CC BY
62
УДК 669.14./15
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОМАЦИИ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
© С.А. Сидоров, В.А. Федоров, Т.Н. Плужникова,
А.М. Кириллов, А.В. Яковлев, А.А. Черникова
Ключевые слова: деформация; металлические стекла; импульсный электрический ток.
Исследованы особенности деформации аморфных металлических сплавов при импульсном токовом воздействии. Установлены зависимости спада механического напряжения от плотности тока и температуры образцов.
Аморфные металлические сплавы (АМС), или металлические стекла, находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Благодаря их уникальным физическим свойствам, они с успехом работают в электромагнитных полях [1-2].
Цель работы: исследовать деформационное поведение АМС при воздействии импульсного электрического тока.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальными материалами служили аморфные металлические сплавы на основе ^ и на-нокристаллический сплав на основе Fe (табл. 1).
При деформации образцов путем разрядки конденсатора подавались импульсы электрического тока различной плотности (1 • 108 - 5-109 А/м2) и длительности (= 2,5 мс и = 5 мс). На всем процессе деформации фиксировалось изменение температуры образца с помощью дистанционного измерителя температуры Testo-845 (рис. 1).
Представлена характерная диаграмма нагружения с последовательным включением нескольких импульсов
Таблица 1
Элементный состав 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-172 71,65 4,75 10,92 8,16 1,13 2 1,39 - -
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
Примечание. * - Исследования состава выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» (Quanta 600).
тока разной величины (рис. 2а) и соответствующая им зависимость температуры нагрева образца во времени (рис. 2б).
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - ПК, 2 -Testo-845, 3 - Instron 5565, 4 - образец
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Экспериментально установлено, что пропускание импульса электрического тока способствовало резкому уменьшению нагрузки на образец (рис. 2а) и одновременному увеличению его температуры (рис. 2б). При проведении экспериментов по пропусканию импульсного тока было обнаружено, что от плотности тока зависит не только величина спада механического напряжения, но и его восстановление на исходную кривую деформации. При малых значениях ] < 1-109 А/м2 имеет место полностью восстанавливаемый спад механического напряжения, тогда как при больших плотностях тока наблюдается частичное восстановление. Данное поведение обусловлено начинающимися процессами структурных превращений в АМС. Импульс тока высокой плотности способствовал уменьшению сопротивления материала пластической деформации. Данный факт говорит о том, что в аморфных металлических сплавах при определенных условиях может возникать электропластический эффект [3]. Увеличение же плотности подаваемого тока при одном и том же значении длительности подаваемого импульса усиливало наблюдаемый эффект. Кроме того, и изменение
0.4 0.6 0.8 1.0
ТепнПе $№аш (° о)
а)
б)
Рис. 2. Г рафик нагружения сплава АМАГ-200 (а) при воздействии 18-ю импульсами тока длительностью т ~ 2,5 мс и (б) соответствующая ему зависимость температуры нагрева образца во времени
самой длительности импульса сказывалось на величине электропластической деформации всех изучаемых сплавов (рис. 3). Установлено, что наименее пластичным является нанокристаллический сплав АМАГ-200, а наиболее пластичным - АМАГ-180. Это обуславливается наличием в последнем более пластичных элементов в химическом составе.
Установлена линейная зависимость между спадом механического напряжения и нагревом образцов при пропускании импульсов тока (рис. 4а) При этом изменение длительности подаваемых импульсов не приводило к отклонению от линейной зависимости. Отмечено, что спады в сплаве на основе железа меньше по сравнению с другими сплавами при одном и том же значении Т.
Известно, что пропускание тока вызывает нагрев материала. В аморфных материалах это приводит к переходу из нестабильного в метастабильное состояние, изменяя тем самым физические свойства материала [4-5].
В данной работе проводилось исследование теплового действия тока, включающее в себя точное измерение нагрева образцов и оценку влияния этого нагрева на деформацию образцов. С этой целью образцы деформировались в температурном интервале от 23 до 93 °С. Исследования проводились по следующей схеме.
а)
б)
Рис. 3. Зависимость спада механического напряжения от плотности тока рассматриваемых сплавах при различных длительностях: а) т = 2,62 мс; б) т = 5,24 мс
Первоначально образец подвергался растяжению при постоянной скорости движения захватов (0,1 мм/мин.) и комнатной температуре. При достижении произвольно выбранного напряжения ~ 600 МПа деформация прекращалась, но нагрузку при этом с образцов не снимали. После чего осуществлялся нагрев нагруженного образца с помощью температурной приставки разрывной машины 1ш1топ-5565 до тех пор, пока разница температур не будет составлять = 10 °С, = 20 °С, = 30 °С, = 40 °С, = 60 °С относительно комнатной температуры. Следующая стадия эксперимента проходила с той же скоростью деформации, что и на первом этапе, но уже при выбранной повышенной температуре образца. Эксперименты на всех исследуемых сплавах показали, что зависимость спада нагрузки Да от разницы температур ДТ имеет такой же характер, как в случае деформации с воздействием электрического тока.
