Влияние электромагнитного поля на пластическую деформацию двойникованием кристаллов висмута тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 од

. БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

2 I •

УДК 669-17

ПИНЧУК Александр Иванович

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ ДВОЙНИКОВАНИЕМ КРИСТАЛЛОВ ВИСМУТА

О! .04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск 1998

Работа выполнена в Мозырском государственном педагогическом институте на кафедре общей физики.

Научный руководитель: кандидат физико-математических

наук, доцент САВЕНКО B.C.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор ШЕПЕЛЕВИЧ В.В. кандидат физико-математических наук СОЙКА В.К.

Оппонирующая организация: Физико-технический институт

НАН Беларуси

Защита диссертации состоится "_"_1998г. в 14

часов, на заседании специализированного Совета Д 02.01.16 по защите диссертаций в Белорусском государственном университете. (220080, г. Минск, пр. Скорины 4, главный корпус, ауд.206)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан "_"_1998г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций В.Ф. СТЕЛЬМАХ

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Развитие новых областей техники ставит задачу создания материалов, обладающих комплексом физико-механических свойств, которые определяются служебными характеристиками: пластичностью, прочностью, износостойкостью и т.д. Реализация этой задачи идет как по пути конструкционных и механико-термических воздействий, так и с помощью немеханических сил - внешних энергетических воздействий, электромагнитных полей. Это направление в физике прочности и пластичности активно развивается в настоящее время, так как имеет большой научный и практический интерес и предоставляет возможность управления служебными характеристиками металлов, создания специальных электротехнологий, имеющих целый ряд преимуществ: возможность значительного изменения пластических и прочностных характеристик. Легкость осуществления и регулирования электромагнитного воздействия, локальность и максимально возможное в природе быстродействие выгодно отличают электромагнитные методы от традиционных и делают их перспективными для разработки принципиально новых технологий обработки металлов.

В значительной степени изучены электропластический (ЭПЭ) и магнитопластический (МПЭ) эффекты. ЭПЭ заключается в дополнительной пластической деформации возникающей при пропускании импульса тока большой плотности через металл. МПЭ заключается в перемещении дислокаций под действием постоянного магнитного поля в отсутствие механического нагружения. Для возникновения заметного эффекта пластификации при раздельном воздействии на кристалл только электрического поля или только магнитного поля необходимо, чтобы импульс тока имел длительность порядка Цтр^10'4 с и его плотность была больше ]{тр>50-250 А/мм2 (в зависимости от типа металла), а индукция магнитного поля в образце была больше В>0.2 Тл (время выдержки образца в поле - десятки минут). ЭПЭ и МПЭ не обусловлены джоулевым разогревом образца или напряжениями в кристаллической решетке за счет магнитострикции. Электропластическая деформация (ЭПД) уже нашла применение в промышленности. Однако, несмотря на достижения в этой области физики прочности и пластичности, к настоящему времени еще не сложилась детальная микроскопическая картина ЭПЭ, что сдерживает появление новых технологий.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. К настоящему времени практически не изучен электропластический эффект в условиях одновременного воздействия электрического поля и магнитного поля. Данные по этому вопросу единичны и относятся только к ионным кристаллам. В настоящей работе представлены результаты проведенных исследований по эф-

фекту пластификации в случае двойникования при микроиндентирова-нии монокристаллов висмута с одновременным приложением к образцу внешнего электромагнитного поля. Под внешним электромагнитным полем понимаются постоянное магнитное поле и импульсное электрическое поле. Векторы В и Е были ортогональны друг другу. В этом случае в исследуемых кристаллах висмута возникали два главных фактора пластификации: механический импульс и электрический заряд на поверхности.

К настоящему времени надежно установлено, что основная величина скачка деформации при электропластической обработке металлов осуществляется за счет энергии внутренних напряжений, накопленных в процессе предварительного деформирования. Импульс тока выступает только в качестве инициатора снижения локальных упругих напряжений, и поэтому может быть незначительным по уровню эквивалентного воздействия на дислокационный ансамбль. Вопрос же о природе физического механизма, лежащего в основе инициирования снижения упругих напряжений в дислокационных скоплениях, остается открытым. При пластической деформации двойникованием все дислокации расположены на границе раздела двойник-материнский кристалл. Поэтому в случае тонких двойниковых прослоек скопления двойникующих дислокаций близки по своим свойствам с плоскими дислокационными скоплениями, возникающими в плоскостях скольжения на стадии развитой пластической деформации. Последнее обстоятельство делает возможным простое (без применения метода избирательного травления) наблюдение коллективной неустойчивости скоплений двойникующих дислокаций, которая возникает при пропускании электрического тока большой плотности через кристалл висмута в случае одновременного приложения постоянного магнитного поля.

Связь работы с научными программами. Диссертационные исследования проводились в рамках тем, входящих в Планы важнейших научно-исследовательских работ в области естественных наук по республиканским комплексным программам «Исследование физических закономерностей механического двойникования металлов с гексагональной и ромбоэдрической структурами» (Материал 03). Исследования были частично поддержаны Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь.

