Влияние слабых электрических потенциалов на процесс

УДК 539.2
ББК 22.373
Н 40
Невский С.А.
Аспирант кафедры физики Сибирского государственного индустриального университета,
г. Новокузнецк, тел. (3843) 78-43-67, факс (3843) 46-57-92, e-mail: nevskiy_sa@physics.sibsiu.ru
Коновалов С.В.
Кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры физики Сибирского государственного
индустриального университета, г. Новокузнецк, тел. (3843) 78-43-67, факс (3843) 46-57-92, e-mail:
konovalov@physics.sibsiu.ru
Воробьев С.В.
Кандидат технических наук, доцент кафедры графики и начертательной геометрии Сибирского
государственного индустриального университета, г. Новокузнецк, тел.(3843) 46-29-80, факс (3843)
46-57-92
Громов В.Е.
Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики Сибирского государственного индустриального университета, г. Новокузнецк, тел. (3843) 78-43-66, факс (3843) 4657-92, e-mail: gromov@physics.sibsiu.ru
Влияние слабых электрических потенциалов на процесс
релаксации напряжений в алюминии*
(Рецензирована)
Аннотация
Исследована релаксация напряжений в поликристаллическом алюминии под влиянием электрического потенциала при испытаниях материала на сжатие. Получены и проанализированы релаксационные
кривые при влиянии потенциала различного знака. Установлено, что электрический потенциал оказывает влияние на процесс релаксации, что находит отражение в изменении активационного объема.
Ключевые слова: релаксация напряжений, электрический потенциал, активационный объем.
Nevskiy S.A.
Post-graduate student of Physics Department of Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, ph.
(3843) 78-43-67, fax (3843) 46-57-92, e-mail: nevskiy_sa@physics.sibsiu.ru
Konovalov S.V.
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Competitor for a Doctor’s Degree at Physics Department of Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, ph. (3843) 78-43-66, fax (3843) 46-57-92,
e-mail: konovalov@physics.sibsiu.ru
Vorob'ev S.V.
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of Drawing and Descriptive Geometry Department of
Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, ph.: (3843) 46-29-80, fax (3843) 46-57-92
Gromov V.E.
Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of Faculty of Physics of Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, ph. (3843) 78-43-66, fax (3843) 46-57-92, e-mail: gromov@physics.sibsiu.ru
Influence of weak electrical potentials
on stress relaxation processes in the aluminium
Abstract
Stress relaxation in the polycrystalline aluminium under the influence of electric potential is investigated at
tests of a material for compression. Relaxation curves have been obtained and analyzed at agency of the various
sign potential. It is established that the electrical potential influences relaxation processes that finds reflection in
a change in activation volume.
Key words: stress relaxation, electrical potential, activation volume.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (гос. контракт № П411).
*
Введение
Актуальной проблемой современного материаловедения является изучение физикомеханических свойств материалов, подвергаемых пластической деформации, в условиях внешних энергетических воздействий. Большие успехи достигнуты в изучении
влияния импульсного тока высокой плотности, магнитного и электростатического полей [1–3], причем последнее воздействие хорошо изучено в щелочно-галлоидных кристаллах [4]. Однако задача изучения влияния электростатического воздействия на пластическую деформацию металлов существенно усложняется вследствие наличия большой концентрации свободных носителей заряда, которые экранируют всякое воздействие электростатическим полем. По этой причине в металлах выгоднее всего изменять
электрический потенциал поверхности.
Поведение деформационных характеристик металлов в условиях влияния электрического потенциала изучено в значительно меньшей степени. В работе [5] показано, что
скорость ползучести и микротвердость металлов заметно изменяются при изменении
электрического потенциала их поверхности. Влияние электрического потенциала на
процесс релаксации напряжений в металлах практически не изучалось.
В настоящей работе исследовано влияние электрического потенциала на процесс
релаксации напряжений в алюминии при сжатии. Испытания металла проводились в
диапазоне потенциалов от -1 до 1 В. В процессе исследования анализировались глубина релаксации, «логарифмическая» скорость, активационный объем.
Методика эксперимента
Перед проведением испытаний для снятия внутренних напряжений образцы технически чистого алюминия марки А85 подвергались рекристаллизационному отжигу при
775 K в течение 2-х часов. Для проведения экспериментов использовалась автоматизированная установка с программным обеспечением, позволяющим записывать релаксационные кривые [6]. Подведение электрического потенциала осуществлялось от стабилизированного источника питания. Статистическая обработка осуществлялась по 10-ти
образцам.
Определение параметра z - «логарифмической» скорости релаксации - проводилось
следующим образом.
