close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Влияние слабых электрических потенциалов на релаксацию напряжений в алюминии

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Невский Сергей Андреевич Шифр научной специальности: 01.04.07 - физика конденсированного состояния Шифр диссертационного совета: Д 212.252.04 Название организации: Сибирский государственный индустриальный университет Адрес организаци
На правах рукописи
Невский Сергей Андреевич
ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ
НА РЕЛАКСАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЙ В АЛЮМИНИИ
Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Новокузнецк – 2012
1
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Сибирский государственный индустриальный университет”
Научный руководитель
доктор физико-математических наук,
профессор Громов Виктор Евгеньевич
Официальные оппоненты:
Шаркеев Юрий Петрович,
доктор физико-математических наук,
профессор, ФГБУН Институт физики
прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук,
заведующий лабораторией наноструктурных биокомпозитов
Молотков Сергей Григорьевич,
кандидат физико-математических наук,
доцент, ФГБОУ ВПО «Кузбасская государственная педагогическая академия»,
доцент кафедры физики и методики преподавания физики
Ведущая организация
ФГУП Центральный научноисследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина
Защита состоится "5" июня 2012 года в 12 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Сибирский государственный индустриальный университет” по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул.
Кирова, 42. Факс (3843) 46-57-92. E-mail: d212_252_04@sibsiu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Сибирского
государственного индустриального университета
Автореферат разослан «___» апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор химических наук, профессор
В.Ф. Горюшкин
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Экспериментальные исследования пластических и прочностных
свойств металлов помимо методов активной деформации и ползучести предусматривают метод релаксации напряжений. Изучение релаксации напряжений важно не только с
научной, но и с практической точки зрения. В условиях релаксации напряжений работают все напряженные механические соединения и упруго-напряженные детали. В ряде
случаев, при расчетах на прочность, критерии релаксации напряжений становятся решающими. В этой связи актуальной проблемой физики конденсированного состояния и
физического материаловедения является разработка способов управления релаксацией
напряжений. Одним из таких способов являются внешние энергетические воздействия.
Однако для разработки способов управления пластической деформацией с помощью
этих воздействий необходимо изучение физической природы влияния этих воздействий.
К настоящему времени установлено, что обработка токовыми импульсами, сильные электрические и магнитные поля, а также радиационные воздействия оказывают
существенное влияние на процессы пластической деформации. Несмотря на большие
успехи в этой области, остаются практически не изученными вопросы, связанные с
влиянием слабых электрических воздействий, к числу которых относится воздействие
слабыми электрическими потенциалами. До сих пор это воздействие исследовалось
применительно к деформации ползучести. Релаксация напряжений в условиях приложения электрических потенциалов практически не исследовалась.
Цель работы: выявление закономерностей влияния слабых электрических потенциалов и контактной разности потенциалов на характеристики релаксации напряжений
технически чистого алюминия и изменение дислокационной субструктуры.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие
задачи:
1. Установить закономерности изменения характеристик процесса релаксации напряжений при влиянии электрического потенциала и контактной разности потенциалов.
2. Проанализировать эволюцию дислокационной субструктуры алюминия при релаксации напряжений как в обычных условиях, так и при воздействии электрического потенциала.
3. Выявить механизм влияния слабых электрических потенциалов и контактной
разности потенциалов на релаксацию напряжений.
Научная новизна. Впервые проведены исследования влияния слабых электрических потенциалов на процесс релаксации напряжений в алюминии. Установлено, что
при подключении к образцам технически чистого алюминия электрического потенциала от стабилизированного источника питания средняя скорость релаксации напряжений
увеличивается, а активационные параметры снижаются. При подключении металлов с
иной, чем у алюминия, работой выхода наблюдается немонотонное изменение средней
скорости релаксации.
Исследования дислокационной подсистемы материала показали, что в образцах,
испытанных на релаксацию напряжений при воздействии электрического потенциала,
происходит увеличение объемных долей дислокационных субструктур и скалярной
плотности дислокаций.
3
Предложен механизм влияния слабых электрических потенциалов на релаксацию
напряжений, который заключается в том, что при подключении электрического потенциала происходит перераспределение электронной плотности в поверхностных слоях
материала, которое приводит к изменению условий самоорганизации дислокационных
субструктур, что проявляется в изменении их объемных долей.
Научная и практическая значимость исследования заключается в том, что его
результаты способствуют более глубокому пониманию природы влияния слабых энергетических воздействий на структуру и свойства материалов, что позволит разработать
принципы управления релаксацией напряжений в деталях ответственного назначения.
