CC BY
49
УДК 621.785.78:537.636
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1207-1210
МЕХАНИЗМЫ МАГНИТОПЛАСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В Си-Ве-СПЛАВАХ
© Ю.В. Осинская, А.В. Покоев
Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева (национальный исследовательский университет), г. Самара, Российская Федерация, e-mail: [email protected], [email protected]
С целью установления возможных механизмов магнитопластического эффекта при старении бинарных медно-бериллиевых сплавов в постоянном магнитном поле выполнено экспериментальное исследование процессов агрегирования наноразмерных фазовых выделений в бериллиевой бронзе БрБ-2 методом микротвердости и остаточной намагниченности. Установлено, что постоянное магнитное поле существенным образом влияет на кинетику фазообразования в сплаве при старении, а именно, обнаруживается существенный «отрицательный» маг-нитопластический эффект. Предложены возможные качественные механизмы.
Ключевые слова: старение; постоянное магнитное поле; магнитопластический эффект; бериллиевая бронза БрБ-2.
Большую роль в формировании физико-механических свойств металлических сплавов играют процессы старения. Знание закономерностей и кинетики их протекания необходимо по ряду причин. Во-первых, для понимания релаксационных изменений, происходящих в твердых телах, находящихся в метастабиль-ных состояниях. В таких состояниях протекают различные типы превращений: полиморфные, процессы распада, упорядочение и многие другие, являющиеся по своей природе диффузионно-контролируемыми. Во-вторых, детальный анализ закономерностей и механизмов старения, как диффузионно-контролируемого процесса, при наличии внешних воздействий в металлических сплавах позволяет более эффективно и целенаправленно вести исследовательский поиск материалов с заданными свойствами, научно обосновать методы и технологию их получения.
В результате экспериментального исследования старения бериллиевой бронзы БрБ-2 [1] в постоянном магнитном поле (ПМП) было обнаружен заметный магнитопластический эффект (МПЭ) [2], сопровождающийся в ряде случаев формированием структурных образований - блоков когерентного рассеяния - с размером менее 100 нм и значительным увеличением
микротвердости [3]. Последнее вызывает повышенный интерес к тем режимам старения, которые приводят к наибольшим увеличениям микротвердости в связи с перспективами разработки новых методов термомагнитной обработки металлических сплавов. Целью данной работы являлось экспериментальное исследование МПЭ, обнаруженного при старении бериллиевой бронзы БрБ-2 и выяснение возможных механизмов влияния ПМП на процесс старения.
Для изучения МПЭ в бериллиевой бронзе БрБ-2 в ПМП использовали два независимых метода исследования - метод микротвердости и метод измерения остаточной намагниченности сплава. В работе были определены микротвердость и остаточная намагниченность сплава бериллиевой бронзы БрБ-2 при температуре старения - 250-500 °С, времени старения -10120 мин., в ПМП с напряженностью - 0 и 7 кЭ (557,2 кА/м). Методом микротвердости определяли временные, температурные и полевые зависимости микротвердости сплава бериллиевой бронзы БрБ-2, состаренной в ПМП и без него. Подробно результаты измерения микротвердости и их обсуждения изложены в работах авторов [1; 4-5].
Таблица 1
Результаты измерений остаточной намагниченности
Т, °С t, ч Н, кЭ СВеостат, ат.% X, ед. СГС m, г I8 кЭ, ед. СГС
Закалка - 12,5 -2,910-6 0,018041 -0,00042
300 0 - -2,6-10-6 0,029032 -0,00065
7 - -0,24-10-6 0,33618 -0,000062
350 1 0 6,0 -0,44-10-6 0,040114 -0,00015
7 4,67 -0,083-10-6 0,044761 -0,000025
400 0 4,67 -0,031-10-6 0,028412 -0,000075
7 3,67 0,033-Ю-6 0,040051 0,000012
На основании полученных результатов был сделан вывод, что оптимальным режимом термомагнитной обработки является старение при температуре 350 °С, времени 1 ч и напряженности ПМП 7 кЭ, поскольку при этом значении температуры, напряженности ПМП и времени отжига достигаются наиболее высокие значения физико-механических свойств. Кроме того, обнаружен «отрицательный» МПЭ, заключающийся в увеличении микротвердости сплава до ~30 %.
