CC BY
20
УДК 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1423-1427
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЗАРОЖДЕНИЕ И ДИНАМИКУ ПОЛОС МАКРОЛОКАЛИЗОВАННОЙ ДЕФОРМАЦИИ В АЛЮМИНИЙ-МАГНИЕВОМ СПЛАВЕ
© А.А. Шибков, М.Ф. Гасанов, А.А. Денисов, А.Е. Золотов, В.И. Иволгин, В.В. Ломакин, О.В. Гребеньков
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Проведены экспериментальные исследования влияния прямоугольных импульсов тока на полосообразование и прерывистую деформацию алюминий-магниевого сплава АМг5. Установлено, что для полного подавления зарождения полосы деформации необходима предварительная обработка сплава током плотностью 60 А/мм2 в течение не менее одной секунды.
Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация, импульсный электрический ток, полоса деформации.
Известно, что импульсный электрический ток вызывает скачкообразную деформацию металлов [1]. Это явление - электропластический эффект (ЭПЭ) - состоит в резком падении напряжения течения при пропускании через деформируемый образец коротких, длительностью ~30-100 мкс, импульсов тока большой плотности ~103-104 A/мм2 [2]. После окончания импульса тока напряжение течения восстанавливается до исходного значения. В настоящее время электропластический эффект обнаружен и экспериментально исследован у многих металлов и сплавов, которые в отсутствие импульсов тока демонстрируют гладкие (без скачков) кривые деформации. Для его объяснения обычно используют анализ соотношения силы электронного ветра, действующей на дислокации, а также на внутренние и внешние поверхности раздела, пинч эффекта, джоулев разогрев, а также магнитопластиче-ский эффект на собственном магнитном поле тока [23]. Несмотря на продолжающуюся дискуссию относительно механизмов ЭПЭ, электротоковая обработка практически используется в технологии металлообработки: при прокатке, волочении, плющении и т. д.
Авторы настоящей работы обнаружили и исследовали феноменологически обратный электропластическому эффект, состоящий в подавлении постоянным электрическим током небольшой плотности 10-60 ^мм2 скачкообразной (прерывистой) деформации Портеве-на-Ле Шателье (ПЛШ) с одновременным увеличением напряжения течения в некоторых авиационных сплавах систем Al-Mg-Mn, Al-Li-Mg и Al-Zn-Cu-Mg [4], которые в отсутствие тока демонстрируют явно выраженный эффект ПЛШ при комнатной и повышенных температурах. Явление подавления постоянным током прерывистой деформации подтверждено на алюминий-магниевом сплаве АА5754-0 в недавней экспериментальной работе [5]. В [5-6] с помощью квазиизотермических экспериментов с током и без тока было установлено, что подавление током прерывистой деформа-
ции не связано непосредственно с джоулевым нагревом всего образца. В [4] обсуждаются два основных механизма подавления током деформационных скачков. Первый из них связан с подавлением током процесса динамического деформационного старения (ДДС) дислокаций из-за изменения времени сегрегации примесных атомов на дислокациях, вызванных электромиграцией, а второй - с растворением током малых преципитатов с меньшей электропроводностью по сравнению с матрицей, что может вызвать упрочнение сплава и подавление прерывистой деформации в рамках преци-питатной модели эффекта ПЛШ в области инверсного поведения критической деформации появления первого скачка на кривых деформации. Настоящая работа продолжает изучение механизмов эффекта подавления током прерывистой деформации металлов. Цель работы состоит в исследовании с помощью комплекса высокоскоростных методов регистрации деформационных полос, измерения силового, акустического и теплового отклика влияния электрического тока на зарождение и распространение полос макролокализованной деформации, вызывающих прерывистую деформацию ПЛШ на примере алюминий-магниевого сплава АМг5.