Цели и задачи исследования. Целью работы являлись основные закономерности эффекта стимулирования двойникования в монокристаллах висмута на стадии развитой пластической деформации при приложении к образцу постоянного магнитного поля и пропускании через него импульса электрического тока большой плотности.

Для достижения поставленной цели было необходимо выполнить следующие задачи:

•разработать методику микроиндентирования кристаллов висмута в условиях воздействия электромагнитного поля на образец;

•изготовить экспериментальную установку для исследования процессов пластической деформации при приложении магнитного поля и пропускании электрического тока через кристалл;

•исследовать зависимость эффекта пластификации при указанных условиях микроиндентирования от плотности тока в импульсе в большом диапазоне значений j;

•исследовать зависимость эффекта пластификации от величины индукции магнитного поля в образце в большом диапазоне значений В; •определить вклад основных факторов пластификации в ЭПД.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлось микроиндентирование монокристаллов висмута при условии воздействия на них постоянного магнитного поля и импульсного электрического поля. Выбор кристаллов висмута в качестве образцов для исследований обусловлен тем обстоятельством, что Bi является модельным материалом для изучения процесса пластической деформации двойникованием. Предметом исследования являлось стимулирующее воздействие внешнего электромагнитного поля на процесс пластической деформации металлов.

Методология и методы проведенного исследования. Для проведения исследований была создана специальная установка, являющаяся приставкой к стандартному микротвердомеру ПМТ-3, которая позволила исключить все инструментальные эффекты, возникающие при приложении к образцу магнитного поля. Геометрия приложения электрического поля и магнитного поля к образцу была такова что, вектор холловской

напряженности Ен был всегда перпендикулярен индентируемой плоскости спайности (111). Использовался метод повторного опускания ин-дентора в ту же лунку.

Научная новизна и значимость полученных результатов.

1. Предложен запатентованный способ повышения пластичности детали для обработки металла давлением за счет приложения к металлу электрического и магнитного поля во взаимно перпендикулярных направлениях.

2. Впервые установлено, что на стадии развитой пластической деформации воздействие импульсного электрического поля и постоянного

магнитного поля, приложенных ортогонально друг другу - (BLE), существенно пластифицирует металл двойникованием.'

3. Установлено, что использованный режим микроиндентирования монокристаллов висмута позволяет получить дополнительную пластическую деформацию, которая по своим количественным параметрам коррелирует с эффектом пластификации, возникающим при воздействии только электрического поля. При этом получено, что плотность электрического тока в образце в случае одновременного воздействия

полей Е и В ниже на один-два порядка.

4. Обнаружены новые особенности развития пластической деформации двойникованием кристаллов висмута.

5. Установлено влияние поверхностного электрического заряда, возникающего за счет гальваномагнитных эффектов, на процесс пластической деформации в приповерхностных слоях проводящих кристаллов.

Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности разработки новых электротехнологий обработки металлов давлением. Существующие электротехнологии неприменимы для деталей с большим поперечным сечением (25 мм2 и более), что связано с необходимостью пропускания через зону деформации тока большой плотности - порядка 1000 А/мм2 и выше. Способы обработки металлов давлением, базирующиеся на предложенном в данной работе способе приложения электромагнитного поля, позволят снизить плотность тока в образце на несколько порядков.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• установленные закономерности стимулирующего воздействия постоянного магнитного поля и импульсного электрического поля, приложенных в ортогональных направлениях, на двойникование в кристаллах висмута на стадии развитой пластической деформации при микро-индентировании образцов;

• физическая модель стимулирующего воздействия ортогональных постоянного магнитного поля и импульсного электрического поля заключающаяся в том, что приложение полей на стадии развитой пластической деформации способствует частичному снижению локальных упругих напряжений на границах раздела двойник-матрица, генерированию двойникующих дислокаций и их трансляции вдоль двойниковых границ.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в постановке, совместно с научным руководителем Савенко B.C., целей и задач исследований, создании специального лабораторного оборудования, выполнении эксперименталь-

ных исследований по теме диссертации, физической интерпретации полученных результатов. Другие соавторы выращивали кристаллы висмута и участвовали в проведении измерений.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации были представлены и доложены на Всесоюзной конференции «Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности», Всесоюзной конференции «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур», Ш-ей школе-семинаре «Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов», Международной конференции «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий», Республиканской научно-технической конференции

"Ресурсосберегающие технологии" в г. Новополоцке, III Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Работа обсуждалась на семинарах кафедры физики твердого тела Белгосунивер-ситета.