С целью установления природы МПЭ в работе проведены измерения остаточной намагниченности сплава БрБ-2 на высокочувствительном вибрационном анизо-метре (аналог магнитометра с вибрирующим образцом) [6-8] с чувствительностью по магнитному моменту 106 в ед. СГС (Гс-см3) в режиме относительных измерений и 10-5 в ед. СГС - в режиме абсолютных измерений. Измерения проводили на образцах, состаренных при температурах 300, 350 и 400 °С, времени старения -1 ч, напряженности ПМП - 0 и 7 кЭ. Результаты измерений обрабатывались компьютерной программой, которая с учетом данных об остаточной намагниченности и массе образца рассчитывала удельную магнитную восприимчивость. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Анализ полученных данных позволяет сделать следующие общие выводы.
1. С увеличением температуры старения (табл. 1) абсолютное значение магнитной восприимчивости сплава уменьшается.
2. Наложение ПМП на старение приводит к тому, что при этом образцы имеют тенденцию к повышению восприимчивости.
3. Из данных по зависимости остаточной намагниченности от напряженности магнитного поля (см. табл. 1 ) следует, что во всех исследованных образцах, подвергнутых термической и термомагнитной обработкам, значение остаточной намагниченности больше, чем в образцах в закаленном состоянии.
4. Существует тенденция перехода от диамагнитного состояния образцов к суперпарамагнитному поведению (табл. 1).
Последнее может быть связано с наличием а) дислокаций; б) парных атомных комплексов медь-бериллий; в) примесей. Каждый из указанных объектов может обладать парамагнитным моментом, который при включении ПМП реагирует на него и вносит положительный парамагнитный вклад в общую намагниченность.
Анализируя полученные экспериментальные данные по влиянию ПМП на старение бериллиевой бронзы БрБ-2 и существующие представления о механизмах влияния ПМП на диффузионные процессы в ферромагнитных материалах, можно предложить следующие возможные механизмы влияния ПМП на МПЭ при старении бериллиевой бронзы БрБ-2.
1. Механизм упрочнения за счет взаимодействия дислокаций с постоянным магнитным полем. Влияние ПМП на процесс старения в медно-бериллиевом сплаве может быть реализовано через изменение концентрации дислокаций в сплаве при включении ПМП. Теоретически на такую возможность указывается в нескольких работах. Как показано в работе [9], наложение ПМП приводит к изменению плотности дислокаций. Это изменение определяется величиной магнитострик-ционных и сторонних напряжений, различием в маг-
нитных свойствах дислокаций и матрицы, изменением механического состояния объемов, занимаемых дислокациями, выражающимися в изменении их поверхностной энергии и величины активационного объема. В работе [10] предполагается, что дислокация с собственным магнитным моментом, при помещении образца в магнитное поле, в результате взаимодействия магнитного момента дислокации с ним изменяет свою энергию. В результате этого, число дислокаций, способных преодолеть потенциальный барьер при деформировании, возрастает [10]. Это может привести к перераспределению и изменению концентрации дислокаций и, как следствие, изменению пластических свойств сплава.
Экспериментальные результаты данной работы показывают, что относительные колебания плотности дислокаций, определенных рентгенографическим методом, при включении ПМП, например, при оптимальной температуре старения 350 °С, составляют при е s 0,8: pH s (5,6 + 1,5)-1010 1/см2 в ПМП и рН=0 s (3,5 + + 0,9)-1010 1/см2. Предполагая, что длина дислокаций в дислокационном каркасе такого же порядка, как их среднее расстояние между их выходами на поверхность, легко видеть, что объемная доля N и поверхностная плотности дислокаций р связаны соотношением N = р3/2. Учитывая это, легко оценить собственный момент дислокации из формулы: Pm = [3fc7Tn(1—Р)]/2аН, где р = (N-NH)/N — относительное изменение объемной плотности дислокаций при включении ПМП. Оценки показывают, что при а s 1, р = 1—(1-е)3/2 s 0,9 получим Pm s 4,24-10—17 ед. СГС (эрг/Гс). Для сравнения приведем значение магнитного момента магнетона Бора цБ = 9,27-10—21 эрг/Гс.
Таким образом, изменение дислокационной структуры матрицы при старении в ПМП может оказать влияние на протекание диффузионно-контролируемых процессов старения. Поскольку в процессе старения постоянно происходит перераспределение дислокаций, связанное с включением ПМП, взаимодействием полей концентрационных, дислокационных, примесных (размерных) и т. д. напряжений, аналитически описать кинетику изменения плотности дислокаций и физико-механических свойств не представляется возможным.
2. Механизм парного взаимодействия атомных комплексов медь-бериллий. Парные атомные комплексы Cu-Cu, Cu-Be, Be-Be в сплаве могут обладать магнитными моментами разной величины, взаимодействовать друг с другом и с ПМП. Магнитное поле оказывает ориентирующее воздействие на моменты пар в сплаве, что может привести к направленному упорядочению в сплаве и повлиять на прочностные свойства при включении ПМП.
