CC BY
58
Влияние электрического потенциала на процесс деформации алюминия
С.В. Коновалов, В.И. Данилов1, Л.Б. Зуев1, Р.А. Филипьев, В.Е. Громов
Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, 654007, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Представлены результаты исследований влияния электрического потенциала на процесс низкотемпературной ползучести поликристаллического алюминия. Выполнен сравнительный анализ воздействия собственно электрического потенциала, подаваемого на образец, и потенциала, возникающего из-за контактной разности потенциалов при присоединении металлов с иной работой выхода электрона. Обнаружена качественная эквивалентность этих двух типов электрического воздействия.
Effect of the electric potential on aluminum deformation
S.V Konovalov, V.I. Danilov1, L.B. Zuev1, R.A. Filipyev, and V.E. Gromov
Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, 654007, Russia 1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
The paper presents investigation results for the effect of electric potential on low-temperature creep of polycrystalline aluminum. We comparatively analyze the influence of an electric potential supplied to the specimen and potential arising due to contact potential difference at addition of metals with a different electron work function. Qualitative equivalence of these two types of electric influence is found out.
1. Введение
В настоящее время установлено, что внешние энергетические воздействия на твердые тела, подвергаемые деформации, способны существенно изменять как кинетику протекания процесса, так, интегральные прочностные и пластические характеристики.
Наиболее просто реализуемо электрополевое воздействие. Например, обработка короткими высокоамплитудными импульсами электрического тока металлов и сплавов, оказывая влияние на деформационную субструктуру, может изменять распределение внутренних напряжений, фазовый состав, зеренную структуру и, в конечном итоге, существенно снижать сопротивление деформированию [1-3]. Природа токового воздействия сложна и включает в себя ряд взаимосвязанных эффектов: электронно-пластический, пондеромоторный или пинч-эффект, скин-эффект, выделение джоулева тепла. Энергетическое состояние материала в этом случае меняется весьма радикально.
Однако имеются свидетельства значительно более слабых электрических воздействий, когда энерговложе-
ние ничтожно, а деформационные свойства материалов тоже заметно меняются. Так, в работах, выполненных С.Т. Кишкиным и А.А. Клыпиным [4-6], было обращено внимание на интереснейший факт изменения скорости ползучести металлов, деформируемых в электрическом контакте с другим металлом. К сожалению, физическая природа явления и его феноменология остались до конца не выясненными.
В настоящей работе проведено исследование влияния электрического потенциала на скорость низкотемпературной ползучести технически чистого алюминия.
2. Материалы для исследования и методика эксперимента
Исследования выполнены на проволочных образцах технически чистого алюминия А85 (химический состав приведен в табл. 1) диаметром 2.5 мм с длиной рабочей части 200 мм. Перед испытанием материал был ре-кристаллизован (Гк = 770 К, т = 2 ч). В этом состоянии алюминий имеет ст0 2 = 20 МПа, ств = 58 МПа, 8 = 33 % и средний размер зерна 18 мкм. Для записи кривых низ-
© Коновалов С.В., Данилов В.И., Зуев Л.Б., Филипьев Р.А., Громов В.Е., 2006
Таблица 1
Химический состав исследованного алюминия (мас. %)
Si Fe Pb Ga Zn V Ti Ni Mn Mg Cu Al
0.088 0.28 0.0015 0.0096 0.0042 0.0012 0.0010 0.0011 0.0029 0.0050 0.0005 Ост.
котемпературной ползучести была сконструирована установка с программным модулем, позволяющим фиксировать во времени удлинение испытываемого образца, вызванное действием постоянного растягивающего напряжения 36.7 МПа (~ 10-4 Е) при комнатной температуре. В процессе деформации с момента приложения нагрузки непрерывно фиксировалась общая деформация удлинения образца как функция времени е(^).
