CC BY
22
УДК 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1428-1431
ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЭФФЕКТ ПОРТЕВЕНА-ЛЕ ШАТЕЛЬЕ В АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
© А.А. Шибков, А.Е. Золотов, А.А. Денисов, М.Ф. Гасанов
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Экспериментально обнаружен эффект подавления прерывистой деформации Портевена-Ле Шателье постоянным электрическим током в алюминий-магниевом сплаве АМг5, который выражается в увеличении критической пластической деформации появления первого деформационного скачка на диаграмме растяжения с ростом плотности тока в диапазоне 15-60 А/мм2. Показано, что обнаруженный эффект не связан с джоулевым нагревом всего образца.
Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация; электропластический эффект; постоянный ток.
Электропластический эффект, как известно, состоит в резком падении напряжения течения при пропускании через деформируемый металлический образец коротких, длительностью ~30-100 мкс импульсов тока большой плотности А/мм2 [1-6]. Предполага-
ется, что импульсы тока являются триггерами развития дислокационных лавин с участием большого количества дислокаций в металле, которые вызывают его временное разупрочнение, регистрируемое в виде скачков разгрузки в силовом отклике механической системы [5-7]. В результате пропускания последовательности импульсов тока (обычно с заданной скважностью) кривая деформации приобретает скачкообразный вид (см. рис. 1 в работе [1]), напоминающий низкотемпературную скачкообразную деформацию металлов [8] или прерывистое течение Портевена-Ле Шателье [9]. В этом аспекте принято считать, что «электрический ток... вызывает скачкообразную деформацию металлов» [5, с. 66].
В настоящее время электропластический эффект обнаружен и экспериментально исследован у многих металлов и сплавов, которые в отсутствие импульсов электрического тока демонстрируют гладкие (без скачков) кривые деформации, и, несмотря на продолжающуюся дискуссию относительно механизмов этого явления, импульсная электротоковая обработка практически используется в технологии металлообработки: при прокатке, волочении, плющении и т. д. [10-11]. Вместе с тем в литературе фактически отсутствуют данные о систематических исследованиях влияния тока на деформационное поведение металлов и сплавов, демонстрирующих скачкообразную деформацию в отсутствие тока. Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению влияния постоянного электрического тока на прерывистую деформацию Порте-вена-Ле Шателье (ПЛШ) в алюминий-магниевом сплаве АМг5. Выбор материала исследования определялся следующим обстоятельствами: 1) эффект ПЛШ наиболее исследован в поликристаллических сплавах систе-
мы Al-Mg с содержанием магния от 3 до 6 % [12-13], которые проявляют прерывистое течение в технологически значимой области температур и скоростей деформирования, причем среди этих сплавов наибольшее количество работ посвящено сплаву АМг5; 2) этот сплав используется при производстве летательных аппаратов и автомобилей, а также в судостроении.
Поликристаллические образцы промышленного сплава АМг5 в форме двухсторонних лопаток с размерами рабочей части 6x2x0,5 мм вырезали из листового проката вдоль направления холодной прокатки (степень обжатия 0,3). Образцы отжигали в течение 1 ч при температуре 450 °С и закаливали на воздухе. Испытания на растяжение с постоянной скоростью деформирования проводили в испытательной машине Instron (модель 3344). Данные измерения нагрузки записывались со скоростью 100 Гц. В качестве источника тока использовали низковольтный (5В) источник постоянного тока SE-600-5 с ограничительным сопротивлением - балластным реостатом РБ-306П. Для охлаждения образца с током использовали массивные дюралюми-нивые захваты длиной 150 мм, которые электрически изолировались от испытательной машины с помощью захватов из плавленого кварца. Температуру поверхности образца измеряли с помощью инфракрасного пирометра Testo-845 с точностью 0,5 °С.