Согласно [7] релаксационные кривые можно описать уравнением:
1
σ = σ f + K (t + a)1− m
,
(1)
где K, m и a - константы, σ – напряжение в данный момент времени, σ f – атермическая компонента напряжения (чаще всего в эксперименте за значение σ f принимают установившееся дно релаксационной кривой). Из (1) следует, что если построить
кривые релаксации в координатах ln σ – ln t , то по формуле z = ∆ ln σ ∆ ln t можно
вычислить значение z.
Однако при малых t, имеется отклонение от линейного хода, поэтому указанную
выше формулу для z следует применять для больших значений времени. Этот параметр принято называть «логарифмической» скоростью релаксации [8].
Активационный объем определялся по методике, описанной в работе [9]. Согласно этой методике скорость пластической деформации изменяется по уравнению
Аррениуса:
 u − γσ * 
,
ε& = ε&0 exp −
kT 

(2)
где u – энергия активации, γ – активационный объем, σ * = σ − σ f – эффективное
приложенное напряжение, σ – напряжение в данный момент времени, σ f – установившееся дно релаксационной кривой, k – постоянная Больцмана, T – температура
образца в процессе испытания.
Скорость спада напряжений в нагруженном образце определяется по формуле:
σ& = − Mε& ,
(3)
где M – упругая постоянная системы «образец–испытательная машина».
Решая совместно уравнения (2) и (3), получим:
 u − γσ * 
.
kT 

σ& = − Mε&0 exp −
(4)
Логарифмируя полученное соотношение, имеем:
ln(−σ& ) =
γ
kT
σ * +δ,
где
δ = ln(Mε&0 ) −
u
.
kT
(5)
Из соотношения (5) следует, что если построить релаксационные кривые в координатах ln(−σ& ) – σ * , то по формуле γ = kT ( ∆ ln( −σ& ) ∆σ * ) можно вычислить значение
активационного объема γ .
Результаты эксперимента и их обсуждение
На рисунке 1 приведены в качестве примера релаксационные кривые при потенциалах 0 и ± 1 В. Воздействие электрического потенциала увеличивает глубину релаксации напряжений. Видно, что при изменении потенциала поверхности образца скорость релаксации увеличивается вне зависимости от его знака.
Рис. 1. Характерные кривые релаксации напряжений
(1 – ϕ = –1 В, 2 – ϕ = 0 В, 3 – ϕ = 1 В)
Рисунок 2 показывает результаты исследования зависимости «логарифмической
скорости» релаксации z = ∆ ln(σ ) ∆ ln t от величины приложенного потенциала.
Видно, что вне зависимости от знака электрического потенциала наблюдается увеличение z.
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
-0,02
0,8
1
ϕ, В
-0,025
-0,03
-0,035
z, Па/с
-0,04
Рис. 2. Зависимость «логарифмической скорости» релаксации
z от величины приложенного потенциала
Изменение активационного объема при воздействии потенциала приведено на рисунке 3. Наблюдается снижение активационного объема при изменении потенциала поверхности образца вне зависимости от его знака. Различие между положительной и отрицательной ветвями обусловлено, по-видимому, статистическим разбросом.
2,4
γ, 10-27м3
2,3
2,2
2,1
2
1,9
-1
-0,5
0
0,5
ϕ, В
1
Рис. 3. Зависимость активационного объема от величины потенциала
Полученные факты могут быть объяснены исходя из следующих соображений. Известно, что пластическая деформация поликристаллических материалов должна начинаться в поверхностных слоях, где для зарождения и размножения дислокаций требует-
ся меньшее напряжение, чем в объеме [10]. При подведении электрического потенциала к металлу весь избыточный заряд сосредотачивается на его поверхности.
Следовательно, ускорение процесса релаксации напряжений логичнее всего связать
с явлениями на поверхности металла. По-видимому, проявляется явление, аналогичное
обнаруженному в [11] при воздействии поверхностно-активных веществ на процессы
обработки металлов давлением (ОМД). Его суть состоит в том, что под воздействием
поверхностно-активных веществ при ОМД происходит локализация пластической деформации в поверхностных слоях материала, что в свою очередь приводит к повышению способности металла к обработке.
Следовательно, при воздействии потенциала пластическая деформация локализуется в поверхностных слоях материала. Локализация пластической деформации в данных
областях говорит о том, что в поверхностном слое происходит самоорганизация дислокационных ансамблей [12]. Однако для подтверждения данного факта необходимо проведение исследований с привлечением других методов современного физического материаловедения, например, просвечивающей электронной микроскопии.
Выводы
1. Обнаружен эффект влияния электрического потенциала на процесс релаксации
напряжений.
2. Установлено, что знак потенциала не оказывает влияния на параметры процесса
релаксации напряжений.
3. Сделано предположение о связи установленных изменений с явлениями, происходящими на поверхности материала.