Были использованы два варианта изменения электрического потенциала исследуемого образца. Первый из них состоял в том, что к изолированному образцу, подвергаемому испытанию на ползучесть, от внешнего стабилизированного источника постоянного напряжения подводился положительный или отрицательный потенциал разной величины. Во втором случае эффект достигался, как и в работах [4, 5], электрическим подключением к изолированному образцу металлических пластин с массой ~ 5 кг из РЬ, Fe, Си, Сг, 2г, № и Ть Все эти металлы имеют отличную от алюминия работу выхода электронов, поэтому при подключении на образце возникает контактная разность потенциалов
ф =
^Ме ^Al
где AMe и AAl — работа выхода электрона из металла и алюминия соответственно; е — заряд электрона. Пластины подключались к образцу перед проведением испытаний на ползучесть, и электрический контакт осуществлялся медным проводом сечением 0.1 мм в течение всего эксперимента. С целью исключения протекания электрического тока через образец вся испытательная установка изолировалась от земли. В настоящей работе изучалось влияние электрического потенциала на скорость деформации на стадии установившейся ползучести, где 8 = const. Продолжительность стадии и численное значение скорости определялись дифференцированием кривой ползучести. Выбирался участок, для которого выполняется зависимость 8(t) = 8 0 + 8t.
3. Результаты экспериментов и их анализ
Типичные примеры зависимостей 8(t), приведенные на рис. 1, показывают, что полученные кривые содержат стадии истощающейся (логарифмической), установившейся и ускоренной ползучести, что совпадает с общепринятыми представлениями о кинетике процесса в таких условиях [7]. Кривая 1 описывает ползучесть алюминия при ф = 0, кривая 2 получена при наложении потенциала ф = +0.5 В. Наконец, кривая 3 отвечает случаю,
когда во время испытания к алюминиевой проволоке присоединялась пластина №. В случаях 2 и 3 отмечено ускорение ползучести. Кроме того, в этих случаях стадия установившейся ползучести укорачивается, а долговечность образца падает по сравнению с образцами, деформированными без электрического воздействия.
Количественно электрический эффект характеризовался относительными изменениями скоростей ползучести на установившейся стадии процесса, определяемыми как
е1>/(ё) -1,
где (ге1^ — усредненное по 7-10 образцам значение скорости ползучести в случае внешнего электрического воздействия, а ф — среднее значение скорости ползучести образца без него.
Результаты проведенных экспериментов приведены на рис. 2 и 3. Рисунок 2 иллюстрирует зависимость относительного изменения скорости ползучести алюминия \ от потенциала в интервале -0.5 < ф < +0.5 В. Как видно из рисунка, кривая почти симметрична относительно оси ординат. Изменение скорости ползучести слабо зависит от знака потенциала и определяется только его абсолютной величиной. Некоторое отличие правой и левой ветвей на рис. 2 вызвано, по-видимому, статистическим разбросом данных. Скорость ползучести при наложении потенциала меняется немонотонно. Она достигает минимума при |ф| = 0.25 В, а затем увеличивается. Наиболее заметное увеличение скорости ползучести наблюдается при |ф| > 0.3 В. При |ф| > 1В влияние потенциала выходит на насыщение (на рисунке не показано).
Рис. 1. Типичные кривые ползучести алюминия, полученные в обычных условиях (1), при потенциале поверхности 0.5 В (2) и при подключении № (3). Стрелками показано начало стадии установившейся ползучести
Рис. 2. Зависимость относительной скорости ползучести от приложенного к образцу потенциала
Влияние присоединенных металлов показано на рис. 3. Наиболее заметное увеличение скорости ползучести наблюдается также при |ф| > 0.3 В для 2г и №. Интересно отметить, что также как при подключении электрического потенциала (рис. 2) в области -0.2 В < < ф < +0.2 В ползучесть замедляется.
Из сравнительного анализа рис. 2 и 3 следует, что приведенные на них кривые качественно подобны. Однако эффект изменения относительной скорости ползучести в случае подключения потенциала, задаваемого электрическим источником, более сильно выражен, чем при контакте с разнородными металлами.
Поскольку избыточный электрический заряд, передаваемый металлу при любой постановке эксперимента, сосредоточен на поверхности образца, то изменение
Рис. 3. Зависимость относительной скорости ползучести от контактной разности потенциалов
скорости ползучести логично связать с изменением плотности поверхностной энергии, как это предполагалось авторами монографии [8]. В ней приведены экспериментальные данные об аналогичных изменениях скорости ползучести, которые были получены при деформации олова и свинца. Они указывают на рост скорости ползучести при наличии поляризующего потенциала на образце. Изменение скорости ползучести также не зависело от знака потенциала и определялось только его абсолютной величиной.