В отсутствие электрического тока сплав АМг5 демонстрирует инверсный эффект ПЛШ: критическая пластическая деформация ес, которая предшествует началу скачков разгрузки на деформационной кривой, возрастает с увеличением температуры испытания выше 40 °С и с уменьшением скорости деформирования ео в диапазоне от ~3 • 10-2 с-1 до ~3 • 10-4 с-1. Такое деформационное поведение сплава АМг5 типично для сплавов системы Al-Mg с содержанием магния от 3 до 5 %, деформируемых при температурах выше комнатной с постоянной скоростью е0 = const [12-13]. Оно характеризуется появлением на деформационных кри-
Рис. 1. Кривые растяжения при различных плотностях постоянного тока, но в одинаковых температурно-скоростных условиях деформирования (Т и 55 °С, 60 =3-10-3 с-1), демонстрирующие переход от прерывистого к монотонному пластическому течению с ростом плотности тока в сплаве АМг5. Кривые смещены друг относительно друга на постоянную величину 50 МПа по оси напряжения. На вставке показаны мелкие скачки, наблюдаемые до критической деформации
вых скачков типов В и С: скачки типа В связаны с колебаниями напряжения относительно осредненной огибающей кривой деформации, а скачки типа С - с так называемыми «скачками открепления» - более крупными скачками разгрузки ниже огибающей деформационной кривой.
Результаты настоящей работы показывают, что с ростом температуры испытания и уменьшением скорости деформирования происходит переход от скачков типа В к скачкам типа С. Предварительные экспериментальные исследования влияния постоянного тока на прерывистое течение сплава АМг5 показали, что наибольший эффект подавления током деформационных скачков наблюдается в начале инверсного поведения
критической деформации, а именно, при е0 ~ 3 • 10"3 с-1
и температуре образца Т и 55 °С.
Схема квазиизотермических экспериментов состоит в следующем. Сначала образец нагревали постоянным током плотностью ] до стационарной температуры
Т = Тй + ДТ} , где Тй - температура термостата
(климатической камеры), ДТ} - приращение темпера-
туры, связанное с джоулевым нагревом, и Т (и 55 °С) -температура испытания.
Затем образец, через который протекает ток плотностью у, деформировали с постоянной скоростью 60
(= 3 -10"3 с-1) до разрушения. В ходе деформирования с максимальной начальной плотностью тока (и 60 А/мм2) увеличение температуры образца, по данным измерения инфракрасным пирометром, не превышало 1,5 °С за исключением стадии образования шейки перед разрывом, когда этот прирост достигал ~10 °С и стадии зажигания электрической дуги при разрыве образца.
Кривые растяжения с одинаковой скоростью 3 -10"3 с-1 и приблизительно одинаковой температурой 55 °С, но с различной плотностью ] постоянного тока, протекающего через деформируемый образец, показаны на рис. 1. Кривые смещены на 50 МПа по оси ординат (оси напряжения) последовательно с ростом плотности тока оту = 0 (без тока) до у = 70 А/мм2. Как видно из рисунка, эффект ПЛШ наблюдается только в области плотности тока от 0 до около 55 А/мм2. Когда у превышает значение 55-58 А/мм2, повторяющиеся скачки разгрузки исчезают, и сплав демонстрирует макроскопически однородное пластическое течение, характеризуемое гладкой кривой растяжения, в то время как в отсутствие тока (у = 0) большое количество скачков нагрузки (М ~ 102) наблюдается на кривой растяжения. Поэтому подавление эффекта ПЛШ не связано непосредственно с джоулевым нагревом всего образца.
Эффект подавления током прерывистой деформации ПЛШ носит пороговый характер: ниже некоторой критической плотности тока ]с эффект подавления не наблюдается, т. е. значения бс не зависят от плотности тока у. С ростом плотности тока выше ]с и 15 А/мм2 критическая деформация ес линейно возрастает, причем коэффициент наклона к линейной зависимости зависит от типа скачков ПЛШ: в диапазоне плотности тока 15-25 А/мм2, в котором преобладает смесь типов
скачков В+С, коэффициент наклона кв
¡1,4 -10"
мм2/А, а в диапазоне от 27 + 2 А/мм2 до 50 А/мм2, характеризуемой скачками типа С, кс и 3,4 -10"3 А/мм2 при данной температуре и скорости деформирования.