Проведем оценку магнитного момента атомных комплексов для условий эксперимента данной работы. Пусть nBe — абсолютная атомная концентрация бериллия в сплаве бериллиевой бронзы БрБ-2. Оценка среднего расстояния между атомами бериллия гВе при относительной концентрации бериллия СВе°™ s 0,05 от. ат. ед. показывает, что оно в ~3 раза больше среднего расстояния между узлами решетки меди. Таким образом, атомы бериллия можно считать не взаимодействующими между собой. Оценим число пар комплексов медь-бериллий и бериллий-бериллий, содержащихся в единице объема, получаем: NCu-Be s СВеотн^-иси° s
S 5,1-1022 l/см3, ^Ве-Бе = (Све"^^^ = 2,1-1020 1/см3, ГДе z - координационное число. При оптимальной температуре старения 350 °С магнитный момент для каждой пары атомов можно оценить по формуле: FmCu"Be = = [(Х-Хя)РсиЖомпл, где х - удельная магнитная восприимчивость сплава, рСи - плотность меди. Таким образом, получаем FmCu"Be s 6,3-10-29 эрг/Гс и FmBe'Be s 1,5-10-26 эрг/Гс. Сравнивая эти значения с оценкой величины Fm для дислокации, можно сделать вывод, что они пренебрежимо малы, и дислокационный механизм воздействия более вероятен.
3. Механизм влияния ПМП на примеси, содержащиеся в сплаве. Существование примесей в сплаве может играть не последнюю роль в объяснении природы влияния ПМП на упрочнение в сплаве, так как их существование в сплаве делает его более восприимчивым к влиянию ПМП при термической обработке. Существующие примеси и их комплексы, обладая магнитным моментом, создают магнитную анизотропию при термомагнитной обработке, тем самым, могут вносить положительный вклад в намагниченность сплава.
Оценим число парных атомных комплексов для примесей, например для Ni s 0,3 ат.% ~ 0,003, тогда NNl-Nl s (CNi^-ncu0 S 7,6-1017 1/см3 и NNi S s s 2,5-1018 1/см3, следовательно, FmNl"Ni s
s 4,1-10-24 эрг/Гс и FmNi s 1,2-10-25 эрг/Гс. Таким образом, магнитный момент парных атомных комплексов также пренебрежимо мал.
Анализ и сопоставление имеющихся экспериментальных и теоретических данных о МПЭ позволяют сделать следующие выводы:
1) МПЭ при старении бериллиевой бронзы существует и устойчиво обнаруживается независимыми методами;
2) при наложении ПМП наблюдаются более предпочтительные характеристики и свойства сплава (в частности, микротвердость), чем в отсутствии ПМП;
3) измерение остаточной намагниченности на образцах, прошедших термическую и термомагнитную
обработку, показывает, что существует тенденция перехода образцов от диамагнитного к суперпарамагнитному поведению, которая может быть связана с наличием а) дислокаций; б) парных атомных комплексов медь-бериллий; в) примесей. Выполненные оценки магнитных моментов дислокаций, парных атомных комплексов на основе магнитных измерений показывают, что наиболее вероятным является дислокационный механизм МПЭ в бериллиевой бронзе БрБ-2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Осинская Ю.В., Покоев А.В. Упрочнение бериллиевой бронзы БрБ-2 при старении в постоянном магнитном поле // ФХОМ. 2003. № 3. С. 18.
2. Моргунов Р.Б. Спиновая микромеханика в физике пластичности // УФН. 2004. Т. 174. № 2. С. 131.
3. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: ЛОГОС, 2000. 272 с.
4. Осинская Ю.В., Покоев А.В. Комплексное исследование старения бериллиевой бронзы БрБ-2 в постоянном магнитном поле // Вестник Самарского государственного университета. 2001. № 4 (22). С. 136.
5. Osinskaya J. V., Pokoev A. V. Influence of the constant magnetic field on kinetics of beryllium bronze BrB-2 aging // Defect and Diffusion Forum. 2003. V. 216-217. P. 157.
6. Perov N.S., Radkovskaya A.A. A vibrating Sample Anisometer // Proceeding of 1 and 2 Dimensional Magnetic Measurements and Testing. Austria, Bad-Gastein. 20-21 September. 2001. Р. 104.
7. Авксентьев Ю.И., Золина З.К., Зубенко В.В. и др. Физика твердого тела: спецпрактикум / под общ. ред. А.А. Кацнельсона, Г.С. Крин-чика. М.: МГУ, 1982. 304 с.