Опубликованиость результатов. По результатам исследований опубликовано 8 статей, 11 тезисов докладов на международных и республиканской конференциях, получен 1 патент. Общее количество страниц опубликованных материалов - 39.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Полный объем диссертации составляет 115 страниц, иллюстраций - 20 страниц, количество использованных источников -122 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечены основные достижения и нерешенные вопросы в области физики твердого тела, рассматривающей вопросы воздействия внешних электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов. Дана общая характеристика работы, где указаны цель и методы проведенных исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор научной литературы по влиянию электромагнитного поля на пластичность и прочность металлов. Описаны современные представления о природе ЭПЭ. Дано современное представление о представление о МПЭ. Рассмотрены гальваномагнитные эффекты в полуметаллах. На основании критического анализа существующих физических механизмов ЭПЭ, которому уделено большое вни-

мание, показана актуальность проведения дальнейших исследований в этой области. Сделан вывод о том, что надежная индентификация физических механизмов эффекта повышения пластичности деформируемых металлов при прохождении через них импульсного электрического тока требует дальнейшего проведения фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований. Исследование электростимулированной пластической деформации на различных структурных уровнях дефектов в металлах позволит разработать эффективные технологии обработки металлов давлением.

Во второй главе изложены основные и вспомогательные методики, применявшиеся в работе. Основан выбор материала для исследований -кристаллов висмута. Монокристаллы Ш удобны простотой своего получения и наличием плоскости спайности, которая позволяет вести измерения размеров двойников на естественной поверхности кристаллов без механической обработки. В Вг температура рекристаллизации меньше комнатной и в образце нет остаточных напряжений возникающих при раскалывании кристалла по плоскости спайности. Зарождение клиновидных двойников осуществлялось деформированием в «точке» с помощью алмазного индентора. Важно отметить, что плоскость спайности представляет собой ориентационный запрет для скольжения и на ней можно отследить движение винтовых составляющих двойникующих дислокаций на границах клиновидных двойников.

Монокристаллы висмута выращивались из сырья чистотой 99.99% (с примесью свинца) по методу Бриджмена в специальной изложнице. Рост кристаллов происходил за счет градиента температуры, имеющегося в муфельной печи. Выращенные кристаллы отжигались при температуре 200 С" в течении 2 часов.

Инструментальные эффекты, возникающие при приложении магнитного поля к образцу, могут быть разделены на две группы: искажение магнитного потока ферромагнитными деталями оборудования и действие сил максвелловских натяжений. Последние приводят к дополнительному механическому давлению на индентор в условиях градиента магнитного поля на верхнем срезе зазора сердечника электромагнита. С целью устранения этих инструментальных эффектов, все детали установки и нагрузочного узла микротвердомера (грузы, оправка алмазной пирамидки и др.) изготовлялись из диамагнитных металлов. Нижний срез сердечника электромагнита располагались на достаточно большой высоте (10-15 см) от стального столика микротвердомера.

Кристалл закреплялся между массивными медными электрическими контактами в геометрическом центре сердечника, где магнитное поле наиболее однородно. Импульс тока через кристалл создавался путем разрядки батареи конденсаторов. Плотность тока в импульсе]Ыр варьировалась от 0 до 80 А/мм2, напряженность магнитного поля В изменялась в пределах от 0 до 0.33 Тл. Длительность импульсов тока была равна

!mV - I® 4s- Электронная микросъемка проводилась на растровом электронном микроскопе NANOLAP-7.

Изучалось инициирующее влияние внешнего электромагнитного поля (постоянного магнитного поля и импульсного электрического поля приложенных ортогонально друг другу) на стадии развитой пластической деформации, для чего применялся метод повторного опускания ин-дентора в одну и ту же лунку. Последнее означает, что перед вторичным опусканием индентора в ту же точку ранее уже были сформированы отпечаток и система двойниковых прослоек вокруг него.

Измерения проводились на плоскости спайности (111) монокристаллов висмута с помощью объект-микрометра микротвердомера ПМТ-3. Изучалось развитие двойников системы {110}<001>. Три плоскости двойникования в этом случае располагаются под углом 120° симметрично нагрузке, действующей по [111]. Пластическая деформация при двойниковании характеризовалась следующими, непосредственно снимаемыми с объект-микрометра прибора, параметрами: L - длина двойникового луча, h - толщина двойника у устья, N - общее количество двойников. Рассчитывались максимальная Lm и средняя £ Ц /1N длина

/

двойников, средняя диагональ <d> отпечатка алмазной пирамидки. Усреднение проводилось по результатам измерений не менее 20 отпечатков. Поскольку форму двойниковых прослоек, возникающих при точечном нагружении, можно аппроксимировать линзой, то объем двойника находился как половина объема шарового сегмента, площадь границ раздела двойника вычислялась как половина площади поверхности шарового сегмента. Экспериментальные кривые проводились в пределах доверительных интервалов.

