CC BY
11
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.8
Ю.Ф. Иванов, СЛ. Невский, C.B. Коновалов, В.Е. Громов
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ПРОЦЕСС ПЕРЕСТРОЙКИ ДИСЛОКАЦИОННЫХ СУБСТРУКТУР АЛЮМИНИЯ ПРИ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ
Для изучения пластических и прочностных свойств металлов помимо активной деформации и ползучести применяется метод релаксации напряжений. Исследование процесса указанной релаксации представляет не только научный, но и практический интерес. В условиях релаксации напряжений работают все напряженные механические соединения и упругонапряженные детали, а в ряде случаев при расчете деталей машин на прочность критерии релаксации становятся решающими [1]. В этой связи актуальной проблемой физического материаловедения является разработка способов управления релаксацией напряжений. Одним из таких способов могут оказаться внешние энергетические воздействия. Известно, что внешние электрические воздействия существенно изменяют структуру и фазовый состав металлов и сплавов и, как следствие, их физико-механические свойства. В работах [2 — 6] исследовалось ползучесть металлов при изменении электрического состояния поверхно-
=
Рис. 1. Места препарирования тонких фолы на образце: 1 — поверхностный слой, 2— расположенный на глубине 7,5 мм
сти. Результаты показали, что под действием потенциала увеличивается скорость ползучести и снижается вязкость разрушения, что может быть объяснено изменением характера дислокационной субструктуры. В [6] установлено, что при изменении электрического потенциала снижается объемная доля хаотической структуры и повышается соответствующая доля сетчатой субструктуры, что свидетельствует о существенной пластификации материала.
Цель настоящей работы — анализ изменений параметров дефектной субструктуры алюминия технической чистоты после релаксации напряжений как в обычных условиях, так и при наложении электрического потенциала. Ранее было установлено, что изменение электрического потенциала поверхности образца увеличивает среднюю скорость релаксации алюминия [7].
Объекты и методика эксперимента
Объектами исследования служили образцы (высота и поперечный размер —16 и 22 мм соответственно) технически чистого алюминия марки А85. Перед проведением испытаний для снятия внутренних напряжений образцы подвергались рекристаллизационному отжигу при 775 Кв течение двух часов. Для экспериментов использовалась автоматизированная установка с программным обеспечением, позволяющим записывать релаксационные кривые при сжатии. При достижении нагрузки 6500 Н и деформации 7 % нагру-жение прекращалось, и далее регистрировался спад усилия во времени. Статистическая обработка проводилась по 10 образцам, испытанным как в обычных условиях, так и при наложении потен-
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 1' 2011
циалов 0,5 и 1,0 В. Подведение электрического потенциала осуществлялось от стабилизированного источника питания. Для исключения протекания тока образец и сама испытательная машина изолировались от земли. Во всех случаях температура испытаний составляла 296 К. Исследование дефектной субструктуры осуществляли методами дифракционной электронной микроскопии тонких фольг (прибор ЭМ-125) [8—12]. Фольги готовили из двух слоев (рис. 1): включающего поверхность образца (1) и расположенного в его центре (2).
В процессе исследования анализировались изменения следующих величин: ^ — плотности изгибных экстинкционных контуров, а — амплитуды полей внутренних дальнодействующих напряжений и Р,,—объемных долей типов дислокационных субструктур. Величины определялись по методикам, приведенным в работах [8 — 12].
Результаты исследований и их обсуждение
Типичные кривые релаксации напряжений представлены на рис. 2.
Видно, что при наложении электрического потенциала скорость и глубина релаксации увеличивается; это должно отразиться на дефектной субструктуре материала.
