает значение, равное 1,75 10-8 Па-1, его можно связать с начальным напряжением, как а = 1/ст0 .
Такое поведение релаксационных кривых отражается на характеристиках процесса релаксации: средней скорости релаксации и активационном объеме. На рис. 2 приведены зависимости относительных изменений средней скорости релаксации 8 и активационного объема С, от контактной разности потенциалов. Зависимости носят немонотонный характер. При подключении свинца и железа 8 принимает минимальные значения, а при подключении циркония и меди идет ее увеличение. Минимальное значение ^ наблюдается при подключении меди.
Качественное объяснение полученных фактов может быть следующим. Как известно, при низких температурах (для А1 Т < 400 К) пластическая деформация осуществляется за счет дислокационного скольжения, блокированного препятствиями, которые преодолеваются дислокациями с помощью термических флуктуаций. Активационный объем этого процесса определяется как у = ЪЛ1, где Ь - вектор Бюргерса (для А1 Ь = 0,286 нм); ё - поперечник локального стопора; I ~ р-1/2 - длина дислокационной петли; р -плотность дислокаций [7]. Оценим величину плотно-
41
0
сти дислокаций и частоты колебаний дислокационного сегмента г0 = увЬ^р [8], где vD = 1012 Гц - частота Дебая. Для этого предположим, что d ~ Ь, тогда l ~ у/Ь2, соответственно р ~ Ь4/у2 и у0 = увЬ /у. Значения р и v0 приведены в таблице.
Рис. 2. Зависимости относительных изменений средней скорости релаксации от контактной разности потенциалов (а) и активационного объема (б)
Видно, что при подключении металлов (кроме Zr) плотность дислокаций и частота колебаний дислокационного сегмента увеличивается. Однако, как уже указывалось выше, средняя скорость релаксации при подключении железа и свинца уменьшается, что говорит о сложном характере процесса релаксации при подключении металлов.
Сопоставление результатов нашей работы с данными [1 - 4] показывает, что при подключении меди средняя скорость релаксации алюминия увеличивается, а активационный объем уменьшается, тогда как в [1- 4] отмечено, что скорость ползучести алюминия уменьшается и, соответственно, увеличивается его микротвердость. Такое отличие, по-видимому, объясняется тем, что ползучесть и релаксация напряжений протекают по различным механизмам.
Поступила в редакцию_
Подключение к образцу металлов с иной работой выхода приводит к возникновению контактной разности потенциалов, в результате чего меняется электронная плотность на поверхности образца. Следовательно, изменение характеристик релаксации напряжений можно связать с явлениями, происходящими в поверхностных слоях материала.
По-видимому, имеет место явление, аналогичное обнаруженному в работе [9]. Однако для установления этого факта необходимо проведение исследований с привлечением прецезионных методов физики конденсированного состояния.
Изменение плотности дислокаций р и частоты колебаний дислокационного сегмента V0 при подключении различных металлов
Параметр Подключаемый металл
Zr Pb Ti - Fe Cu
р, 1011 см2 2,30 3,07 3,01 2,97 3,20 3,96
v0, 1010 Гц 1,37 1,58 1,57 1,56 1,62 1,80
Из вышеизложенного следует, что проведенные исследования влияния электрического подключения разнородных металлов на релаксацию напряжений технически чистого алюминия позволили установить изменения средней скорости релаксации и активационного объема под воздействием возникающей контактной разности потенциалов. Сделано предположение о связи установленных изменений с явлениями, происходящими на поверхности металлов.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт № П411).
Литература
1. О влиянии электрического потенциала на скорость ползучести алюминия / С.В. Коновалов [и др.] // ФТТ. 2007. Т. 49, вып. 8. С. 1389-1391.
2. О влиянии контактной разности потенциалов и электрического потенциала на микротвердость металлов / Л.Б. Зуев [и др.] // ФТТ. 2009. Т. 51, вып. 6. С. 1077-1080.
3. О влиянии электрического потенциала на сопротивление микроиндентированию поверхности металлов / В.И. Данилов [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 2. С. 85-89.
4. Влияние слабых энергетических воздействий на ползучесть металлов / С.В. Коновалов [и др.] // Изв. вузов. Черная металлургия. 2008. № 12. С. 38-40.
5. Борздыка А.М., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М., 1978. 256 с.
6. Dotsenko V.I. Stress relaxation in crystals // Physica Status Solidi (b). 1979. Vol. 93. P. 11-43.
7. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М., 1972. 408 с.
8. Грешное В.М., Пятаева И.В., Сидоров В.Е. Физико-математическая теория пластичности и ползучести металлов // Вестн. УГАТУ. 2007. Т. 9, № 6. С. 143-151.
9. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов. М., 1962. 303 с.
5 мая 2010 г.