В третьей главе представлены основные экспериментальные результаты. Обнаружено, что приложение к образцу импульсного электрического и постоянного магнитного полей во время его повторного на-

гружения в ранее индентированное поле на плоскости спайности (111) -> ->

при BLE приводит к существенной дополнительной деформации двой-никованием. Показано, что наблюдаемый эффект пластификации не может быть объяснен простым сложением скалывающих напряжений создаваемых индентором тш, и скалывающих напряжений, создаваемых

силой Ампера Ах'"/. Последнее объясняется тем, что отношение этих двух видов скалывающих напряжений равно Ax'Y / r¡nlp « 0.03. Невозможно тривиальное объяснение эффекта пластификации и изменением упругих напряжений под индентором за счет колебаний индентируемой плоскости спайности под воздействием механического импульса на образец. Максимальная амплитуда колебаний верхней плоскости спайности (111) кристалла висмута не превышает 5-1(У9м, что объясняется ма-

лой величиной упругих деформаций образца, которая по порядку величины была равна £~Шб. Показано, что наблюдаемый эффект нельзя объяснить и недостаточно жестким закреплением образца. Для выяснения возможного влияния этого фактора был проведен следующий модельный эксперимент. Индентор приводился в соприкосновение с верхней плоскостью спайности в присутствии магнитного поля - устанавливался нулевой отпечаток. Далее через образец пропускались импульсы тока различной полярности. Какого-либо увеличения размеров полученных отпечатков с током и без него не обнаружено.

В области значений плотностей тока от 5 до 50 А/мм2 суммарный сдвойникованный объем Удв увеличивается более чем в 2 раза, а суммарная площадь границ раздела двойник-матрица Бдв - более чем в 3 раза.

Причина эффекта пластификации при воздействии внешнего электромагнитного поля состоит в суперпозиции нескольких процессов: возбуждение источников двойникующих дислокаций, образование новых поверхностей раздела матрица-двойник и трансляция двойникующих дислокаций вдоль этих поверхностей. Это заключение следует из полученных экспериментальных данных: как при положительном, так и при отрицательном потенциале на верхней плоскости спайности образца средняя длина свободного пробега двойникующих дислокаций IL/2N в области плотностей тока от 5 до 50 А/мм2 увеличивается от 45 до 80 микрометров при постоянном магнитном поле 0.2 Тл. Заметное увеличение средней толщины двойникового клина у устья <h> от 12 до 20 микрометров имеет место только при отрицательном потенциале на верхней плоскости (111) .

Значительный физический интерес представляет собой изучение поведения степени некогерентности двойниковых границ h/L,„. Поскольку средняя дистанция (выраженная в межатомных расстояниях) между дислокациями в плоскости двойникования равна L„/h, то падение отношения h/L„, свидетельствует о снижении концентрации упругих напряжений на границе двойника. При плотности импульсного тока jimp^40 А/мм2 и индукции магнитного поля в образце В-0.2 Тл дистанция между двой-никующими дислокациями увеличивается более чем в 2 раза.

Обнаруженному эффекту пластификации может быть дана несколько иная интерпретация. Из полученных данных можно заключить, что импульсы тока большой плотности при одновременным приложением постоянного магнитного поля в 2-3 раза понижают уровень средних скалывающих напряжений Р/где Р - вес груза на штоке индентора.

Воздействие электромагнитного поля не только количественно интенсифицирует процесс пластической деформации, но и приводит к появлению качественно новых особенностей развития двойникования, которые практически не наблюдаются при обычном режиме микроинден-тирования. К числу последних следует отнести ветвление двойников, изменение формы двойников у устья, появление иного расположения

двойниковых прослоек у отпечатка индентора. Механизм ветвления может быть следующим. Движущиеся в плоскости двойникования дислокации останавливаются у неразрешимого микроскопом стопора. В этом месте возникает значительная концентрация упругих напряжений. Импульс тока инициирует работу источников двойникующих дислокаций, которые начинают движение в другом кристаллографическом направлении, принадлежащем, тем не менее, к той же системе двойников. Статистическая обработка большого числа микрофотографий показала, что угол между «стволовыми» и «ветвящимся» двойниками равен 60°. Получено, что доля дополнительного сдвойникованного объема УВЕТДВ и площади границ раздела двойник-материнский кристалл БВЕТ дв за счет «ветвящихся» двойников в суммарной дополнительной пластической деформации двойникованием сравнительно невелика - не более 13 %. Увеличение кривизны двойника у устья указывает на рост линейной плотности двойникующих дислокаций, из которых состоит граница раздела двойник-матрица. Следовательно имеет место возбуждение источников дислокаций. При этом трансляция двойникующих дислокаций вдоль готовых границ раздела опаздывает по отношению к скорости работы источников двойникующих дислокаций у отпечатка алмазной пирамидки, где концентрация упругих напряжений является наибольшей.