8. Osinskaya J.V., Pokoev A.V., Perov N.S. The Magneto-Plastic Effect at Beryllium Bronze after Aging in the Constant Magnetic Field // Defect and Diffusion Forum. 2006. V. 249. P. 111.
9. Постников С.Н., Сидоров В.П. // Прикладные проблемы прочности и пластичности: Всесоюз. межвуз. сб. Горький: ГГУ им. Лобачевского, 1980. С. 165.
10. Изгодин А.К., Шипко Г.А. Исследование прочностных свойств ферромагнитного сплава Fe-Si-Al в магнитном поле // ФММ. 1983. Т. 56. Вып. 6. С. 1227.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 621.785.78:537.636
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1207-1210
MECHANISMS OF MAGNITOPLASTIC EFFECT IN ^-Be-ALLOYS
© Y.V. Osinskaya, A.V. Pokoev
Samara State Aerospace University, Samara, Russian Federation, e-mail: [email protected], [email protected]
With the purpose of an establishment of possible mechanisms magneto-plastic effect at ageing binary cooper-beryllium alloys in a constant magnetic field the experimental research of processes of aggregation nanoscale phase precipitation in beryllium bronze BrB-2 is executed by methods of microhardness and residual magnetization. It is established, that the constant magnetic field significantly influences on kinetics phase formation in an alloy at ageing, namely, it is found out essential "negative" magneto-plastic effect. Possible qualitative mechanisms are offered.
Key words: ageing; constant magnetic field; magneto-plastic effect; beryllium bronze BrB-2.
REFERENCES
1. Osinskaja Ju.V., Pokoev A.V. Uprochnenie berillievoj bronzy BrB-2 pri starenii v postojannom magnitnom pole. Fizika i khimiya obra-botki materialov — Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2003, no. 3, p. 18.
2. Morgunov R.B. Spinovaja mikromehanika v fizike plastichnosti. Uspehi fizicheskih nauk — Advances in Physical Sciences, 2004, vol. 174, no. 2, p. 131.
3. Valiev R.Z., Aleksandrov I.V. Nanostrukturnye materialy, poluchennye intensivnoj plasticheskoj deformaciej. Moscow, LOGOS Publ., 2000. 272 p.
4. Osinskaja Ju.V., Pokoev A.V. Kompleksnoe issledovanie starenija berillievoj bronzy BrB-2 v postojannom magnitnom pole. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo universiteta — Vestnik of Samara State University, 2001, no. 4 (22), p. 136.
5. Osinskaya J.V., Pokoev A.V. Influence of the constant magnetic field on kinetics of beryllium bronze BrB-2 aging. Defect and Diffusion Forum, 2003, vol. 216-217, p. 157.
6. Perov N.S., Radkovskaya A.A. A vibrating Sample Anisometer. Proceeding of 1 and 2 Dimensional Magnetic Measurements and Testing. Austria, Bad-Gastein. 20-21 September, 2001, p. 104.
7. Avksent'ev Ju.I., Zolina Z.K., Zubenko V.V. et al. Fizika tverdogo tela: specpraktikum. Moscow, Moscow State University Publ., 1982. 304 p.
8. Osinskaya J.V., Pokoev A.V., Perov N.S. The Magneto-Plastic Effect at Beryllium Bronze after Aging in the Constant Magnetic Field.
Defect and Diffusion Forum, 2006, vol. 249, p. 111.
9. Postnikov S.N., Sidorov V.P. In: Vsesojuznyj mezhvuzovskij sbornik "Prikladnye problemy prochnosti i plastichnosti". Gorky, Gorky State University Publ., 1980, p. 165.
10. Izgodin A.K., Shipko G.A. Issledovanie prochnostnyh svojstv ferromagnitnogo splava Fe-Si-Al v magnitnom pole. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1983, vol. 56, no. 6, p. 1227.
Received 10 April 2016
Осинская Юлия Владимировна, Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева (национальный исследовательский университет), г. Самара, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики твердого тела и неравновесных систем, e-mail: [email protected]
Osinskaya Yuliya Vladimirovna, Samara State Aerospace University, Samara, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Solid State Physics and Nonequilibrium Systems Department, e-mail: [email protected]
Покоев Александр Владимирович, Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева (национальный исследовательский университет), г. Самара, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики твердого тела и неравновесных систем, e-mail: [email protected]
Pokoev Aleksander Vladimirovich, Samara State Aerospace University, Samara, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of Solid State Physics and Nonequilibrium Systems Department, e-mail: [email protected]