Сформированный в работе банк экспериментальных данных об изменении параметров
процесса релаксации позволит провести математическое моделирование процесса релаксации напряжений в условиях слабых энергетических воздействий.
Полученные в работе данные о влиянии электрического потенциала на процесс
релаксации напряжений могут быть использованы для разработки способов регулирования эффектов упругого механического последействия и эффекта Баушингера при
операциях обработки металлов давлением. Рассмотренное внешнее воздействие может
быть использовано в качестве способа снижения остаточных напряжений в сварных узлах после сварки проводников при производстве различных электромеханических устройств ответственного назначения.
Результаты работы могут быть использованы при разработке учебных программ и
курсов лекций по физике конденсированного состояния и физическому материаловедению.
Реализация результатов. Установленные закономерности изменения параметров
процесса релаксации напряжений при воздействии слабых электрических потенциалов
реализованы: в ОАО «НИИ Электромеханических приборов» при отработке режимов
термоэлектрической тренировки тонкопленочных наборов резисторов и гибридных интегральных схем; в Институте проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины
при расчете и анализе напряженно-деформированного состояния деталей, работающих
в условиях релаксации напряжений; в НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета при изучении механических свойств сплавов
на основе алюминия, обладающих прерывистой текучестью; в Институте физики им.
Л.В. Киренского СО РАН при изучении электрических свойств материалов для датчиков, чувствительных к слабым электрическим полям; в НИТУ «Московский институт
сталей и сплавов» при разработке тестовых механических испытаний на упругое последействие; в ООО «Сибирские промышленные технологии» при отработке операции
заневоливания пружин подвески; в ООО «Ремкомплект» при отработке технологий
операций листовой штамповки.
Личный вклад состоит в проведении экспериментов по установлению влияния
слабых электрических потенциалов на процесс релаксации напряжений, в обработке
полученных результатов, формулировке положений, выносимых на защиту, и основных
выводов, а также в написании статей, тезисов докладов и подготовке их к публикации.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью поставленных
задач исследования, большим объемом экспериментальных данных и привлечением
статистических методов их обработки, анализом литературных данных и критическим
4
сопоставлением установленных в работе закономерностей с результатами других авторов, а также справками об использовании результатов.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Закономерности изменения характеристик релаксации напряжений при слабых
электрических воздействиях, заключающиеся:
– в увеличении глубины релаксации, средней скорости релаксации и снижении
активационного объема вне зависимости от знака подключаемого потенциала;
– в обнаружении немонотонной зависимости средней скорости релаксации напряжений и активационного объема от контактной разности потенциалов при
подключении металлов с отличной от алюминия работой выхода.
2. Совокупность экспериментальных данных, показывающих влияние слабых электрических потенциалов на характеристики дислокационной субструктуры алюминия, которая позволяет установить закономерности изменения этой субструктуры в условиях данных воздействий.
3. Механизм влияния слабых электрических потенциалов, заключающийся в том,
что при изменении электрического потенциала поверхности происходит изменение поверхностной энергии, меняющее условия самоорганизации дислокационной субструктуры в поверхностных слоях материала и, соответственно, скорость
релаксации напряжений.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы доложены на следующих научных мероприятиях: 3–й Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2009; IV научной школе
«Физическое материаловедение», Тольятти, 2009; Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, Технологии, Инновации», Новосибирск, 2009; V Научнотехнической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург,
2009; Всероссийской Байкальской конференции по наноструктурным материалам:
«Байкал-Нано», Иркутск, 2009; X Международной научно-технической Уральской
школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2009; VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2010; XVIII республиканской конференции «ФКС − 18», Гродно, 2010; 6-й
Международной конференции: «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2010; Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов, 2010; XXII международной конференции
«Релаксационные явления в твердых телах». Воронеж, 2010; Международной научнотехнической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии», Комсомольск на Амуре, 2010; 50-м международном симпозиуме «Актуальные проблемы
прочности», Витебск, 2010; VII Всероссийской конференции «Физико-химия неорганических материалов», Москва, 2010; 51-й Международной конференции «Актуальные
проблемы прочности», Харьков, 2011; V Российской научно-технической конференции
«Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2011; XVII Международной конференции «Современная техника и технологии», Томск, 2011; V Международной научной школе «Физическое материаловедение», Тольятти, 2011; VI Научнотехнической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург,
2011; II Московских чтениях по проблемам прочности, Черноголовка, 2011.
5
Работа выполнена в рамках грантов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.г.» (гос. контракт № П411) и РФФИ (проекты
10-07-00172-а; 11-08-90712 - моб_ст).