Плоские холоднокатаные образцы промышленного сплава АМг5 (АА5556) (Al-5,35%Mg-0,41%Mn-0,25%Si-0,27%Fe, вес.%) в форме двухсторонних лопаток с размерами рабочей части 0,5x2,5x6 мм деформировали с постоянной скоростью растяжения е 0 = const в жесткой испытательной машине (Instron, модель 3344). Методики регистрации деформационных полос на поверхности деформируемого образца, включающие обработку цифровых изображений, измерения акустической эмиссии (АЭ) и температуры изложены в [5]. Отличительной особенностью настоящей работы является разработка и использование системы обратной связи между акустическим сигналом - предвестником деформационного скачка - и генератором прямоугольного импульса электрического тока, позво-
ляющей пропускать импульсы тока заданной плотности и продолжительности на разных стадиях эволюции деформационных полос, связанных с зарождением, распространением и остановкой деформационных полос.
Схема синхронизации различных стадий формирования деформационных полос с импульсами тока и системой воздушного охлаждения включает акустический датчик, укрепленный на неподвижной лопатке образца, генератор импульсов тока, амплитудой 10110 А, длительностью переднего фронта 1-10 мкс и длительностью крыши 0,01-3 с, компрессор для воздушного охлаждения образца, блок управления с системой контролируемой задержки между сигналом акустической эмиссии, вызванным начальной, наиболее быстрой, стадией развития деформационной полосы, и генерацией прямоугольного импульса тока и одновременно запитыванием электромагнитного затвора компрессора. Для синхронизации акустического сигнала и/или сигнала тензодатчика, регистрирующего силовой отклик системы машина-образец с кадрами видеосъемки выходной сигнал камеры, представляющий собой последовательность прямоугольных импульсов (меандр) на частоте видеосъемки (500-2000 Гц), подавался вместе с сигналом АЭ (и/или тензодатчика) на коммутатор и далее на аналого-цифровой преобразователь и компьютер.
Ранее в [5-6] было установлено, что оптимальные условия для подавления постоянным током прерывистой деформации ПЛШ в алюминий-магниевом сплаве с содержанием 5-6% Mg соответствуют начальной стадии инверсного поведения критической деформации
ес в этих сплавах, а именно е0 = (1 — 3) -10—3 с-1 и Tth « 50-60 °С. В настоящей работе температура образца, контролируемая инфракрасным термометром Testo-845 с точностью 0,5 °С, поддерживалась равной 55 °С с помощью климатической камеры. Одновременно с пропусканием импульса тока климатическая камера продувалась воздухом комнатной температуры, что обеспечивало колебания температуры камеры в пределах от 55 до 60 °С при длительности крыши импульса (и соответственно времени продува) до 3 с. Отметим, что в сплаве АМг5 скачки напряжения при чисто печном нагреве (в отсутствие тока через образец) исчезают при температурах выше 90 °С [5]. Таким образом, разработанные методики позволяют комплексно исследовать in situ влияние импульсов тока на динамику деформационных полос, не связанное непосредственно с джоулевым нагревом, а следовательно, обусловленное действием собственно электронов проводимости на динамику дислокационного ансамбля и/или на структуру или стопоров.
Высокоскоростные исследования in situ динамики деформационных полос в сплавах системы Al-Mg-Mn [7-8] показали, что эволюция полосы ПЛШ состоит из двух последовательных стадий: «быстрой», продолжительностью до 10 мс, на которой полоса зарождается от поверхностного источника на ребре плоского образца и пересекает сечение образца, и последующей «медленной» стадии расширения полосы до величины, сопоставимой с толщиной образца, продолжительностью несколько сотен мс. Быстрая стадия развития деформационной полосы сопровождается скачком разгрузки системы машина-образец амплитудой Дст от 3 до 15
МПа в зависимости от уровня деформирующего напряжения, и характерным сигналом АЭ, а медленная -восстановлением напряжения до исходного (до скачка) значения.