Соответственно, общее количество скачков на кривой растяжения падает с увеличением плотности тока в области от ]с и 15 до 50 А/мм2. Это уменьшение сопровождается ростом амплитуды скачков разгрузки при одинаковых деформациях. Например, внутри интервала значений 6 от 17 до 18 % средняя амплитуда скачков напряжения составила 13 МПа (скачки типа В+С), если испытания на растяжение выполняли без электротоковой обработки = 0), а при плотности тока у = 36,2 А/мм2 средняя амплитуда скачков разгрузки в том же диапазоне 6 составила 15 МПа (скачки типа С).
В целом, средняя амплитуда скачков возрастает с ростом плотности тока выше критической ]с и 15 А/мм2 в пределах от 10 до 25 МПа. Соответственно, дисперсия величины 5 уменьшается от 20 (МПа)2 для деформационной кривой в отсутствие тока до и 4 (МПа)2 при у = 55 А/мм2, поскольку происходит переход от
3
смеси скачков В+С к скачкам одного типа - к скачкам типа С.
Таким образом, при данной скорости деформирования и температуре испытания области плотности тока, в которых происходит переход от прерывистых к гладким кривым растяжения, различны для разных типов пластических неустойчивостей: скачки напряжения типов В+С и С подавляются постоянным током в диапазонах 15-25 и 25-50 А/мм2 соответственно, а мелкие скачки исчезают в узком диапазоне 60-70 А/мм2.
Отметим, что электропластический эффект проявляет себя обычно как вызванное импульсным током уменьшение напряжения течения и значительно реже -как упрочнение деформируемого металла электрическим током [1-6]. В настоящей работе обнаружен небольшой эффект упрочнения постоянным током в областях плотности тока, в которых происходит подавление прерывистой деформации.
Таким образом, экспериментально обнаружено, что постоянный электрический ток влияет на деформационное поведение сплава АМг5 в двух основных аспектах: первый состоит в подавлении током прерывистой деформации, а второй - в упрочнении сплава, которое возрастает с увеличением плотности тока. Последний эффект может быть обусловлен растворением током небольших преципитатов ^(Л^М^) -фазы, поскольку примесные атомы в твердом растворе, как известно, являются основной причиной сопротивления движению дислокаций [14]. Эффект подавления прерывистой деформации электрическим током обнаружен также в алюминиевых сплавах АМг6, 1420 и В95пч [15-16].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Троицкий О.А. // Письма в ЖЭТФ. 1969. Т. 10. С. 18.
2. Okazaki K., Kagawa M., Conrad H. // Scr. Metall. 1978. V. 12. P. 1063.
3. Okazaki K., KagawaM., ConradH. // Scr. Metall. 1979. V. 13. P. 277.
4. Varma S., Coruwell L. // Scr. Metall. 1979. V. 13. P. 733.
5. Спицын В.И., Троицкий O.A. Электропластическая деформация металлов. M.: Наука, 1985. 160 с.
6. Conrad H., Sprecher A.F., Nabarro F.R.N. // Dislocation in Solids. New York: Elsevier Science, 1989. P. 497.
7. Рощупкин А.М., Батаронов И.Л. // Известия вузов. Физика. 1996. Т. 39. С. 57.
8. Клявин О.В. Физика пластичности кристаллов при гелиевых температурах. М.: Наука, 1987. 255 с.
9. Portevin A., Le Chatelier F. // Seances Acad. Sci. 1923. V. 176. P. 507.
10. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов. Теория, технология, структура и свойства: в 2 т. Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. Т. 1. 592 с.
11. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов. Теория, технология, структура и свойства: в 2 т. Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. Т. 2. 468 с.