Получено, что «классический» ЭПЭ (возникающий при пороговой плотности импульсного тока ]=50-55 А/мм2) в кристаллах висмута и эффект пластификации при одновременном приложении полей взаимно компенсируют друг друга. Это выражается в максимуме на экспериментальных зависимостях дополнительного суммарного сдвойникованного объема ЛУДВ и отношения средних диагоналей отпечатка с током и без него <с1>/<с10> от плотности тока в импульсе в интервале ] от 40 до 75 А/мм2. Причина уменьшения дополнительной пластической деформации - средний пробег ¿Х/2ЛГ двойникующих дислокаций в послепороговой области падает с возрастанием плотности тока в импульсе. Средняя же толщина двойникового клина А у устья (а следовательно и число двойникующих дислокаций на границах раздела) остается постоянной в пределах экспериментальной погрешности в области больших значений произведения ]В как при положительном, так и отрицательном потенциале на индентируемой плоскости спайности.

В другой экспериментальной серии увеличение амплитуды механического импульса и плотности поверхностного электрического заряда достигалось за счет увеличения индукции магнитного поля. Поскольку сила Ампера равна Га=1Б1, то максимальная амплитуда механического импульса увеличивается пропорционально току и эффект пластификации должен расти. Эксперимент же обнаружил насыщаемость этого эффекта. Причина насыщения эффекта пластификации в этом случае так же заключается в снижении среднего пробега двойникующих дислокаций Единственное возможное объяснение этому явлению может состоять в падении пластифицирующего влияния поверхностного электри-

ческого заряда. Смещение винтовой компоненты двойникующей дислокации ведет к образованию поверхностной ступеньки. При наличии поверхностного заряда с поверхностной плотностью а ступенька обладает электростатической энергией и для ее создания необходимо затратить дополнительную работу. При значениях а-З-Ш10 Кл/м2 эта работа становится велика и пластифицирующее влияние заряда снижается. Потому при индукции магнитного поля в образце свыше В>0.25 Тл эффект пластификации не растет.

Для понимания механизмов пластической деформации металлов необходимо знать кинематические характеристики не только единичных дислокаций, но и дислокационных ансамблей - дислокационных скоплений, некогерентных границ механических двойников и др. Скорость роста двойниковой прослойки V,. (скорость удлинения двойникового клина) находилась путем измерения его длины до и после пропускания импульса тока в предположении равномерного увеличения длины двойникового клина в течении всего импульса и вычислялась по формуле \х-<ЛЬ>/итр. Здесь <ЛЬ> - среднее приращение длины двойника после пропускания импульса тока. Экспериментальные точки зависимостей \>Т от А в полулогарифмических координатах хорошо ложатся на прямые линии, что дает право аппроксимировать эти зависимости выражениями типа Ар-рениуса:

где / - активационный объем, А - константа. Другими авторами было ранее установлено, что в случае термоактивируемого движения двойни-кующих дислокаций в висмуте тангенциальная скорость роста двойника )', экспоненциально зависит от А г'"4''. Поэтому, полученные экспериментальные закономерности указывают на термоактивационную природу пластической деформации двойникованием при инициирующем воздействии внешнего электромагнитного поля.

В четвертой главе определен вклад механических импульсов и поверхностного электрического заряда в общий эффект пластификации. Показано, что другие сопутствующие эффекты, такие как тепловой разогрев решетки, скин- и пинч- эффекты, суперпозиция внешнего магнитного поля и собственного магнитного поля тока, пондеромоторное действие тока и др. не могут быть причиной экспериментально наблюдаемому разупрочнению монокристаллов висмута.

Определение вкладов механического импульса и поверхностного электрического заряда в общую дополнительную электропластическую деформацию было совершено с помощью следующих экспериментов. В первой экспериментальной серии исследований измерения проводились на свежесколотой плоскости спайности (111) монокристалла висмута в

ортогональных полях в зависимости от нагрузки Р на штоке индентора. Во второй серии на поверхность этого монокристалла наносился слой эпоксидной смолы. На этот слой устанавливался другой монокристалл висмута. Таким образом нижний монокристалл этой «сэндвичевой» структуры исполнял роль генератора механического импульса, воздействию которого подвергался верхний монокристалл. Очевидно, что измерения на плоскости спайности верхнего монокристалла проводились при отсутствии поверхностного электрического заряда. В последнем случае нельзя пользоваться абсолютными величинами - имеет место возможное поглощение или отражение акустической волны на прослойке. Потому можно принимать в рассмотрение лишь относительные величины.

Другими авторами установлено, что изменение поверхностной энергии при появлении на свободной поверхности кристалла электрического заряда может привести к дополнительной пластической деформации. Пластифицирующее действие этого фактора имеет поверхностный характер. Поскольку импульсные упругие напряжения в кристалле действуют во всем объеме образца, то увеличивая нагрузку на индентор, можно вычленить вклад механических импульсов и гальваномагнитных эффектов (ЭДС Холла, ЭДС Эттинсгаузена, ЭДС Пельтье-Нернста-Эттинсгаузена и ЭДС Пельтье-Риги-Ледюка) в наблюдаемый суммарный эффект пластификации. Экспериментально получено, что отношение <с,(>/Ь„*0.85 (Ьт - максимальная длина двойникового клина) не зависит от нагрузки на индентор Р и является зарядово-независимым. Этот параметр одинаков как для монокристалла, так и для случая «сэндвичевой» структуры. В то же время, параметр <<1>/<Ь> (<с1> - средняя диагональ отпечатка алмазной пирамидки, <Ь> - средняя длина двойникового клина) является зарядово-зависимым, что открывает возможность его использования для изучения пластифицирующего влияния поверхностного электрического заряда.