По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 8 статей в журналах, включенных в Перечень ВАК.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа
по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и
давления» паспорта специальности 01.04.07 – Физика конденсированного состояния
(технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, приложения и списка цитируемой литературы, включающего
159 наименований. Диссертация включает 136 страниц, 63 рисунка, 18 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность научной работы, показана научная новизна
и практическая ценность исследований, сформулированы положения, выносимые на
защиту, излагается личный вклад автора.
Первый раздел «Пластическая деформация в условиях внешних электрических воздействий» является обзорным. В нем проанализировано состояние вопроса о
влиянии внешних энергетических воздействий на процесс пластической деформации,
приведены основные концепции релаксации механических напряжений. Рассмотрены
работы по изучению импульсного токового воздействия и воздействия сильными электростатическими полями. Отмечено, что влияние слабых энергетических воздействий
изучено в значительно меньшей степени. В заключительной части сформулирована
цель работы и основные задачи.
Во втором разделе «Материал и методика исследований» обоснован выбор материала для исследований и методик экспериментов. Описаны принцип действия и
схема установки для испытаний на релаксацию напряжений, способы подключения
электрического потенциала, методы обработки релаксационных кривых и определения
параметров процесса релаксации. Для выявления изменений тонкой структуры алюминия в процессе релаксации напряжений проводились электронно-микроскопические
исследования на просвечивающем электронном микроскопе ЭМ – 125. Приведены методики определения характеристик дефектной субструктуры. Для решения поставленных в работе задач в качестве объекта исследования был выбран технически чистый
алюминий А 85, образцы которого подвергались отжигу при температуре 773 К в течении 2-х часов.
Эксперимент на релаксацию напряжений проводился следующим образом. В течение 30 с проводилось нагружение образца, затем по достижении определенного напряжения, которое составляло во всех экспериментах σ0 = 57 МПа, нагружение прекращалось, и далее фиксировался спад усилия. Подключение электрического потенциала от стабилизированного источника питания и металлов с разной работой выхода
6
осуществлялось в момент начала релаксации напряжений. Во избежание протекания
тока через образец, он и испытательная установка изолировались от земли. Статистическая обработка проводилась по 10 образцам во всех состояниях. Эффект влияния электрических воздействий характеризовался величинами относительных значений средней
скорости релаксации и активационного объема, которые определялись как δ = (υel – υ0) /
υ0 ; ζ = (γel – γ0)/γ0, где υel, γel – значения средней скорости релаксации и активационного объема в случае электрического воздействия, υ0, γ0 – значения данных параметров
без воздействия.
В третьем разделе «Результаты экспериментальных исследований релаксации напряжений при изменении электрического потенциала поверхности» рассмотрены результаты исследований релаксации напряжений при влиянии электрического потенциала и контактной разности потенциалов. Установлено, что при подключении потенциала от стабилизированного источника питания средняя скорость релаксации напряжений увеличивается, а активационный объем уменьшается. Причем знак
потенциала не играет роли. На рисунке 1 приведены зависимости изменений средней
скорости релаксации δ (кривая 1) и активационного объема ζ (кривая 2). Известно, что
пластическая деформация при низких температурах протекает за счет скольжения дислокаций, которое блокировано препятствиями, преодолеваемыми термофлуктуационным путем. При этом активационный объем
bld , где b – вектор Бюргерса (b= 0,286
нм), d – поперечник локального стопора, l – длина дислокационной петли. Принимаем
d b , тогда l
/ b 2 . Порядок величины l ~ ρ-1/2, где ρ – плотность дислокации «леса»,
может определяться средним расстоянием между локальными стопорами. В ГЦК материалах такими стопорами являются дислокации «леса». Оценки плотности дислокаций
«леса», частоты колебаний дислокационного сегмента по формуле 0
, где νD
Db
– частота Дебая, b – модуль вектора Бюргерса, ρ – плотность дислокаций, которая вычисляется как ρ = b4/γ2 , показывают, что они увеличиваются с ростом потенциала (таблица 1).