Примечания:
References:
1. Electromagnetic fields effect on the structure and
characteristic of materials: Book of the International seminar articles, 19-21 May 2009 / Institute
for Machines Science of the Russian Academy of
Sciences; ed. by Yu. Baranov, V. Gromov, G.
Tang. Novokuznetsk: Novokuznetsk Poligraphic
Center, 2009. 380 p.
1. Electromagnetic fields effect on the structure and
characteristic of materials: Book of the International seminar articles, 19-21 May 2009 / Institute
for Machines Science of the Russian Academy of
Sciences; ed. by Yu. Baranov, V. Gromov, G.
Tang. Novokuznetsk: Novokuznetsk Poligraphic
Center, 2009. 380 p.
2. Физические
основы и технологии обработки
современных материалов (теория, технология,
структура и свойства): в 2 т. Т. 1 / О.А. Троицкий и др. Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2004. 590 с.
3. Влияние малых магнитных полей на ползучесть AL / Д.В. Загуляев и др. // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер.
«Естественно-математические и технические
науки». 2009. Вып. 1(43). С. 50-54. URL:
2. Physical bases and technologies of processing
modern materials (the theory, technology, structure
and properties): in 2 v. Vol. 1 / O.A.Troitskiy etc.
Izhevsk: Institute of Computer Researches, 2004.
590 p.
3. Influence of small magnetic fields for Al creep /
D.V.Zagulyaev etc. // Vestnik of AGU. Ser. «Natural-Mathematical and Engineering Sciences».
2009.
Iss.
1(43).
P.
50-54.
URL:
http://vestnik.adygnet.ru
http://vestnik.adygnet.ru
4. Зуев Л.Б. Физика электропластичности щелочно-галлоидных кристаллов. Новосибирск: Наука, 1990. 120 с.
5. Прочность
и пластичность металлов при слабых энергетических воздействиях / С.В. Коновалов и др. Новокузнецк: Новокузнецкий полиграф. комбинат, 2009. 180 с.
4. Zuev L.B. Physics of electroplasticity of alkalinehalloid crystals. Novosibirsk: Nauka, 1990. 120 p.
5. Strength and plasticity of metals at weak power
influences / S.V.Konovalov etc. Novokuznetsk:
Novokuznetsk Polygraph. Industrial complex,
2009. 180 p.
6. Невский
С.А., Коновалов С.В., Громов В.Е.
Методическое обеспечение исследования релаксации напряжений в металлах при внешних
энергетических воздействиях // Вестник горнометаллургической секции РАЕН. Отделение
металлургии. 2009. Вып. 24. С. 179-184.
6. Nevskiy S.A., Konovalov S.V., Gromov V.E. Methodical maintenance of research of stress relaxation in metals at external power influences // Bulletin of Mountain-Metallurgical section of the Russian Academy of Natural Sciences. Metallurgy
Branch. 2009. Iss. 24. P. 179-184.
7. Drozd Z., Trojanová Z., Kúdela S. Degradation of
the mechanical properties of a Mg–Li–Al composite at elevated temperatures studied by the stress
relaxation technique // Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 462. P. 234-238.
7. Drozd Z., Trojanová Z., Kúdela S. Degradation of
the mechanical properties of a Mg–Li–Al composite at elevated temperatures studied by the stress
relaxation technique // Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 462. P. 234-238.
8. Борздыка
А.М., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.: Металлургия,
1978. 256 с.
8. Borzdyka A.M., Getsov L.B. Stress relaxation in
metals and alloys. М.: Metallurgy, 1978. 256 p.
9. Dotsenko V.I. Stress relaxation in crystals // Physica Status Solidi (b). 1979. Vol. 93. P. 11-43.
9. Dotsenko V.I. Stress relaxation in crystals // Physica Status Solidi (b). 1979. Vol. 93. P. 11-43.
10 Дударев Е.Ф.
Микропластическая деформация
и предел текучести поликристаллов. Томск:
Изд-во Томского ун-та, 1988. 256 с.
11. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А.
Физико-химическая механика металлов. М.:
Издательство АН СССР, 1962. 303 с.
12. Малыгин
Г.А. Процессы самоорганизации
дислокаций и пластичность кристаллов //
УФН. 1999. Т. 169, № 9. С. 979-1010.
10 Dudarev E.F. Microplastic deformation and a limit of fluidity of polycrystals. Tomsk: Publishing
House of Tomsk University, 1988. 256 p.
11. Likhtman V.I., Shchukin E.D., Rebinder P.A. The
physical and chemical mechanics of metals. М.:
Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1962. 303 p.
12. Malygin G.A. Processes of disposition selforganising and plasticity of crystals // UFN. 1999.
Vol. 169, No. 9. P. 979-1010.