CC BY
22
УДК 05.1; 05.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1012-1015
ВЛИЯНИЕ ПРЕРЫВИСТОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЕВОГО СПЛАВА
© А.Е. Золотов, А.А. Шибков, М.Ф. Гасанов, А.А. Денисов
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Экспериментально исследовано влияние скачкообразной деформации на электрическое сопротивление алюминий-магниевого сплава АМг6. Установлено, что зарождение и развитие отдельных деформационных полос, вызывающих скачкообразную деформацию, увеличивает удельное электросопротивление сплава в среднем на 2-3 %. Предполагается, что основным механизмом увеличения электросопротивления в полосе деформации является рост концентрации деформационных вакансий, связанный с интенсивным размножением дислокаций на фронте полосы.
Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация; электропроводность.
Известно, что прерывистая деформация металлов и сплавов сопровождается образованием и распространением полос макролокализованной деформации, которые ухудшают качество поверхности промышленных изделий и могут вызвать внезапное разрушение. Целью настоящей работы является исследование in situ скачкообразной деформации металла методом измерения электрического сопротивления непосредственно в ходе распространения деформационных полос, вызывающих макроскопически неустойчивую пластическую деформацию. В качестве материала исследования выбран авиационный алюминий-магниевый сплав АМг6, проявляющий ярко выраженную прерывистую деформацию и полосообразование при комнатной температуре. Кроме того, этот сплав нашел широкое применение в автопроме, судостроении и химическом машиностроении.
Образцы сплава АМг6 (Al-5,92%Mg-0,61%Mn) имели форму двухсторонних лопаток с размером рабочей части 0,7 х 3 х 20 мм. Образцы отжигали в течение 1 ч при 450 °С, закаливали на воздухе и испытывали при комнатной температуре одноосным растяжением с постоянной скоростью возрастания напряжения
= 0,2 МПа/с в мягкой испытательной машине, описанной в [1]. Деформацию измеряли оптическим экс-тенсометром, представляющим собой триангуляционный лазерный датчик положения фирмы Riftec с точностью 1,5 мкм в полосе частот 0-2 кГц. Силовой отклик механической системы машина-образец измеряли с помощью датчика усилия Zemic H3-C3-100kg-3B (чувствительность 1,5 мкмВ/Н, собственная частота 6,25 кГц) в полосе 0-2 кГц. Показания датчиков деформации и усилия синхронизировали с цифровой видеокамерой VS-Fast/G6 (НПО «Видеоскан»). Скорость видеосъемки поверхности варьировали от 500 до 4000 кадр/с.
В ходе растяжения по образцу пропускали постоянный ток I, и измеряли разность потенциалов U на концах образца. Ранее было экспериментально уста-
новлено, что постоянный ток плотностью 10-50 А/мм2 подавляет прерывистую деформацию Портевена-Ле Шателье [2]. Для измерения электросопротивления образца плотность тока подбирали в полтора раза меньше критической плотности тока jc = 10 А/ мм2, выше которой начинается подавление током прерывистой деформации, а именно j = 7,1 А/ мм2, что при сечении S0 = 0,7x3 мм соответствует измерительному току I = 15 А. Канал регистрации разности потенциалов U состоял из усилителя, аналого-цифрового преобразователя и компьютера. Температура образца с током, контролируемая с помощью бесконтактного пирометра Testo-8i, не превышала 30 °С.
Для изучения in situ резистивным методом тонкой структуры скачков деформации разность потенциалов U измеряли с помощью импульсного широкополосного усилителя в полосе частот 10 Гц - 10 кГц, позволяющего увеличить отношение сигнала к шуму и выявить скачки сигнала AUb (t) , связанные с динамикой отдельных деформационных полос. На рис. 1 представлены синхронные записи датчиков деформации и усилия (кривые 1 и 2) и разности потенциалов U (кривая 3) при развитии скачка деформации - ступени амплитудой около 3 % на кривой нагружения. Силовой отклик a(t) состоит из последовательности скачков разгрузки
амплитудой Act ~ 5-15 МПа с характерным временем спада 1-3 мс. По данным видеосъемки каждому скачку разгрузки соответствует зарождение и расширение полосы деформации. Количество скачков разгрузки, таким образом, равно количеству деформационных полос, эволюция которых вызывает макроскопический скачок пластической деформации Ae(t) , причем каждая полоса, за исключением первичной зарождается на границе предшествующей полосы. Из рис. 1 видно, что каждому скачку разгрузки в структуре силового отклика отвечает скачок разности потенциалов AUb, причем длительность переднего фронта скачка, около 3 мс,
сопоставима по данным видеосъемки со скоростью 4000 кадр/с с характерным временем «быстрой» стадии расширения полосы, а время спада ~ 30 мс равно постоянной времени дифференцирования электрического сигнала при измерении с помощью импульсного усилителя. Анализ результатов видеосъемки, скачков электрического и силового откликов показывает, что каждый скачок электрического сигнала ДЦ возникает одновременно со скачком разгрузки Дст(/) , а следовательно, с моментом зарождения полосы деформации с точностью не хуже 0,5 мс (рис. 2).