1
2
Рисунок 1 – Зависимости относительных значений средней скорости релаксации
(1) и активационного объема (2) от электрического потенциала
7
Таблица 1 – Значение активационного объема, плотности дислокаций и частоты
колебаний дислокационного сегмента при различных значениях потенциала
φ, В
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
γ, 10-27м3
1,19
1,35
1,29
1,70
1,41
1,27
1,39
ρ, 1011 см-2
4,72
3,67
4,02
2,31
3,36
4,15
3,46
ν0, 1010 с-1
1,97
1,73
1,81
1,38
1,65
1,84
1,68
Влияние контактной разности потенциалов на процесс релаксации напряжений
неоднозначно. Рисунок 2а демонстрирует изменение δ при подключении к образцам
металлов с иной, чем у алюминия, работой выхода. Зависимость δ от возникающей
контактной разности потенциалов Δφ носит немонотонный характер. В области положительной контактной разности потенциалов резкое возрастание δ наблюдается при
подключении меди, а затем при подключении Ni и Cr она снижается. Присоединение
железа не влияет на изменение средней скорости релаксации. Установленные изменения средней скорости релаксации связаны с изменением активационных параметров
процесса релаксации напряжений. При подключении металлов с отличной от алюминия
работой выхода наблюдается немонотонный характер
δ
ζ
Δφ,В
Δφ, В
Рисунок 2 – Зависимость относительных значений средней скорости релаксации (а) и
активационного объема (б) от контактной разности потенциалов
зависимости изменения относительного значения активационного объема ζ от Δφ (рисунок 2б). Минимальные значения ζ наблюдаются при подключении меди и титана, а в
случае Ni и Zr происходит его увеличение. При подключении свинца значение ζPb = 0,02, то есть несколько меньше, чем при подключении титана (ζTi = -0,01), но, повидимому, активационный объем должен увеличиваться, так как процесс релаксации в
данном случае замедляется (рисунок 2а). Полученные результаты свидетельствуют об
изменении частоты колебаний дислокационного сегмента, причем при Δφ = 0,15 В и
Δφ = -0,25 В она будет максимальной. В таблице 2 приведены значения плотности дис8
локаций и частоты колебаний сегмента. Действительно, при подключении меди и свинца частота колебаний сегмента выше, чем при подключении других металлов.
Установленные выше изменения характеристик процесса релаксации напряжений
связаны с изменением его поверхностной энергии. Анализ литературных источников
показал, что при электрическом контакте металлов происходит выделение энергии, которая идет на перестройку дислокационной подсистемы материала, что и приводит к
изменениям характеристик пластичности. При электрическом контакте алюминия с металлами с отличной работой выхода его поверхностная энергия принимает вид W=W0 +
We, где We – составляющая поверхностной энергии, обусловленная перераспределением электронной плотности при электрическом воздействии, W0 – поверхностная энергия в обычных условиях.
Таблица 2 – Изменение плотности дислокаций и частоты колебаний дислокационного
сегмента при подключении различных металлов
Параметр
Подключаемый металл
Zr
Pb
Ti
–
Fe
Cu
Ni
Cr
Плотность
2,30 3,07 3,01 2,97 3,20 3,96 2,16 1,57
дислокаций,
ρ, 1011 см-2
Частота колебаний
1,37 1,58 1,57 1,56 1,62 1,80 1,33 1,13
сегмента, ν0, 1010 Гц
Результаты расчетов составляющей данной энергии по формулам (1) и (2), полученным, исходя из модели плоского конденсатора, согласно которой, образующийся,
при изменении электрического состояния поверхности образца, двойной электрический
слой представляется как конденсатор, показаны в таблицах 3 и 4.
1 0 2
We
.
(1)
2 d1 d 2
1
2
В случае контакта алюминия со стабилизированным источником питания:
We
1 0
2 d2
2
.
(2)
Видно, что при положительной контактной разности потенциалов идет рост величины We (таблица 3), причем при подключении Ni и Сr она больше, чем при подключении меди. Как было указано выше, при подключении Ni и Сr скорость релаксации
замедляется, а при подключении Сu увеличивается. Это позволяет предположить двоякую роль изменения поверхностной энергии материала. С одной стороны, это изменение влияет на условия перемещения дислокаций, снижая силу сопротивления их движению и тем самым ускоряя процесс пластической деформации. С другой стороны, оно
может способствовать образованию дефектов, блокирующих их перемещение.
9
Таблица 3 – Значения составляющей поверхностной энергии алюминия, обусловленной
перераспределением электронной плотности при контакте с металлами, имеющими
разную работу выхода
Подключаемый
Контактная разность
|We|, Дж/м2
металл
потенциалов Δφ, В
Цирконий
-0,35
0,010
Свинец
-0,25
0,20
Титан
-0,16
0,31
Железо
0,06
0,016
Медь
0,15
0,30
Никель
0,25
0,36
Хром
0,33
0,40
При контакте со стабилизированным источником питания (таблица 4) энергия,
выделяющаяся с единицы площади образца, за счет релаксации электронной плотности
на порядок превышает величину поверхностной энергии материала без подключения
потенциала. Выделение такой значительной энергии может повлиять на образование и
размножение дислокаций, что не может не отразиться на дефектной субструктуре материала и, как следствие, на параметрах процесса релаксации напряжений.