В пользу такого объяснения эффекта говорят данные о вариациях поверхностного натяжения 0 твердых тел при создании электрического потенциала (электрока-пиллярный эффект) [9]. Приведенные в монографии [9] экспериментальные данные и их теоретическое обоснование показывают, что изменение упругого растяжения поверхности (терминология автора) в зависимости от потенциала 0(ф) не только симметрично относительно знака, но и меняется немонотонно. Существуют минимумы поверхностного растяжения, которые соответствуют потенциалам нулевого заряда. Значения таких потенциалов зависят от природы металла, но находятся в пределах 0.1 < |ф| < 0.7 В. Зависимости 0(ф) имеют вид кривых с насыщением, т.е. по мере роста электрического потенциала его влияние ослабевает и становится практически неизменным при |ф| > 1 В. Таким образом, зависимости ^(ф), полученные в настоящей работе, и 0(ф) из [9] качественно подобны. В свою очередь, изменение скорости установившейся ползучести естественным образом может быть обусловлено изменением условий реализации сдвиговых процессах в растянутых или сжатых поверхностных слоях. Авторы [10, 11] отмечали изменение характера зарождения дислокаций и кинетики винтовых компонент при электрическом воздействии на поверхность металлов. Возможны более сложные по своей природе эффекты поверхностного электрического потенциала [12]. Следует отметить, что приведенные данные в целом согласуются с представлениями В.Е. Панина о решающей роли поверхности в реализации процесса пластического течения [13].
4. Выводы
В результате проведенных исследований установлена феноменология влияния малых значений электрического потенциала на скорость низкотемпературной ползучести алюминия, определяемой на установившейся ее стадии. Показано, что характер данного влияния остается неизменным независимо от способа подведения электрического потенциала к образцу.
Влияние малых электрических потенциалов может быть объяснено изменением условий формирования пластических сдвигов в заряженных поверхностных слоях металлов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты №№ 05-08-18248a, 05-08-01305а) и Лаврентьевского конкурса молодежных проектов СО РАН 2006 г. № 29.
Литература
1. ConradH., Sprecher A.F. Dislocation in Solids / Ed. by F.R.N. Nabar-ro. - London: Elsevier Sci. Publ. - 1989. - P. 499-540.
2. Спицин В.И., Троицкий O.A. Электропластическая деформация металлов. - М.: Наука, 1985. - 187 с.
3. Sosnin O.V., Gromova A.V, Ivanov Yu.F., Konovalov S.V, Gromov VE., Kozlov E.V Control of austenite steel fatigue strength // Int. J. Fatigue. - 2005. - V 27. - Iss. 10-12. - P. 1186-1191.
4. Кишкин Т.С., Клыпин A.A. Эффект электрического и магнитного воздействия на ползучесть металлов и сплавов // Докл. АН СССР. -1973. - Т. 211. - № 2. - С. 325-327.
5. Клыпин A.A., Лучина A.A. Влияние контакта разнородных металлов
на ползучесть меди и алюминия // Изв. АН СССР. Металлы. -1985. - № 2. - С. 138-146.
6. Клыпин A.A. О пластической деформации металлов при наличии электрического воздействия // Проблемы прочности. - 1975. -№7.- С. 20-25.
7. Кеннеди A-Д. Ползучесть и усталость в металлах. - М.: Металлургия. - 1965. - 312 с.
8. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер n.A. Физико-химическая механика металлов. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 303 с.
9. Гохштейн A-Я. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. - М.: Наука, 1976. - 400 с.
10. БатароновИ.Л., Бабенко T.A., РощупкинA.M. О линейном отклике дислокационного ансамбля на импульсное воздействие // Изв. РАН. Сер. физ. - 1997. - Т. 61. - № 5. - С. 877-885.
11. Zuev L.B., Gromov VE., Gurevich L.I. The effect of current pulses on dislocation mobility in zinc single crystals // Physica Status Solidi (a). - 1990. - V. 121. - P. 437.
12. Molotskii M., Flerov V Spin effects in plasticity // Phys. Rev. Letters. -1997. - V. 78. - No. 14. - P. 2779-2782.
13. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезо-мех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 5-22.