Рис. 2. Типичные кривые релаксации напряжений в алюминии при различных значениях потенциала ф, В: 0 (/), 0,5 (2), 1 (3)
Выполненные исследования показали, что независимо от схемы проведения испытаний и места расположения анализируемой фольги (поверхность или центр образца) в исследуемом материале выявлены три типа дислокационных субструктур: хаотическая, сетчатая и дислокационные петли. Кроме того, в центральной зоне образца присутствуют оборванные субграницы, а также полосовая субструктура с неравно-и равноосными фрагментами (рис. 3). Как правило, структура дислокационного хаоса рас-
Рис. 3 Микрофотографии центральной зоны образцов алюминия после испытаний на релаксацию напряжений. Выявлены дислокационные субструктуры: а — оборванные субграницы; б и в — полосовая с неравноосными и равноосными фрагментами, соответственно
МПа
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 1' 2011
пределена равномерно по объему зерна, а сетчатая субструктура расположена преимущественно у границ или стыков границ зерен. Формирующиеся субграницы наряду с границами зерен служат источниками внутренних полей напряжений материала, которые выявляются при электронно-микроскопическом исследовании тон-
__ ------- 1 2
I II ^
\___
ф,в
Рис. 4. Зависимости параметров дислокационной субструктуры (а—в) от приложенного потенциала для разных мест препарирования образцов фольги:
1 — на глубине 7,5 мм; 2 — на поверхности. 1, 11 — средняя объемная доля полосовой субструктуры и равноосных фрагментов, соответственно
ких фольг по наличию изгибных экстинкцион-ных контуров (см. рис. 3, в).
Количественный анализ параметров дефектной субструктуры алюминия, подвергнутого испытанию на релаксацию напряжений без потенциала и в условиях приложенного потенциала, позволил выявить роль величины потенциала в деформации материала. Прежде всего, отметим существенную неоднородность протекания процесса деформации, т. е. зависимость состояния структуры материала от места расположения анализируемой фольги (в объеме образца или в его поверхностном слое). В центральной части материала идет монотонное увеличение плотности ^ изгибных экстинкци-онных контуров, тогда как в поверхностном слое характер зависимости указанной плотности от величины потенциала — немонотонный (рис. 4, а). Такое увеличение плотности контуров означает, что центральная зона образца находится в более упруго-напряженном состоянии, чем поверхность. Оценка амплитуды полей внутренних напряжений показала, что при обычных условиях в центре образца эта амплитуда в 3,3 раза больше, чем в поверхностном слое. С ростом электрического потенциала наблюдается спад напряжений в центральной зоне образца, тогда как в поверхностном слое эта зависимость немонотонна (рис. 4, б). Такие изменения полей напряжений говорят о перестройке дислокационной подсистемы, что проявляется в уменьшении средней объемной доли полосовой субструктуры и увеличении доли равноосных фрагментов (рис. 4, в).
При перестройке дислокационных субструктур происходит снижение напряжений вследствие как перекрытия полей напряжений при перегруппировке дислокаций [ 13], так и их аннигиляции. Возможно, что в наших условиях эти процессы являются сопутствующими. С одной стороны, происходит увеличение плотности изгибных экстинкционных контуров, но снижается амплитуда внутренних полей напряжений; с другой — рост объемной доли равноосных фрагментов показывает, что при переходе от полосовой субструктуры происходит снижение плотности дислокации вследствие их аннигиляции [ 14]. По-видимому, изменение электрического потенциала стимулирует эти процессы, что проявляется в увеличении скорости и глубины релакса-
4
Приборы и техника физического эксперимента.
ции (см. рис. 2). Перекрытие полей внутренних напряжений будет доминировать в центральных областях материала, что показывает рост значений плотности ^ и синение амплитуды а с увеличением потенциала 9. В поверхностном слое материала, по-видимому, преобладает аннигиляция дислокаций, что подтверждается более высокой (по сравнению с центральной областью) скоростью роста объемной доли равноосных фрагментов.
Сформулируем основные выводы, сделанные на основании проведенных исследований.
1. Приложение электрического потенциала приводит к снижению внутренних полей напря-
жений в центральной зоне образца. В поверхностном слое наблюдается немонотонная зависимость амплитуды дальнодействующих напряжений от величины потенциала.