Таблица 4 − Значения составляющей поверхностной энергии алюминия, обусловленной перераспределением электронной плотности при подключении электрического потенциала
от стабилизированного источника питания
Потенциал |φ|, В
0,5
|We|, Дж/м2
5,76
1
23,05
1,5
51,87
Таким образом, предлагаемый механизм влияния электрического потенциала,
заключается в следующем: при подключении к алюминию, испытуемому на
релаксацию напряжений, электрического потенциала происходит изменение его
поверхностной энергии за счет перераспределения электронов, которое
интенсифицирует образование дислокаций и меняет условия их перемещения, что
должно привести к перестройке его тонкой структуры и, соответственно, увеличению
средней скорости релаксации и снижению активационного объема.
Раздел 4 «Влияние электрического потенциала на дислокационную
субструктуру алюминия при релаксации напряжений» посвящен изучению
эволюции дислокационной субструктуры при воздействии слабых электрических
потенциалов
Результаты электронно-микроскопических исследований показали, что в случае
подключения электрического потенциала и в обычных условиях, в материале
10
наблюдаются четыре типа субструктур: хаотическая, сетчатая, полосовая и
фрагментированная.
В области, прилегающей к поверхности нагружения, в обычных условиях
преобладает полосовая дислокационная субструктура (рисунок 3 а), тогда как при
подключении потенциала ее объемная доля падает, но растет объемная доля
равноосных фрагментов (рисунок 3 б).
а
б
Рисунок 3 – Дислокационные субструктуры при релаксации напряжений
полосовая субструктура (а), фрагментированная (б)
(область вблизи поверхности нагружения)
На рисунке 4 приведены зависимости объемных долей этих дислокационных
субструктур. Видно, что объемная доля равноосных фрагментов в поверхностном слое
выше, чем в центре образца. Это говорит о том, что фрагментация зерен в поверхностных слоях протекает быстрее, чем в центральном слое. Приложение электрического потенциала увеличивает скорость фрагментации. Наличие субструктур, таких, как полосовая и фрагментированная, говорит о присутствии ротационной моды пластической
деформации, проявление которой усиливается с подведением электрических потенциалов.
Основным типом субструктуры в объеме зерен и фрагментов является структура
дислокационного хаоса, которая распределена по всему объему структурного элемента,
а сетчатая субструктура располагается вблизи его границы. С приложением электрического потенциала в поверхностном слое материала снижается доля хаотической дислокационной субструктуры и, соответственно, увеличивается доля сетчатой субстуктуры.
При потенциале 0,5 В объемная доля хаотической субструктуры составляет 0,87, а при
φ = 1 В – 0,6; тогда как в обычных условиях PV = 0,96. В центральном слое объемная
доля дислокационного хаоса в обычных условиях составляет 0,97; при φ = 0,5 В – 0,865,
соответственно при потенциале 1 В РV = 0,94.
Причиной такого расположения хаотической и сетчатой субструктур является несовместность деформации структурных элементов, которая является причиной возникновения изгибных экстинкционных контуров (рисунок 5). Расчет амплитуды полей
внутренних дальнодействующих напряжений показал, что в обычных условиях она составляет 248 МПа, а при потенциалах 0,5 В и 1 В – 407 МПа и 300 МПа соответственно.
11
I
II
Рисунок 4 – Зависимости объемной доли типов дислокационной субструктуры от приложенного потенциала для разных мест препарирования образцов
1 – в центральной зоне; 2 – на поверхности. I, II – средняя объемная доля полосовой
субструктуры и равноосных фрагментов, соответственно
Значение скалярной плотности
дислокаций составляет при потенциале
0,5 В – 0,6∙1010 см-2, а при потенциале
1 В – 1,45 ∙ 1010 см-2, тогда как в случае
релаксации напряжений без подключения потенциала – 1,13 ∙ 1010 см-2.
Структура области, удаленной от
поверхности нагружения, отличается
от области, прилегающей к ней. В ней
отсутствует фрагментированная субструктура, объемная доля полосовой
субструктуры в обычных условиях незначительна (рисунок 6 в). Основным
Рисунок 5 – Изгибные экстинкционные контуры
типом субструктуры, как и в области,
(область вблизи поверхности нагружения)
прилегающей к торцу образца, является субструктура дислокационного хаоса (рисунок 6 а), также выявлено формирование сетчатой субструктуры (рисунок 6 б).