Получено, что с ростом нагрузки на индентор Р отношение <с1>/<Ь> увеличивается - средняя длина свободного пробега двойни-кующих дислокаций уменьшается, т.е. пластифицирующее влияние поверхностного заряда падает. Из анализа поведения параметра <с1>/<Ь> и рассмотрения статистического распределения двойников у отпечатка индентора по их длинам показано, что электрический заряд на инденти-руемой плоскости спайности способствует пробегу двойникующих дислокаций вдоль границ раздела двойник-матрица.

Механический импульс, создающий в образце упругие деформации малой амплитуды, инициирует частичное снижение локальных упругих напряжений на этих границах за счет отталкивания одноименных двойникующих дислокаций. Это выражается в падении степени некогерентности двойниковых границ И/Ьт. Последний эффект приводит к увеличению длины и числа заклинившихся двойниковых клиньев у отпечатка алмазной пирамидки. В случае же нагружения кристалла без электромагнитного поля развитие двойника реализуется только за счет ввода

новых двойникующих дислокаций на границу раздела двойник-матрица - параметр ЫЬт остается постоянным.

На основе полученных экспериментальных результатов показано, что непротиворечивое объяснение наблюдаемому эффекту инициирования пластической деформации механическими импульсами может быть достигнуто при введении в рассмотрение различных структурных уровней стимулированной электромагнитным полем пластической деформации с использованием термоактивационной и инерционной моделей. Удлинение клиновидных двойников не может быть объяснено на микроуровне, т.е. на уровне рассмотрения единичной дислокации. Действительно, упругий двойник (т.е. двойниковая прослойка находящаяся под воздействием внешних напряжений, создаваемых индентором) представляет собой макроскопическое скопление одноименных дислокаций находящихся в равновесии с внешним упругим полем и силами сопротивления кристаллической решетки. Равнодействующая сил упругого и неупругого происхождения, действующая на единичную дислокацию скопления, равна нулю: /е1 (х)+/"°"е1 (х)=0. Свободные затухающие колебания малой начальной амплитуды сегмента двойникующей дислокации, находящейся на дне потенциальной ямы, не могут привести к ее какому-либо заметному перемещению. В эксперименте же наблюдается увеличение длины двойникового клина в два и более раз. На мезоуровне импульсное электромагнитное поле инициирует скачок пластической деформации за счет воздействия на структурные образования дефектов высшего уровня. Последние формируются при взаимодействии между собой структурных дефектов низшего уровня. В данном случае мезоуровню ЭПЭ соответствует влияние электромагнитного поля на образовавшихся в ходе предварительной пластической деформации кристалла скопления двойникующих дислокаций на границах раздела матрица-двойник.

Возможный механизм пластифицирующего влияния поверхностного электрического заряда заключается в изменении поверхностной энергии и, как следствие, в ускорении процессов пластической деформации в приповерхностном слое. Перемещение винтовой компоненты двойникующей дислокации на расстояние равное вектору Бюргерса вызывает появление на плоскости спайности поверхностной ступеньки. На создание новой поверхности твердого тела затрачивается энергия порядка Ь2у, где Ъ - вектор Бюргерса, у - поверхностная энергия. Для преодоления этой силы, распространяющейся вглубь кристалла на'несколько Ь и действующей в непосредственной близости от поверхности, необходимо дополнительное локальное скалывающее напряжение Ах. Это напряжение при температуре Т=0 находится как:

]ёгааи\

где и - потенциал поверхностного стопора. Появление положительного заряда и, как следствие, уменьшение поверхностной энергии уменьшает

работу по созданию новой свободной поверхности кристалла, что является причиной эффекта пластификации. Присутствие отрицательного электрического заряда на свободной поверхности снижает термодинамический потенциал образования петли частичной дислокации G* на величину равную увеличению поверхностной энергии ступеньки йу.

ВЫВОДЫ

1. Впервые обнаружено, что одновременное воздействие ортогональных электрического и магнитного полей во время деформирования существенно пластифицирует деформацию кристаллов висмута двойникованием.

2. Показано, что импульсные упругие деформации малой амплитуды и поверхностный электрический заряд возникающий за счет гальваномагнитных эффектов инициируют заметную дополнительную пластическую деформацию монокристаллов Bi двойникованием за счет частичного снижения дальнодействующих упругих напряжений в скоплениях двойникующих дислокаций на границе раздела двойник-материнский кристалл.