Экспериментальные зависимости аппроксимировались линейной функцией вида: Да = к - ДГ, где к -тангенс угла наклона прямых, относительно оси абсцисс (к = ку - тангенс угла наклона зависимости Да(ДТ) при импульсном токовом воздействии (рис. 4а), к = к2 -тангенс угла наклона зависимости Да(ДТ) при нагреве образцов (рис. 4б).
Установлено, что пропускание импульсного тока вызывает больший спад механического напряжения, чем нагрев. Оценка вклада нагрева в спад механического напряжения показала, что он составляет 55-65 % от величины всего спада (табл. 2). Очевидно, что разница в спадах напряжения объясняется возникновением других механизмов, инициируемых пропусканием импульса электрического тока. Однако для сплава на основе Ее спады механического напряжения, вызванные током и нагревом, имеют одинаковую величину при одной и той же температуре. Это связано с особенностями строения материала, в котором при данных температурных условиях, влияющих на механические свойства, по-видимому, не происходит каких-либо структурных изменений.
Схематично работу, затраченную на нагрев образца и на структурную релаксацию, можно показать на рис. 5. Часть спада механического напряжения связана с нагревом образца, а другая обусловлена структурной релаксацией, происходящей в материале под воздействием электрического тока.
Интерес также вызывают результаты, которые могут быть получены в результате деформации с пропусканием импульсного тока образцов АМС, предварительно подвергнутых термическому воздействию. Образцы сплава АМАГ-180 предварительно отжигались при температурах 300, 400 и 450 °С в течение 15 мин. и затем на разрывной машине 1ш1топ-5565 со скоростью
движения захватов 0,1 мм/мин. подвергались одноосному растяжению с пропусканием импульсного электрического тока плотностью у ~ 108 А/м2 и длительностью т = 5 мс. После чего проводился сравнительный анализ диаграмм нагружения отожженных и неото-жженных образцов.
Установлено, что отжиг образцов при данных температурно-временных интервалах существенно не влияет на величину спадов механического напряжения, образующихся при пропускании импульсов электрического тока. По-видимому, рассматриваемые температуры и времена отжига не вызывают активационных процессов, приводящих к повышению пластичности исследованного материала.
а)
б)
Рис. 4. Зависимость спада механического напряжения от нагрева в рассматриваемых сплавах при: а) пропускании тока; б) деформации с нагревом
Таблица 2
Вклад нагрева образцов в спад напряжения при пропускании тока
АМАГ-170 АМАГ-172 АМАГ-179 АМАГ-180 АМАГ-183 АМАГ-186 АМАГ-200
к\ 9,33 8,72 10,15 11,94 8,95 9,84 5,85
к2 6,08 5,50 5,52 7,68 5,42 6,58 5,85
к2 -100% к1 65,17 63,07 54,38 64,32 60,56 66,87 100
Рис. 5. Схема спада механического напряжения в результате пропускания импульсного тока и нагрева
линейная зависимость спада напряжения от температуры, характерная для каждого сплава.
ЛИТЕРАТУРА
1. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986. 176 с.
2. Глезер А.М., Пермякова И.Е., Громов В.Е., Коваленко В.В. Механическое поведение аморфных сплавов. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2006. 416 с.
3. Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 160 с.
4. Федоров В.А., Пермякова И.Е., Ушаков И.В. Влияние термической обработки на механические свойства металлического стекла // Деформация и разрушение материалов. 2005. № 2. С. 36-39.
5. Федоров В.А., Яковлев А.В., Капустин А.Н. Влияние отжига на кинетику процессов охрупчивания аморфных сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. № 9. С. 35-40.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант №09-01-97514_р_центр_а.
Отмечено, что изменение температуры отжига резко влияет на предел прочности сплава. Полученная зависимость предела прочности материала от величины предварительного отжига носит линейный характер, а именно увеличение температуры отжига снижает его прочность. При этом упругие характеристики сплава остаются неизменными.
Таким образом, пропускание импульса электрического тока высокой плотности вызывает спад механического напряжения на диаграммах нагружения, связанный не только с нагревом образцов, но и со структурными превращениями в материале. Наблюдается
Поступила в редакцию 16 ноября 2011 г.
Sidorov S.A., Fedorov V.A., Pluzhnikova T.N., Kirillov A.M., Yakovlev A.V., Chernikova A.A. STUDY OF PROCESS OF DEFORMATION OF AMORPHOUS ALLOYS UNDER PULSED ELECTRIC CURRENT
The features of deformation of amorphous metallic alloys in pulsed current action are researched, the depending on the recession of mechanical stress on the current density and temperature of the samples are stated.
Key words: deformation; metallic glasses; pulsed electric current.