При подключении потенциала 0,5 В объемная доля хаотической субструктуры в
объеме зерен и в субграницах полосовой субструктуры уменьшается, тогда как объемная доля сетчатой субстуктуры растет. При потенциале 1 В доля хаотической субструктуры увеличивается, соответственно уменьшается доля сетчатой субструктуры
(таблица 5). Объемная доля полосовой субструктуры с ростом потенциала увеличивается до 0,04 при потенциале 0,5 В и до 0,21 при φ = 1 В. В случае образцов, испытанных
без подключения потенциала, ее Pv = 0,03.
12
Рисунок 6 – Дислокационные субструктуры алюминия, формирующиеся при релаксации напряжений, стрелкой на (г) обозначен изгибный экстинкционный контур
(область, удаленная от поверхности нагружения)
Таблица 5 – Влияние электрического потенциала на дислокационную субструктуру алюминия
Потенциал, В
0
0,5
1
Объемная доля PV
Тип ДСС
хаотическая сетчатая
0,89
0,11
0,87
0,13
0,97
0,03
На рисунке 7 представлены зависимости, демонстрирующие роль величины потенциала в формировании дислокационной субструктуры алюминия, подвергнутого
испытанию на релаксацию напряжений в условиях сжатия, в области удаленной от поверхности нагружения.
Из анализа представленных на рисунке 7 зависимостей следует, что приложение
электрического потенциала сопровождается существенным (в ~2,5 раза) ростом скалярной плотности дислокаций (кривая 1), снижением в ~2,7 раза линейной плотности
изгибных экстинкционных контуров (кривая 3) и в ~1,2 раза величины средних поперечных размеров изгибных экстинкционных контуров (кривая 2). Линейная плотность
изгибных экстинкционных контуров связана с потенциалом линейной зависимостью,
подчиняющейся уравнению
0,26
0,4133 (коэффициент корреляции r2=0,998),
2, 6939
0,808 1,1
а плотность дислокаций уравнением:
(r2 = 0,988). Ширина изгибных экстинкционных контуров связана с величиной электрического потенциала урав0,6064 2) (r2=0,986).
нением h exp( 0,516 0,7495
13
1,0
0,8
1,8
0,6
0,4
3
1,2
h,10 нм; , мм
-2
см
-2
1
2
3
0,2
0,6
0,0
0,0
0,5
1,0
,В
Рисунок 7 – Зависимости скалярной плотности дислокаций (1), средних поперечных
размеров изгибных экстинкционных контуров h (2) и линейной плотности изгибных
экстинкционных контуров η (3) от величины электрического потенциала
Амплитуда полей внутренних дальнодействующих напряжений составила при потенциале 0,5 В – 191 МПа, а при потенциале 1 В – 177 МПа. В обычных условиях значение данной амплитуды составляет 153 МПа.
Таким образом, при подключении электрического потенциала к металлу, испытываемому на релаксацию напряжений, происходит перестройка дислокационных субструктур. Это выражается в формировании развитых дислокационных субструктур, характерных для поворотной моды пластичности, что возможно в случае повышения
плотности дислокаций. Увеличение плотности дислокаций при подключении электрического потенциала свидетельствует об активизации дислокационных источников, что
является возможной причиной повышения скорости релаксации напряжений.
Установленные в работе закономерности изменения параметров дислокационной
субструктуры при воздействии потенциала позволяют сделать заключение о том, что
предлагаемый механизм влияния электрического потенциала на процесс релаксации
напряжений, выдвинутый в разделе 3, может иметь место.
В пятом разделе приведены направления реализации результатов диссертационного исследования.
В приложении приведены справки о практическом использовании результатов
диссертационной работы.
Основные выводы:
1. Установлен эффект изменения характеристик процесса релаксации механических
напряжений алюминия, который заключается в увеличении средней скорости релаксации в 1,1 раза при φ = 0,5 В и в 1,5 раза при φ = 1 В и уменьшении величины
активационного объема в 1,2 раза при φ = 0,5 В и в 1,3 раза при
φ = 1 В.
2. Показано, что контактная разность потенциалов, возникающая при подключении
металлов с иной, чем у алюминия, работой выхода приводит к немонотонному
изменению средней скорости релаксации в интервале -0,35 < Δφ < 0,33 В. Максимум эффекта влияния приходится на значение Δφ = +0,16 В (средняя скорость
14
3.
4.
5.
6.
релаксации увеличивается в 1,3 раза), а минимум на Δφ = -0,25 В (средняя скорости релаксации уменьшается в 1,2 раза).