Помимо скачкообразного прироста электросопротивления в ходе скачкообразной деформации, причиной возникновения разности потенциалов на концах образца может быть термоэдс, связанная с разогревом материала в области полосы деформации, а также «контактная» разность потенциалов на границе полосы, связанная с зависимостью уровня Ферми металла от плотности дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Оценка этих э.д.с., приведенная в работе [3], дает величины, не превышающие ~ 1 мкВ. Поэтому наблюдаемый скачок разности потенциалов Диь обусловлен в основном приростом электросопро-
тивления сплава в ходе зарождения и эволюции деформационной полосы.
Типичная амплитуда скачка сигнала ДЦ (г) находится в интервале 60-200 мкВ со средним значением около 80 мкВ, а количество таких скачков равно количеству N расширяющихся полос деформации на фронте отдельного скачка деформации Де(/) . Для типичных неразрушающих деформационных скачков N ~ 40-50. Среднее электрическое сопротивление индивидуальной
полосы деформации оценим как ДЯЬ = ДЦ /1 и 5,3 мОм, что составляет ДЯЬ /Л0 и 0,2 % исходного сопротивления образца Я0 = р010 /= 2,5 мОм, где р0 = 26 мкОм-см - исходное удельное сопротивление сплава АМг6, 10 = 20 мм - начальная длина образца,
ДЦ = 80 мкВ, I = 15 А. В ходе развития деформационного скачка со средней амплитудой Де и 3% суммарный прирост сопротивления достигает величины ДЯЬ ■ N и 0,25 мОм, составляющей около 10 % сопротивления недеформированного образца Я0 . Результирующий прирост электрического сопротивления к моменту разрушения образца, полученный суммированием скачков электросопротивления на всех деформационных полосах от полосы Людерса до образования шейки перед разрывом, составил до 70 % исходного сопротивления образца.
Электрическое сопротивление образца в ходе поло-сообразования может возрастать по следующим причинам: а) геометрическим, связанными с удлинением образца соответственно с уменьшением его сечения;
б) формированием в ходе полосообразования дефектов кристаллического строения (точечных дефектов, дислокаций, деформационных пор и микротрещин), на которых рассеиваются электроны проводимости;
в) растворении малых преципитатов после перерезания их дислокациями.
Рис. 1. Временные зависимости деформации Де (1), напряжения ст (2) и разности потенциалов и (3), измеренной в полосе частот 10-103 Гц, в ходе деформационного скачка. ] = 7,1 А/мм2, ст0 = 0,3 МПа/с
Рис. 2. Скачок разности потенциалов ДЦ (1) на концах деформируемого образца при зарождении и расширении полосы деформации и соответствующий скачок напряжения ст (2). На вставке - изображение полосы деформации. Серой полосой отмечен временной интервал быстрой стадии расширения полосы
Оценим сначала геометрический фактор. Сопротивление образца при одноосном растяжении без учета изменения микроструктуры: Я = р0(/ + А/)/ , где
сечение 5 = 50/0 /(/ + А/) находится из условия сохранения объема образца; А/ - деформация растяжения. Из этих формул имеем: Я = Я0(1 + е)2 . При общей деформации до разрушения ет и0,2 получим Я = 1,44Я0 , т. е. геометрический прирост сопротивления (без учета роста количества дефектов) составляет 44 % исходного сопротивления образца. В то же время сумма всех скачков сопротивления составляет около 0,7 Я0 . Таким образом, около 26 % исходного сопротивления приходится на прирост электросопротивления, связанного с изменением структуры металла, т. е. АЯ2 и 0,65 мОм.