В первой серии экспериментов генератор прямоугольных импульсов тока запускали от начального всплеска акустического сигнала длительность ~1 мс, вызванного зарождением деформационной полосы, время задержки т устанавливали равным 1 мс, длительностью переднего фронта импульса тока = 1
мс, а длительность крыши Т = 0,8 с устанавливали несколько меньшей среднего времени между скачками
разгрузки А » 1,0 с (при е 0 = 10~3 с-1, ст» 240-270 МПа, Тй = 55 °С). При таком соотношении характерных времен эксперимента полоса деформации зарождается спонтанно в отсутствие тока, а момент включения тока приходится на начальную, быструю стадию развития деформационной полосы спустя не более 2 мс после зарождения полосы. Амплитуду плотности тока устанавливали ]т = 60 А/мм2, равной плотности постоянного тока, полностью подавляющего скачки напряжения при данных температурно-скоростных условиях деформирования [5].
Рис. 1. Фрагмент скачкообразной кривой деформации сплава АМг5 и эпюра прямоугольного импульса без эффекта подавления (а) и с подавлением скачков током (б). ит сг - пороговое напряжение тензодатчика, запускающее генератор прямоугольного импульса тока, М - время между скачками на данном участке кривой деформации, т < А/ - время задержки между скачком разгрузки и начальным моментом генерации импульса тока, тк - время восстановления скачков на деформационной кривой как мера инерционности эффекта подавления током скачков нагрузки. Т - длительность прямоугольного импульса тока
Cинхронные записи скачка разгрузки Дст , сигнала АЭ, импульса тока и временной зависимости площади A полосы - площади, заключенной между границами полосы, показали, что во время действия тока динамика полосы деформации не демонстрирует каких-либо особенностей, отличающих ее от динамики полосы в отсутствие тока (см. [9]). Не изменяется также характер развития последующей медленной стадии эволюции полосы, амплитуда и форма скачка разгрузки.
Таким образом, если постоянный ток плотностью
= 10 A/мм2 включается сразу (в пределах 3 мс) после зарождения полосы деформации, то он не оказывает заметного влияния на эволюцию этой полосы и характеристики скачка напряжения, вызванного развитием данной полосы деформации. В то же время, если постоянный ток такой же плотности включается до достижения критической деформации ес , при которой в отсутствие тока на деформационной кривой появляется первый скачок напряжения, то образец деформируется монотонно, без скачков, т. е. наблюдается эффект полного подавления скачков напряжения и соответственно деформационных полос [5]. Поэтому причину подавления током прерывистой деформации следует искать во влиянии тока на механизм зарождения деформационных полос.
Для экспериментального изучения этого вопроса необходимо включить ток за некоторое время ^ до ожидаемого скачка напряжения и измерять вероятность зарождения полосы деформации в зависимости от ttr , которое имеет смысл времени предварительной электротоковой обработки металла до ожидаемого момента зарождения полосы. Схема эксперимента состоит в следующем. На прерывистом участке кривой деформации в отсутствие электротокового воздействия выбирается фрагмент, содержащий 10-15 скачков напряжения, и измеряется среднее время между скачками Дt. При заданных температурно-скоростных условиях
эксперимента (е0 = 3 -10~3 с-1, Гй и 55 X) это время меняется от и 1,0 до и 1,5 с с ростом деформационного напряжения.
Генератор импульса запускается либо от акустического сигнала, либо сигнала тензодатчика по достижению величины всплеска сигнала АЭ и амплитуды скачка разгрузки некоторого порогового значения. Поскольку амплитуда сигналов АЭ и скачков разгрузки растет с ростом деформирующего напряжения, то варьированием порогового значения сигнала можно контролировать стадию деформирования, в которой генератор прямоугольного импульса тока включается от некоторого г'-го скачка, амплитуда которого достигла порога срабатываемого генератора. Длительность крыши устанавливается приблизительно равной сред
нему времени между скачками для исследования возможности этим импульсом тока подавить i+1-й скачок деформации, а время задержки г между включением генератора и моментом генерации прямоугольного импульса тока варьируется от эксперимента к эксперименту в пределах от 0 до приблизительно At. Время предварительной электротоковой обработки /fr вычисляется как At — г (рис. 1). Таким образом, варьированием времени задержки г можно контролировать время электротоковой обработки и измерять вероятность подавления очередного i+1-го скачка деформации и, соответственно, подавлять процесс зарождения первичной полосы деформации.
Статистический анализ попыток подавления очередного скачка прямоугольным импульсом тока амплитудой jm = 60 A/мм2 показал, что при 0 < ttr < 0,3 с вероятность подавления скачка напряжения равна нулю, при ttr > 0,8 с с вероятностью равна единице, а в
промежуточной области 0,3 < ttr < 0,8 вероятность монотонно возрастает от 0 до 1. Таким образом, для полного подавления процесса зарождения деформационных полос, а следовательно, скачков напряжения необходима предварительная обработка данного сплава в течение не менее 0,8 с током плотностью 60 A/мм2
(при е0 = 3 -10—3 с-1, Tth « 55 °C). Предположительно это время необходимо для растворения током малых преципитатов (зон Гинье-Престона), образующихся на ранних стадиях старения сплава. Полученные результаты подтверждают преципитатную модель подавления током прерывистой деформации ПЛШ [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Троицкий О.А. // Письма в ЖЭТФ. 1969. Т. 10. С. 18.
2. Спицын В.И., Троицкий O.A. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 161 с.
3. MolotskiiM., Fleurov V. // Phys. Rev. B. 1995. V. 52. P. 15829.
4. Шибков А.А., Золотое А.Е., Желтое М.А., Денисов А.А., Гаса-новМ.Ф. // Кристаллография. 2015. Т. 60. С. 929.
5. Шибков А.А., Денисов А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гаса-новМ.Ф., Иволгин В.И. // ФТТ. 2015. Т. 57. С. 228.
6. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. // Materials Science & Engineering A 610. 2014. P. 338.
7. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В., Желтов М.А., Шукли-нов А.В. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 22-29.
8. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. // Известия РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 97-107.
9. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. // ФТТ. 2010. Т. 52. № 11. С. 2223-2231.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-08-00773).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1423-1427
INFLUENCE OF IMPULSES OF ELECTRIC CURRENT ON NUCLEATION AND DYNAMICS OF BANDS OF THE MACROLOCALIZED DEFORMATION IN ALYUMINUM-MAGNIESIUM ALLOY
© A.A. Shibkov, M.F. Gasanov, A.A. Denisov, A.E. Zolotov, V.I. Ivolgin, V.V. Lomakin, O.V. Grebenkov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Experimental study of influence of rectangular impulses of current on the band formation and jerky flow of aluminum-magnesium alloy AlMg5 are performed. It is established that preliminary processing of the alloy by current with a density of 60 A/mm2 during not less than one second is necessary for full suppression of the deformation band nucleation.
Key words: aluminum-magnesium alloy; serration deformation; electric current pulse; deformation band.
REFERENCES
1. Troitskiy O.A. Pis'ma v Zhurnal jeksperimental'noj i teoreticheskoj fiziki - JETP Letters, 1969, vol. 10, p. 18.
2. Spitsyn V.I., Troitskiy O.A. Elektroplasticheskaya deformatsiya metallov. Moscow, Nauka Publ., 1985. 161 p.
3. Molotskii M., Fleurov V. Phys. Rev. B, 1995, vol. 52, p. 15829.
4. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A., Denisov A.A., Gasanov M.F. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2015, vol. 60, p. 929.
5. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F., Ivolgin V.I. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2015, vol. 57, p. 228.
6. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. Materials Science & Engineering A 610, 2014, p. 338.
7. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Mikhlik D.V., Zheltov M.A., Shuklinov A.V. Deformatsiya i razrushenie materialov - Russian metallurgy (Metally), 2009, no. 9, pp. 22-29.
8. 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.
9. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2010, vol. 52, no. 11, pp. 2223-2231.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (project no. 16-08-00773).
Received 10 April 2016
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]
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]
Иволгин Владимир Иванович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, лаборант кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Ivolgin Vladimir Ivanovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Laboratory Assistant of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Ломакин Виктор Васильевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, лаборант кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Lomakin Viktor Vasilevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Laboratory Assistant of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Гребеньков Олег Викторович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Grebenkov Oleg Viktorovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