Установлены закономерности изменения характеристик дислокационных субструктур в условиях слабых электрических потенциалов, которые заключаются в
том, что при подключении к образцам, испытуемым на релаксацию напряжений,
слабых электрических потенциалов происходит увеличение объемной доли равноосных фрагментов в 1,6 раза при φ = 0,5 В и в 3,9 раза при φ = 1 В в области
вблизи поверхности нагружения. Объемная доля полосовой субструктуры в данной области уменьшается в 1,2 раза и в 3,1 раза при φ = 0,5 В и 1 В соответственно. В области, удаленной от поверхности нагружения, объемная доля полосовой
субструктуры увеличивается в 1,3 раза при потенциале 0,5 В и в 7 раз при φ = 1
В, а фрагментированная субструктура практически отсутствует. Совокупность
этих результатов позволяет сделать заключение об усилении ротационной моды
пластичности при подключении электрических потенциалов.
Обнаружено, что в образцах, испытанных на релаксацию напряжений с подключением электрического потенциала, скалярная плотность дислокаций увеличивается в 2,5 раза в области, удаленной от поверхности нагружения и в 1,3 раза в
области вблизи поверхности нагружения при потенциале 1 В по сравнению с образцами, испытанными на релаксацию напряжений без подключения электрического потенциала.
Предложен механизм влияния электрического потенциала на процесс релаксации
напряжений, заключающийся в изменении поверхностной энергии, вследствие
перераспределения электронной плотности, которая приводит к перестройке
дислокационной субструктуры, приводящей к увеличению средней скорости релаксации напряжений и снижению активационного объема.
Установленный факт увеличения средней скорости релаксации при подключении
электрических потенциалов использован: для снижения напряжений в сварном
узле при компрессионной сварке алюминиевых проводников в интегральных
схемах цифро-аналоговых преобразователей, что позволило улучшить их электрические характеристики (ОАО «НИИ ЭМП»); для минимизации влияния эффекта упругого механического последействия и эффекта Баушингера при операциях листовой штамповки, что позволило повысить выход готовой продукции на
8 % (ООО «Сибпромтех» и ООО «Ремкомплект»).
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
В журналах из Перечня ВАК
1. Невский, С. А. Изменение активационного объема процесса релаксации напряжений алюминия при воздействии слабых электрических потенциалов и подключения различных металлов [Текст] / С. А. Невский, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения – 2010. – № 1. – С. 17–20.
2. Невский, С. А. Релаксация напряжений алюминия при подключении разнородных металлов [Текст] / С. А. Невский, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Известия
вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки – 2010. – № 6. –
С. 49–51.
15
3. Невский, С. А. Влияние электрического потенциала поверхности алюминия на
релаксацию напряжений [Текст] / С. А. Невский, С. В. Коновалов, В. Е. Громов //
Журнал технической физики. – 2011. – Т. 81. – Вып. 6. – С. 133–136.
4. Невский, С. А. Эволюция дислокационной субструктуры алюминия при релаксации напряжений в условиях слабых электрических воздействий [Текст] / С. А.
Невский, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов [и др.] // Вопросы материаловедения. –
2011. – № 4. – С. 45–51.
5. Невский С. А. Влияние внешних электрических воздействий на процесс релаксации механических напряжений алюминия [Текст] / С. А. Невский, С. В. Коновалов, С. Н. Кульков [и др.]. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2011. – № 4. – С. 23–26.
6. Иванов, Ю. Ф. Влияние электрического потенциала на процесс перестройки дислокационных субструктур алюминия при релаксации напряжений [Текст] / Ю.
Ф. Иванов, С. А. Невский, С. В. Коновалов [и др.] // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия "Физико-математические науки". – №1(116). – 2011. – С. 78–
81.
7. Петрунин, В. А. О влиянии слабых электрических воздействий на релаксацию
механических напряжений в алюминии [Текст] / В. А. Петрунин, С. А. Невский,
С. В. Коновалов [и др.] // Ученые записки Петрозаводского государственного
университета. Серия «Естественные и технические науки». – 2011. – № 2 (115). –
С. 85–88.
8. Петрунин, В. А. Исследование релаксации напряжений при изменении электрического потенциала поверхности алюминия, деформированного сжатием [Текст]
/ В. А. Петрунин, С. А. Невский, С. В. Коновалов [и др.] // Вестник Тамбовского
университета. Серия «Естественные и технические науки». – 2011. – Т. 16. – Вып.
3. – С. 826–828.
В других изданиях
1. Невский, С. А. Методическое обеспечение исследования релаксации напряжений
при внешних энергетических воздействиях [Текст] / С. А. Невский, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение
металлургии. – 2009. – Вып. 24. – С. 179–184.