2. Объемная доля полосовой субструктуры снижается, а объемная доля равноосных фрагментов повышается вне зависимости от места выбора фольги при изменении потенциала; это, по-видимому, способствует стимулированию процесса релаксации напряжений.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 г.г.» (гос. контракт N° П411) и РФФИ (проект 10-07-00172-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борздыка, А.М. Релаксация напряжений в металлах и сплавах [Текст] / A.M. Борздыка, Л.Б. Гецов,- М.: Наука, 1978.— 256 с,
2. Ri ми им, A.A. Влияние контакта разнородных металлов на ползучесть меди и алюминия [Текст] / A.A. Клыпин, A.A. Лучина // Известия АН СССР.— 1985.— № 2,- С. 138-146.
3. Коновалов, C.B. О влиянии электрического потенциала на скорость ползучести алюминия [Текст] / С. В. Коновалов, В.И. Данилов, Л.Б. Зуев [и др.] // ФТТ,- 2007,- Т. 49,- Вып. 8,- С. 13891391.
4. Иванов, Ю.Ф. Влияние электрического потенциала на поверхность разрушения алюминия при ползучести [Текст] / Ю.Ф. Иванов, C.B. Коновалов, O.A. Столбоушкина [и др.] // Вестник ЮУрГУ,- 2009,- № 22,- Вып. 1,- С. 66-71.
5. Коновалов, C.B. Роль электрического потенциала в ускорении ползучести и формировании поверхности разрушения AI [Текст] / C.B. Коновалов, O.A. Столбоушкина, Ю.Ф. Иванов [и др.] / / Известия РАН. Серия физическая,— 2009.— Т. 73.— № 9,- С. 1315-1318.
6. Gromov, V.E. Dislocation substructure evolution on Al creep under the action of the weak electric potential [Text] / V.E. Gromov, Yu.F. Ivanov, S.V. Ko-novalov [et al.] // Material Science and Engineering. A- 2010,- Vol. 527,- № 3,- P. 858-861.
7. Невский, C.A. Влияние слабых электрических потенциалов на процесс релаксации напряжений в алюминии [Текст] / С.А. Невский, C.B. Коновалов, C.B. Воробьев [и др.] // Вестник Адыгейского университета.— 2010.— Вып.1,— С. 90-95.
8. Хирш, П. Электронная микроскопия тонких кристаллов [Текст] / П. Хирш, А. Хови, Р. Никол-сон [и др.]— М.: Мир, 1968— 576 с,
9. Громов, В.Е. Физика и механика волочения и объемной штамповки [Текст] / В.Е. Громов, Э.В. Козлов, В.И. Базайкин [и др.]— М.: Недра, 1997- 296 с.
10. Конева, H.A. Дальнодействуюшие поля напряжений, кривизна-кручение кристаллической решетки и стадии пластической деформации. Методы измерений и результаты [Текст] : сб. науч. тр. / H.A. Конева, Э.В. Козлов, Д.В. Лычагин [и др.] // Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела.—Томск: ТГУ, 1990.— С. 83-93.
11. Конева, H.A. Природа субструктурного упрочнения [Текст] / H.A. Конева, Э.В. Козлов // Изв. Вузов. Физика — 1982 — № 8— С. 3-14.
12. Конева, H.A. Эволюция дислокационной субструктуры и стадии пластического течения поликристаллического железо-никелевого сплава / H.A. Конева, Э.В. Козлов, Д.В. Лычагин [и др.] // ФММ,- 1985,- Т. 60,- № 1,- С. 171- 179.
13. Фарбер, В.М. Классификация процессов релаксации напряжений и их проявление при пластической деформации металлов [Текст] / В.М. Фарбер, О.В. Селиванова // Металлы.— 2001.— № 1,- С. НО- 115.
14. Конева, H.A. Физическая природа стадийности пластической деформации [Текст] / H.A. Конева, Э.В. Козлов // Изв. Вузов. Физика.— 1990,- № 2- С. 89-106.