3. Установлено, что эффект пластификации при действии только механического импульса состоит в возникновении дополнительных двойниковых клиньев у отпечатка алмазной пирамидки, увеличении длины двойниковых ламелей (т.е. увеличении длины пробега двойникующих дислокаций), появлении особенностей реализации процесса пластической деформации двойникованием.

4. Установлено, что поверхностный электрический заряд повышает длину пробега двойникующих дислокаций вдоль поверхностей раздела и способствует размножению двойникующих дислокаций.

5. Показано, что при одновременном воздействии магнитного поля и электрического тока параметр <d>/<L> может служить критерием степени пластифицирующего действия поверхностного электрического заряда в случае микроиндентирования двойникующихся кристаллов.

6. Показано, что одновременное приложение импульсного электрического поля и постоянного магнитного поля во взаимно перпендикулярных направлениях является перспективным способом интенсификации процессов обработки металлов давлением.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

Статьи

1.Савенко B.C., Пинчук А.И. К механизму повышения пластичности проводящих материалов // Известия ВУЗ. Черная металлургия. - 1992. -№ 1. - С. 93-95.

2. Савенко B.C., Пинчук А.И. К вопросу о механизмах электропластической деформации металлов // Весщ АНБ. Сер. физико.-техн. наук. -1993, №2. - С.27-31.

3. Савенко B.C., Липский Н.П., Пинчук А.И., Шаврей С.Д. Электропластическая деформация арматурной стали // Весщ АНБ. Сер. физико.-техн. наук. - 1993г. - №1. - С.4-7.

4. Савенко B.C., Троицкий O.A., Липский Н.П., Баранов Ю.В., Пинчук

A.И. Электропластическая правка и прокатка стали II Весщ АНБ. Сер. физико.-техн. наук. - 1994г. -№1. - С.14-17.

5. Савенко B.C., Пинчук А.И., Злотник В.Б. Шаврей С.Д., Понарядов

B.В. Электропластический эффект при одновременном наложении электрического и магнитного поля в монокристаллах висмута // Вестник Белорусского ун-та. Серия 1. - 1995. - №2. - С.27-30.

6. Савенко B.C., Пинчук А.И., Злотник В.Б., Шаврей С.Д., Понарядов В.В. Электропластический эффект при одновременном наложении электрического и магнитного поля. // Вестн. Белорусского ун-та. Сер. 1. -1995. -№2. - С.25-27.

7. Савенко B.C., Пинчук А.И., Злотник В.Б., Шаврей С.Д., Понарядов В.В. Электропластический эффект при одновременном наложении электрического и магнитного полей в области больших плотностей тока // Вестник Белорусского ун-та. Сер.1. - 1996. - №2. - С.25-27.

8. Пинчук А.И., Савенко B.C., Шаврей С.Д. Пластификация монокристаллов висмута при одновременном наложении электрического и магнитного поля // Известия РАН. Физика. 1997. -Т.61, №5 - С.932-936.

Тезисы докладов конференций

1. Савенко B.C., Пинчук А.И. Импульсная электропластическая деформация арматурной стали // Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности. Тезисы докл. Всесоюзной конференции, Николаев, 1992.

2. Савенко B.C., Липский Н.П., Пинчук А.И. Улучшение физико-механических характеристик стали A-I ст.З // Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур. Тезисы докл. Всесоюзной конференции, Воронеж, 1992.

3. Савенко B.C., Пинчук А.И., Злотник. В.Б. Влияние магнитного и электрического полей на электропластическую деформацию стали // Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов. Тезисы докл. III школы-семинара - Воронеж, 1992.

4. Савенко B.C., Пинчук А.И., Липский Н.П. Улучшение физико-механических характеристик конструкционных материалов при электропластической деформации // Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий. Тезисы докл. международной конференции, Новокузнецк, 1993г. - С.46.

5. Пинчук А.И., Савенко B.C. Влияние магнитного и электрического полей на физико-механические свойства поликристаллов // Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий. Тезисы докл. международной конференции, Новокузнецк, 1993. - С.42.

6. Савенко B.C., Липский Н.П., Пинчук А.И. Повышение долговечности оборудования для обработки металлов давлением при воздействии на деталь электромагнитными полями во время деформирования // Тезисы докл. Республиканской научно-технической конференции. - Ново-полоцк, 1993.

7. Пинчук А.И., Савенко B.C. Изменение микромеханических характеристик монокристаллов висмута при одновременном наложении электрического и магнитного поля // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Тезисы докл. III Международной конференции, Воронеж, 1994г. - С.16.

8. Савенко B.C., Пинчук А.И. Упрочнение двойникующихся материалов в электромагнитных полях // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Тезисы докл. III Международной конференции, Воронеж, 1994г. - С. 19.

9. Шаврей С.Д., Пинчук А.И., Савенко B.C., Остриков О.М. Новые каналы реализации процесса деформации двойникованием при одновременном воздействии электромагнитного и механического полей // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Тезисы докл. IV Международной конференции, Воронеж, 1996г.

10.Пинчук А.И., Савенко B.C., Шаврей С.Д., Остриков О.М. Пластификация монокристаллов висмута при одновременном воздействии электрического и магнитного поля // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Тезисы докл. IV Международной конференции, Воронеж: ВГТУ, 1996. - С. 19.

11.Савенко B.C., Остриков О.М., Пинчук А.И., Шаврей С.Д. Применение статистического метода к изучению электростимулированного двойникования кристаллов висмута // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Тезисы докл. IV Международной конференции, Воронеж: ВГТУ, 1996. - С.21.

Патенты

1. Патент РФ №2052514, МКИ6 С 21 D 8/10, 7/00 Способ повышения пластичности детали / Савенко B.C., Пинчук А.И. (РБ). - №5008382.02; за-явл. 30.07.91; опубл. 20.01.96, Бюл. №2. - 4с.

РЕЗЮМЕ Пинчук Александр Иванович

Влияние электромагнитного поля на пластическую деформацию двойникованием кристаллов висмута

Ключевые слова: пластическая деформация, двойникование, электропластический эффект, внешнее электромагнитное поле, висмут, пластификация, механический импульс, поверхностный электрический заряд.

Целью работы являлось исследование воздействия внешнего электромагнитного поля на пластическую деформацию двойникованием кристаллов висмута.

Впервые был изучен электропластический эффект при совместном приложении электрического и магнитного полей на металл. Кристаллы висмута были выбраны в качестве модельного объекта для исследований.

При совместном воздействии электрического поля и магнитного поля существовали два фактора пластификации. Первый - механический импульс. В случае пластической деформации двойникованием этот импульс увеличивает количество двойниковых лучей у отпечатка индентора. Второй - электрический заряд на свободной поверхности кристалла. Как электрический заряд на плоскости спайности, так и механический импульс увеличивают пробег двойникующих дислокаций.

По материалах работы получен патент на способ повышения пластичности металлов при совместном воздействии электрического и магнитного полей.

РЭЗЮМЕ Пшчук Аляксандр 1ванав1ч

Уздзеянне электрамагштнага поля на пластичную дэфармацыю двайшкаваннем крышталёу вкмута

Ключавыя словы: пластычная дэфармацыя, двайшкаванне, элек-трапластычны эффект, знешняе электрамагштнае поле, вюмут, пла-стыфжацыя, мехашчны ¡мпульс, паверхнёвы электрычны зарад.

Мэтай работы з'яулялася даследаванне уплыву знешняга электрамагштнага поля на пластычную дэфармацыю двайшкаваннем крышталёу вюмута.

Упершыню быу вывучаны электрапластычны эффект пры сумесным уздзеянш электрычнага I магштнага палёу на метал. Крыштал1 вкмута был1 выбраны у якасц1 мадэльнага аб'екта для даследаванняу.

Пры суменьш уздзеянш электрычнага i Marninara палёу ¡снавал1 два фактары пластыфжацьп. Першы - мехашчны ¡мпульс. У выпадку дэфармацьй двайншаваннем тэты ¡мпульс павял1чвае колькасць двайшкоу каля точи ¡ндэнтавання. Друп фактар - электрычны зарад на свабоднай паверхш. Як электрычны зарад на плоскасщ спайнасш, так i мехашчны ¡мпульс павял1чваюць прабег двайшкуючых дыслакацый.

Па матэрыялах працы атрыманы патэнт на спосаб павышэння пластычнасш металлау пры сумесным уздзеянш электрычнага i магштнага палёу.

SUMMARY Pinchuk Aleksandr Ivanovich

INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC FIELD ON PLASTIC DEFORMATION BY TWINNING IN BISMUTH CRYSTALS.

Key words: stimulation of plastic deformation, twinning, electroplastic effect, external electromagnetic field, bismuth, plastification, mechanical impulse, surface electric charge.

The aim of the study is to investigate the influence of external electric and magnetic field on the plastic deformation by twinning in bismuth crystals.

For the first time the electroplastic effect under conditions of application of electric and magnetic fields to the metal has been studied. Bismuth crystals were taken as a model for the investigation.

There were two plastifying factors in case of application of magnetic and electric fields to the metal. The first is the mechanical impulse. In case of the deformation by twinning this impulse results in increase of twinning wedges around the imprint of diamond indentor. The second factor is the electric charge on free surface. Both the electric charge on cleavage face and mechanical impulse increase the run of twinning dislocations.

On the thesis materials the patent was taken out for the way of the increasing of plastycity of metals in case of application electric and magnetic fields.

ПИНЧУК Александр Иванович

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ ДВОЙНИКОВАНИЕМ КРИСТАЛЛОВ ВИСМУТА

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 17.04.98. Формат 60x84 1/16. Бумага №1. Заказ 124. Тираж 100 экз. Отпечатано на ротапринте Мозырского пединститута. 247760, Мозырь, ул. Студенческая, 28.