2. Невский, С. А. О влиянии слабых электрических потенциалов на релаксацию напряжений в алюминии [Текст] / С. А. Невский, С. В. Коновалов, В. Е. Громов //
Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлурги. – 2009.–
Вып. 25. – С. 119–123.
3. Невский, С. А. Релаксация напряжений в алюминии при воздействии электрического потенциала [Текст] / С. А. Невский, В. А. Петрунин, С. В. Коновалов [и
др.] // Вестник РАЕН. Западно-Сибирское отделение. – 2010. – Вып. 12. – С. 143–
146.
4. Невский, С. А. Возможный механизм релаксации механических напряжений при
воздействии электрических потенциалов [Текст] : сб. науч. тр / С. А. Невский, С.
В. Коновалов, В. Е. Громов // Влияние электромагнитных полей на пластичность
и прочность материалов. – Новокузнецк: СибГИУ, 2011. – С. 46–50.
5. Невский, С. А. Влияние электрического потенциала на энергетические параметры
процесса релаксации напряжений в алюминии [Текст] / С. А. Невский, С. В. Ко16
новалов, В. Е. Громов // Материалы 3–й Международной конференции: «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». – Москва: ИМЕТ РАН им.
А.А. Байкова, 2009. – Ч. 1. – С. 151.
6. Невский, С. А. О влиянии электрического потенциала на процесс релаксации напряжений в алюминии / С.А. Невский, С. В. Коновалов, М. В. Пономарева //
Сборник трудов X Международной научно-технической Уральской школысеминара металловедов-молодых ученых. – Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2009. –
С. 254–256.
7. Невский, С. А. Релаксация напряжений в алюминии в условиях влияния электрических потенциалов [Текст] : сб. тез. докл. / С. А. Невский С. В. Коновалов, В. Е.
Громов // Сборник трудов IV научной школы: «Физическое материаловедение» –
Тольятти: ТГУ, 2009. – С. 79–80.
8. Невский, С. А. Роль электрического потенциала в изменении скорости релаксации напряжений алюминия [Текст] : сб. тез. докл. / С. А. Невский С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Материалы 6-й Международной конференции: «Фазовые
превращения и прочность кристаллов». – Черноголовка: ИФТТ РАН, 2010. –
С.143.
9. Невский, С. А. Отклик параметров процесса релаксации напряжений на воздействие электрическими потенциалами [Текст] : сб. материалов / С. А. Невский С.
В. Коновалов, В. Я. Целлермаер [и др.] // Материалы Международной научнотехнической конференции « Современное материаловедение и нанотехнологии».
– Комсомольск на Амуре: КнАГТУ, 2010. – С. 210–213.
10. Невский, С. А. Роль контактной разности потенциалов в изменении активационных параметров процесса релаксации напряжений в алюминии [Текст] : сб.
материалов / С. А. Невский, С. В. Коновалов, М. В. Пономарева [и др.] // Материалы 50-го международного симпозиума «Актуальные проблемы прочности». –
Витебск: ИТА НАН Беларуси, 2010. –Т.1 – С. 116.
11. Невский, С. А. Поведение параметров процесса релаксации напряжений алюминия А 85 при воздействии электрического потенциала [Текст] : сб. материалов /
С. А. Невский // Сборник материалов VII Всероссийской конференции «Физикохимия неорганических материалов». – Москва: ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова,
2010 – С. 509–510.
12. Невский, С. А. Исследование влияния электрического потенциала на величину
релаксационной податливости алюминия [Текст] : сб. тез. докл. / С. А. Невский,
С. В. Коновалов, М. В. Пономарева [и др.] // Тезисы докладов XXII международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах». –Воронеж: ВГТУ.
2010. – С.17–18.
13. Невский, С. А. Влияние электрического потенциала на процесс перестройки дислокационных субструктур алюминия [Текст] : сб. материалов / С. А. Невский, С. В. Коновалов, Ю.Ф.
Иванов [и др.] // Материалы 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы
прочности». – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2011. – С. 63.
14. Невский, С. А. Влияние электрического потенциала на эволюцию дислокационных субструктур алюминия [Текст] : сб. материалов / С. А. Невский, С. В. Коновалов, М. В. Пономарева [и др.] // Материалы V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций». – Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2011. – С. 4.
17
Подписано в печать «__» ______ 2012 г. Формат 60 х 84
Бумага писчая. Печать офсетная
Усл. печ.л. Уч.-изд. л. Тираж Заказ
Издательский центр ФГБОУ ВПО «СибГИУ»,
654007, Новокузнецк, ул. Кирова, 42.
18
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
48
Размер файла
668 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа