CC BY
32
УДК 539.3
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1241-1245
ВЛИЯНИЕ АГРЕССИВНЫХ СРЕД НА ПРОЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В АМОРФНЫХ СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА И ЖЕЛЕЗА
© Т.Н. Плужникова1*, В.А. Федоров1*, С.Н. Плужников2*, С.А. Сидоров1*, А.В. Яковлев1*, Матеуш Эдмилсн Паулину1*
1) Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
2) Тамбовский музыкально--педагогический институт им. С.В. Рахманинова, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Исследовано влияние агрессивных сред (растворов NACE и H2SO4, HCl) на ход зависимости а-е сплавов при одновременном пропускании импульсов электрического тока, сопровождающимся кратковременным сбросом механического напряжения. Установлены зависимости сброса механического напряжения в исследуемых материалах от плотности импульсного электрического тока. Исследовано структурно-морфологическое состояние поверхности сплавов после воздействия агрессивных сред различной концентрации.
Ключевые слова: сброс механического напряжения; аморфные металлические сплавы; нанокристаллический сплав; деформация; импульсный электрический ток; агрессивные среды.
В современных условиях требования к эксплуатационным характеристикам конструкционных материалов и сплавов возрастают. Наряду с улучшением свойств, созданных ранее материалов, ведутся поиски материалов с принципиально новыми, качественно более высокими эксплуатационными показателями. Такими материалами являются металлические стекла (МС). Физические свойства МС (высокая прочность в сочетании с пластичностью, высокая твердость, коррозионная стойкость, магнитомягкость материалов, стойкость к истиранию и др.) определяются не только химическим составом, но и структурным состоянием этих материалов. Массовое использование аморфных металлических сплавов, работающих в электрических полях, ставит задачи по изучению их механических свойств в условиях действия импульсного электрического тока. Расширение спектра применения аморфных и нанокристаллических сплавов ставит задачи по исследованию структуры и свойств материалов после различного рода воздействий. Это могут быть как стационарные, так и нестационарные тепловые поля, импульсные и статические электрические и магнитные поля, а также различные среды, ведущие к коррозии. Вследствие этого представляют интерес исследования, связанные с совместным влиянием нескольких факторов на изменение свойств аморфных и нанокристалли-ческих металлических сплавов.
Цель работы состоит в исследовании деформации аморфных и нанокристаллических металлических сплавов при воздействии импульсного электрического тока после выдержки в агрессивных средах.
В качестве материалов для исследования воздействий импульсов электрического тока были выбраны ленточные аморфные металлические сплавы на основе
кобальта с различным его содержанием и нанокристал-лический сплав на основе железа (табл. 1).
Содержание кобальта в аморфных металлических сплавах (АМАГ) менялось от 70 до 86 %. Содержание железа в нанокристаллическом сплаве 83 %. Размеры образцов 40x3,5x0,02 мм. Все исследуемые сплавы получены методом спиннингования.
В качестве агрессивных сред использовали растворы NACE + 100 мг/л H2S и NACE + 400 мг/л H2S, 20 %-й раствор серной кислоты, 10 %-й раствор соляной кислоты. Выдержка образцов в среде NACE составляла 24 ч, в растворах серной кислоты - 40 мин., в растворе соляной кислоты 10 мин. Одноосное растяжение образцов производили на электромеханической машине для статических испытаний Instron-5565 при одновременном воздействии импульсного электрического тока длительностью т = 5 мс и плотностью тока j = 108 ^ 109 А/м2. Элементный состав и морфологию поверхности образцов исследовали на растровом электронном микроскопе Quanta 600 FEG и на атомно-силовом микроскопе Ntegra Aura. Фазовый состав определяли рентгенографическими методами с использованием рентгеновского дифрактометра ARL X'TRA.
Деформация аморфных и нанокристаллических сплавов с одновременным пропусканием импульсного электрического тока сопровождается явлением, подобным электропластическому эффекту [1-4]. В момент прохождения импульса тока на диаграммах нагруже-ния a-e наблюдается кратковременный (примерно 1,1 с) сброс механического напряжения Aa с последующим полным восстановлением хода зависимости напряжение - деформация (рис. 1). Кроме того, нро-пускание импульсного электрического тока вызывает скачкообразное кратковременное увеличение темпера-
четырех импульсов электрического тока плотностью 109 А/м2 модуль Юнга всех исследуемых сплавов практически не изменяется, а предел прочности уменьшается примерно на 40 %.