Вклад дислокаций и точечных дефектов в электросопротивление металлов хорошо известен из литературы. Вклад дислокаций в алюминии составляет 10-12 мкОм ■ см/см-2 [4], что дает нереально высокую плотность дислокаций ~ 3 ■ 1013 см-2 для объяснения чисто дислокационного прироста сопротивления в ходе скачкообразной деформации сплава АМг6. Наиболее вероятной причиной роста электросопротивления представляется рост концентрации деформационных вакансий (2,2 мкОм ■ см/%(ат.) [4]), которые могут возникать в результате работы источников Франка-Рида, характерных для ГЦК кристаллов типа алюминия, а также процесс двойного поперечного скольжения дислокаций. Это косвенно подтверждается следующими обстоятельствами: а) изменение удельного электросопротивления Ар с увеличением деформации растет по
закону Ар ~ ер , где р < 2 [4], т. е. почти также как
концентрация деформационных вакансий с = 10~4 е2 [5]; б) основным механизмом развития деформационного скачка амплитудой >1 % является каскадный механизм размножения полос деформации [6], когда каждая полоса, за исключением первичной, зарождается на границе предшествующей полосы, в результате, например, коллективного срабатывания источников Франка-Рида, а огибающая дислокационных скоплений, испущенных этими источниками, образуют новый фронт полосы деформации; в) наиболее резкий скачок электросопротивления приходится именно на начальную, очень быструю, продолжительностью не более 3 мс, стадию развития полосы деформации (рис. 2). Отметим, что ширина полосы ^ на этой стадии достигает 1,3-1,5 мм (см. вставку на рис. 2). Учитывая, что
деформируемый образец с расширяющейся полосой деформации представляет собой неоднородный проводник, оценим прирост удельного сопротивления материала полосы как Ар » / w и 0,6 мкОм■ см, что составляет в среднем около 2,5 % р0 .
Отметим также, что сплавы системы Al-Mg с содержанием магния 3-6 % демонстрируют аномальное или «инверсное» поведение деформации появления первого скачка ес, которая растет с температурой и уменьшается с ростом скорости деформации [7]. Традиционное объяснение этого явления основано на представлении о перерезании дислокациями малых преципитатов и растворении их осколков, которое провоцирует дислокационный прорыв. Рост концентрации примесных атомов (атомов замещения) может привести к росту электросопротивления в ходе распространения дислокационной лавины. Этот механизм роста электросопротивления, однако, представляется маловероятным из-за низкого значения коэффициента диффузии атомов Mg в А1 при комнатной температуре [8], которое затрудняет объяснение малой инерционности процесса роста электросопротивления в ходе развития полосы: задержка между ростом сопротивления и моментом зарождения полосы не превышает 0,5 мс (рис. 3). Рассеяние электронов проводимости на деформационных порах и микротрещинах может быть причиной прироста электросопротивления на последних скачках деформации, особенно при образовании шейки перед разрывом образца.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Шибков А. А., Желтов М.А., Лебедкин М.А. и др. // Завод. лаборатория. 2005. Т. 71. № 7. С. 20.
Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A. et al. // Mater. Sci. Eng. A 610. 2014. P. 338.
Шибков А.А., Титов С.А., Желтов М.А. и др. // ФТТ. 2016. Т. 58. № 1. С. 3.
Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов. М.: Металлургия, 1980. 320 с. Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир, 1967. 643 с. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 97-107.
Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. и др. // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 6. С. 929.
Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М. : Энергия, 1980. 239 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 15-12-00035).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 05.1; 06.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1012-1015
INFLUENCE OF SERRATION DEFORMATION ON CONDUCTIVITY OF ALUMINUM-MAGNESIUM ALLOY
© A.E. Zolotov, A.A. Shibkov, M.F. Gasanov, A.A. Denisov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Influence of serration deformation on electric resistance aluminum-magnesium alloy AlMg6 is experimentally investigated. It is established that origin and development of the separate deformation bands causing serration deformation increases specific resistance of an alloy on average by 2-3 %. It is supposed that the main mechanism of increase in resistance in deformation band is growth of concentration of deformation vacancies connected with intensive reproduction of dislocations at the band front. Key words: aluminum-magnesium alloy; serration deformation; conductivity.
REFERENCES
1. Shibkov A. A., Zheltov M.A., Lebedkin M.A. et al. Zavodskaya laboratoriya — Industrial Laboratory, 2005, vol. 71, no. 7, p. 20.
2. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A. et al. Mater. Sci. Eng. A 610, 2014, p. 338.
3. Shibkov A.A., Titov S.A., Zheltov M.A. et al. Fizika tverdogo tela — Physics of the Solid State, 2016, vol. 58, no. 1, p. 3.
4. Livshits B.G., Kraposhin V.S., Linetskiy Ya.L. Fizicheskie svoystva metallov. Moscow, Metallurgy Publ., 1980. 320 p.
5. Fridel' Zh. Dislokatsii. Moscow, Mir Publ., 1967. 643 p.
6. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2012, vol. 76, no. 1, pp. 97-107.
7. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. et al. Kristallografiya — Crystallography Reports, 2015, vol. 60, no. 6, p. 929.
8. Bokshteyn B.S. Diffuziya v metallakh. Moscow, Energy Publ., 1980. 239 p.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (project no. 15-12-00035).
Received 10 April 2016
Золотов Александр Евгеньевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Zolotov Aleksander Evgenevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Шибков Александр Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Shibkov Aleksander Anatolevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Гасанов Михаил Фахраддинович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, инженер кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Gasanov Mikhail Fakhraddinovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Engineer of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Денисов Андрей Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, инженер кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Denisov Andrey Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Engineer of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