12. Chihab K., Fressengeas C. // Mat. Sci. Eng. A 356. 2003. P. 102.
13. Kral R., Lukac P., JanecekM. // Mat. Sci. Forum. 1996. V. 217-222. P. 1025.
14. Tian B. // Mater. Sci. Eng. A 349. 2003. P. 272.
15. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. // Materials Science & Engineering A 610. 2014. P. 338.
16. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Гаса-новМ.Ф. // Кристаллография. 2015. Т. 60. С. 929.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование проведено в рамках выполнения госзадания Министерства образования и науки РФ № 2014/285 (проект № 2476).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1428-1431
INFLUENCE OF DIRECT CURRENT ON THE PORTEVIN-LE CHATELIER EFFECT IN ALUMINUM-BASED ALLOYS
© A.A. Shibkov, A.E. Zolotov, A.A. Denisov, M.F. Gasanov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected]
The effect of the direct current induced suppression of the Portevin-Le Chatelier serrated deformation in the aluminum-magnesium alloy 5056 has been revealed experimentally. This effect manifests itself as an increase in the critical plastic strain, which precedes the onset of serrations in the stress-strain curve, with an increase in the current density in the range from 15 to 60 A/mm2. It has been shown that the observed effect is not related to the Joule heating of the entire specimen.
Key words: aluminum-magnesium alloy; serration deformation; electroplastic effect; direct current.
REFERENCES
1. Troitskiy O.A. Pis'ma v Zhurnal jeksperimental'noj i teoreticheskoj fiziki — JETP Letters, 1969, vol. 10, p. 18.
2. Okazaki K., Kagawa M., Conrad H. Scr. Metall., 1978, vol. 12, p. 1063.
3. Okazaki K., Kagawa M., Conrad H. Scr. Metall., 1979, vol. 13, p. 277.
4. Varma S., Coruwell L. Scr. Metall., 1979, vol. 13, p. 733.
5. Spitsyn V.I., Troitskiy O.A. Elektroplasticheskaya deformatsiya metallov. Moscow, Nauka Publ., 1985. 160 p.
6. Conrad H., Sprecher A.F., Nabarro F.R.N. Dislocation in Solids. New York, Elsevier Science Publ., 1989. p. 497.
7. Roshchupkin A.M., Bataronov I.L. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika - Russian Physics Journal, 1996, vol. 39, p. 57.
8. Klyavin O.V. Fizikaplastichnosti kristallovpri gelievykh temperaturakh. Moscow, Nauka Publ., 1987. 255 p.
9. Portevin A., Le Chatelier F. Seances Acad. Sci., 1923, vol. 176, p. 507.
10. Troitskiy O.A., Baranov Yu.V., Avraamov Yu.S., Shlyapin A.D. Fizicheskie osnovy i tekhnologii obrabotki sovremennykh materialov. Teoriya, tekhnologiya, struktura i svoystva: v 2 t. Izhevsk, Computer Research Institute Publ., 2004, vol. 1, 592 p.
11. Troitskiy O.A., Baranov Yu.V., Avraamov Yu.S., Shlyapin A.D. Fizicheskie osnovy i tekhnologii obrabotki sovremennykh materialov. Teoriya, tekhnologiya, struktura i svoystva: v 2 t. Izhevsk, Computer Research Institute Publ., 2004, vol. 2, 468 p.
12. Chihab K., Fressengeas C. Mat. Sci. Eng. A 356, 2003, p. 102.
13. Kral R., Lukac P., Janecek M.Mat. Sci. Forum, 1996, vol. 217-222, p. 1025.
14. Tian B. Mater. Sci. Eng. A 349, 2003, p. 272.
15. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. Materials Science & Engineering A 610, 2014, p. 338.
16. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A., Denisov A.A., Gasanov M.F. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2015, vol. 60, p. 929.
GRATITUDE: The work is fulfilled within a framework of state assign accomplishment of Ministry of Education and Science of Russian Federation no. 2014/285 (project no. 2476).
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]
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]
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]
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]