Проведены рентгеноструктурные и электронно-микроскопические исследования поверхности образцов и их структурного состояния. На дифрактограммах не отмечено каких-либо изменений. Для аморфных сплавов сохраняется характерное гало, в нанокристалличе-ском сплаве наблюдается полное совпадение дифракционных максимумов.
Обнаружено, что среда NACE вызывает на поверхности нанокристаллического сплава окислительные реакции, в результате которых образуются оксиды железа в виде пленки толщиной порядка 1 мкм. Об образовании оксидов также свидетельствуют результаты
а)
б)
Рис. 1. а) Диаграмма нагружения сплава АМАГ-180 при воздействии импульсным током; б) зависимость величины сброса механического напряжения Да от числа импульсов N
туры образцов. С увеличением количества пропускаемых импульсов величина сбросов механического напряжения возрастает (рис. 1б).
В первой части работы исследовано влияние растворов NACE на деформацию аморфных и нанокри-сталлических сплавов при воздействии импульсного электрического тока. Установлено, что характер деформации образцов аморфных металлических сплавов, выдержанных в растворах NACE, не отличается от характера деформации образцов в исходном состоянии. В то же время воздействие растворов NACE вызывает в нанокристаллическом сплаве на основе железа сброс механического напряжения, вызванный пропусканием импульсного тока плотностью j > 109 А/м2 примерно на 10 % больше, чем у образцов этого же сплава, но без выдержки в растворах NACE (рис. 2). От концентрации растворов NACE, использованных в работе, величина сброса механического напряжения в нанокристалличе-ских образцах не зависит. Зависимости сбросов механического напряжения от плотности токов представлены на рис. 2.
При этом отмечено, что после комбинированного воздействия растворов NACE и импульсов электрического тока изменяется предел прочности материалов. Так, например, после воздействия растворов NACE и
б)
в)
Рис. 2. Зависимость сброса механического напряжения от плотности тока в сплаве: а - АМАГ-200 для образцов, выдержанных в растворе NACE + 100 мг/л H2S (1) и NACE + 400 мг/л H2S (2), а также без воздействия среды NACE (3); б - АМАГ-172; в - АМАГ-180 в основном состоянии (1) и после выдержки в 20 %-м растворе серной кислоты (2)
исследования элементного состава образцов аморфных и нанокристаллических сплавов, которое показало, что выдержка в растворах приводит к появлению в составе атомов кислорода. В аморфных сплавах его концентрация около 1 %, а в нанокристаллическом - более 2,5 %.
По-видимому, образовавшаяся в результате выдержки в растворах NACE оксидная пленка на поверхности нанокристаллического сплава снижает теплоотдачу материала. В результате этого пропускание импульсного тока вызывает больший нагрев образца, что увеличивает сброс механического напряжения. На поверхности аморфных сплавов подобной пленки не наблюдается, вследствие этого нагрев образца не изменяется, а следовательно, значения сбросов механического напряжения не изменяются. Выдержка в растворах NACE изменяет свойства поверхности материалов, изменений каких-либо свойств в объеме образцов не зафиксировано. Электронной микроскопией обнаружено, что на поверхности аморфных и нанокристалличе-ских сплавов наблюдается рост как отдельных микрокристаллов соли NaCl, так и разветвленных дендритных солевых структур.
Во второй части работы исследовано влияние импульсного тока на поведение материалов после выдержки в 20 %-м растворе серной кислоты. Эксперименты показали, что в аморфных сплавах на основе кобальта значения сбросов механического напряжения, вызванные пропусканием импульсного тока, уменьшаются на Да = 20 % в сравнении с величиной сбросов в образцах в исходном состоянии (рис. 2б, 2в). Воздействие кислотной среды на нанокристаллический сплав на основе железа не влияет на величину сбросов механического напряжения.
Уменьшение величины сбросов механического напряжения связано с происходящими поверхностными явлениями. Выдержка в кислотной среде аморфных материалов приводит к появлению на их поверхности сульфатных образований, что подтверждается исследованием элементного состава. При концентрации раствора 20 % вся площадь поверхности образца покрыта сульфатными образованиями, толщина которых достигает 3 мкм.
Образовавшаяся на поверхности сульфатная пленка уменьшает сечение образца, что приводит к росту сопротивления и уменьшению силы тока. Это вызывает меньший нагрев образца, вследствие чего уменьшается величина сброса механического напряжения, вызванного пропусканием импульсного тока. При этом важно отметить, что после выдержки в 20 %-м растворе серной кислоты аморфные сплавы не теряют своих прочностных свойств.
Металлический кобальт способен поглощать значительные объемы водорода [5], не образуя при этом соединений постоянного состава. Водород не улетучивается, а остается в поверхностном слое материала, вызывая его охрупчивание, что наблюдается экспериментально.
Выдержка нанокристаллического сплава на основе железа в растворах серной кислоты приводит к образованию питтинговой коррозии. Характерный размер питтинговых ямок составляет 300-350 нм глубиной примерно 40 нм. При этом имеет место уменьшение значения предела прочности сплава. Так, например, после воздействия раствора серной кислоты и четырех импульсов тока плотностью 2-108 ^ 2-109 А/м2 предел прочности уменьшается на 20 %.
ZS-]
■ mi I •
i J
N
а)
i : ; ¡ * •
"»I ■ I ■ I ■ I • . ■ ■ ■ I ■ I I*|t41ltl
N
б)
Рис. 3. График зависимости сброса механического напряжения Да от числа импульсов N: а) предварительно выдержанных в NACE; б) предварительно выдержанных в HCl (10 % раствор)
Сравнение различных видов предварительных воздействий на величину сбросов механического напряжения при электроимпульсном воздействии и влияние количества импульсов показало, что наибольшее влияние оказывают кислотные среды (рис. 3). При воздействии раствора NACE на исследуемые аморфные образцы сброс механического напряжения, вызванный пропусканием импульсного тока, увеличивается на 3 % по отношению к образцам, не подвергавшихся воздействию агрессивной среды. В нанокристаллическом сплаве увеличение составляет 4 %. Выявлено, что в образцах, выдержанных в соляной кислоте, наблюдается уменьшение сброса механического напряжения на 8 % у аморфных сплавов и на 7 % у нанокристалличе-ского сплава в сравнении с образцами, не подверженными действию коррозионных сред.
Таким образом, выдержка в среде NACE изменяет структуру поверхности исследуемых сплавов. На поверхности нанокристаллического сплава на основе железа образуется оксидная пленка, не вызывающая существенных изменений сечения образца, но препятствующая его теплообмену с окружающей средой. В результате чего пропускание импульсного тока приводит к увеличению сброса механического напряжения.
Таблица 1
Элементный состав исследуемых сплавов
Тип сплава Co, % Fe, % Ni, % Si, % Mn, % B, % Cr, % Nb, % Cu, %
АМАГ-170 70,42 4,72 10,46 9 2,1 2 1,3 - -
АМАГ-179 78,1 3,31 8,19 5,48 1,61 2 1,31 - -
АМАГ-180 78,65 4,03 4,73 7,22 1,88 2 1,49 - -
АМАГ-183 82,69 2,21 - 7,77 4,19 2 1,14 - -
АМАГ-186 85,41 2,27 - 5,15 4,07 2 1,1 - -
АМАГ-200 - 80,22 - 8,25 - - - 10,09 1,44
Кислотная среда образует сульфатные соединения на поверхности аморфных сплавов, приводит к заметному уменьшению металлического сечения образца, что вызывает увеличение сопротивления материала, уменьшает силу тока, а значит, приводит к меньшему нагреву образцов. Следовательно, уменьшается величина сброса механической нагрузки.
В нанокристаллических сплавах сохраняется величина сброса механического напряжения при пропускании импульсного электрического тока.
ВЫВОДЫ
Изменение величины сброса механической нагрузки, вызванного импульсным током, в исследованных сплавах после выдержки в агрессивных средах обусловлено только изменением величины нагрева сплавов.
Feodorov V., Pluzhnikova T., Sidorov S., Yakovlev A. Effect of pulsed electric current to deformation of amorphous and nanocrystalline metallic alloys, aged in acidic environments // Materials Physics and Mechanics. 2014. V. 20. № 1. Р. 67-72.
Плужникова Т.Н., Федоров В.А., Сидоров С.А., Яковлев А.В. Влияние агрессивных сред на деформацию аморфных и нанокристаллических сплавов, обусловленную воздействием импульсного электрического тока // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2013. № 4. С. 59-62.
Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Сидоров С.А. Влияние импульсного электрического тока на ход зависимостей механическое напряжение - деформация в аморфных и нанокристаллических металлических сплавах // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2013. № 12. С. 60-65.
Большаков К.А. Химия и технология кобальта. М.: МИТХТ, 1981. 85 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-01-04553).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 160 с.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.3
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1241-1245
THE INFLUENCE OF AGGRESSIVE ENVIRONMENT ON THE MANIFESTATION OF ELECTROPLASTIC EFFECT IN AMORPHOUS ALLOYS BASED ON COBALT AND IRON
© T.N. Pluzhnikova^, V.A. Fedorov1), S.N. Pluzhnikov2), S.A. Sidorov1), A.V. Yakovlev1), Mateush Admilsn Paulinu1)
^ Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
2) Tambov State Musical Pedagogical Institute named after S.V. Rakhmaninov, Tambov, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
Impact of corrosion mediums (solutions of NACE and H2SO4, HCl) on o-e graphs for alloys has been researched at simultaneous passage of electrical current impulses, accompanying momentary dropping of mechanical stress. Relations between dropping of mechanical stress and density of impulse electrical current have been established in observable materials. Structural and morphological condition of surface has been researched after influence of corrosive mediums with different concentration in observable alloys. Key words: mechanical stress relieving; amorphous metal alloys; nanocrystalline alloy; deformation; pulsed electric current; aggressive media.
REFERENCES
1. Spitsyn V.I., Troitskiy O.A. Elektroplasticheskaya deformatsiya metallov. Moscow, Nauka Publ., 1985. 160 p.
2. Feodorov V., Pluzhnikova T., Sidorov S., Yakovlev A. Effect of pulsed electric current to deformation of amorphous and nanocrystalline metallic alloys, aged in acidic environments. Materials Physics and Mechanics, 2014, vol. 20, no. 1, pp. 67-72.
3. Pluzhnikova T.N., Fedorov V.A., Sidorov S.A., Yakovlev A.V. Vliyanie agressivnykh sred na deformatsiyu amorfnykh i nanokristallicheskikh splavov, obuslovlennuyu vozdeystviem impul'snogo elektricheskogo toka. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya — Izvestia. Ferrous Metallurgy, 2013, no. 4, pp. 59-62.
4. Fedorov V.A., Pluzhnikova T.N., Sidorov S.A. Vliyanie impul'snogo elektricheskogo toka na khod zavisimostey mekhanicheskoe na-pryazhenie - deformatsiya v amorfnykh i nanokristallicheskikh metallicheskikh splavakh. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya — Izvestia. Ferrous Metallurgy, 2013, no. 12, pp. 60-65.
5. Bol'shakov K.A. Khimiya i tekhnologiya kobal'ta. Moscow, Moscow State University of Fine Chemical Technologies named after M.V. Lomonosov Publ., 1981. 85 p.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (grant no. 15-0104553).
Received 10 April 2016
Плужникова Татьяна Николаевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Pluzhnikova Tatyana Nikolaevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Fedorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Рhysics and Mathematics, Professor, Honored Worker of Science of Russian Federation, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Плужников Сергей Николаевич, Тамбовский государственный музыкально--педагогический институт им. С.В. Рахманинова, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, зав. кафедрой гуманитарных, естественнонаучных и социально-экономических дисциплин, e-mail: [email protected]
Pluzhnikov Sergey Nikolaevich, Tambov State Musical Pedagogical Institute named after S.V. Rakhmaninov, Tambov, Russian Federation, Candidate of Рhysics and Mathematics, Associate Professor, Head of Humanities, Natural and SocioEconomic Disciplines Department, e-mail: [email protected]
Сидоров Сергей Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Sidorov Sergey Anatolevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Яковлев Алексей Владимирович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры методики преподавания естественнонаучных дисциплин, e-mail: [email protected]
Yakovlev Aleksey Vladimirovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Methodology of Teaching Natural Sciences Department, e-mail: [email protected]
Матеуш Эдмилсн Паулину, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, студент, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Mateush Admilsn Paulinu, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
