Влияние импульсных сильных магнитных полей на термомеханические процессы и структурно-фазовые изменения в металлах и сплавах при сильном скин-эффекте тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ДОНЕЦКШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВКРСИТЕТ

На правах рукописи

Степук Александр Владимирович

ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ ПРИ СИЛЬНОМ СКИН-ЭФФЕКТЕ

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Донецк - 1992

Работа выполнена на кафедра "Физика металлов и полупроводников" Харьковского политехнического института имени В.И.Ленина.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Палатник Л.С.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Игнатенко П.И.; доктор физико-математических наук, профессор Фельдман Э.П.

Ведущая организация

Институт монокристаллов АН Украины (г.Харьков)

')•*'' ^ л ■—

г ^Защити диссертации состоится '"' 1( .<4, V ,1992 г.

в часов на аасодании специализированного сорвта К 068.06.01 в

Донецком государственном' университете (340055, г.Донецк - 55,

ул. Университетская 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке госущверситата..

Донецкого

Автореферат разослан "Уо " ' ' ¿уЛ^' <*■/

V '

4992 г.

. • Учоный секретарь специализированного совота кандидат физико-математических

наук

Зюбанов А.Е.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Применение сильных магнитных ■ полей •мегаэрстедного диапазона 105...107 Э в экспериментальной физико твердого тола, плазмы, высоких энергий обусловлено широкими возможностями изменения состояния конденсированных сред, получения экстремальных температур и давлений, изучения зонной структуры металлов и других явлений. Прогресс в технике генерации импульсных сильных магнитных полей (ИСМП), достигнутый в 60-х годах, привел к созданию новых технологических процессов (магнитоимпульсная и термомагнитная обработка металлов, магнитная .сварка и прессование порошков) и проведению целого ряда исследований, связанных с поведением полупроводников, магнитоупорядоченных сред в ИСМП.

Влияние магнитного поля на свойства металлов рассматривалось в работах М.А.Кривоглаза, В.Д.Садовского, М.Л.Бернштейна - для сплавов железа, Э.А.Завадского - для сплавов переходных металлов. Необходимым условием в этих исследованиях является отсутствие скин-эффекта и термомеханических возмущений, вызванных вихревыми токами, которые могут исказить проявление квантово-механических свойств твердого тела.

Применение ИСМП в технических приложениях эффективно при наличии тонкого скин-слоя, который фактически является источником, генерирующим волны сжатия и тепловые ■ поля большой интенсивности. Величина полей обычно не превышает 0,3...О,4 МЭ при длительности 1СГ&...1СГ3 с, и исследования.в таких диапазонах проводились главным образом с целью создания эффективных источников магнитного поля, обеспечивающих деформирование различных изделий ' из металла. Изменению свойств и структуры металлов, специфическим особенностям деформирования в ИСМП, факторам воздействия ИСМП уделялось-недостаточно внимания. Существенное влияние на свойства обработанного в ИСМП материала оказывают, например, наличие и характер распределения остаточных напряжений и деформаций, возможные фазовые превращения, состояние поверхностного слоя. Представляет такжо но'сомношшй интерес целенаправленное изменение свойств металлов при увеличении амплитуды. поля до 1,Ь...2,б МО и вышо, расширение возможностей практического применения ИСМП в диапазонах, но использовавшихся до сих пор с этой целью. Перспективность.и актуальность исследований в этом направлении отмечались в роботах сопотских учоных (П.Л.Капица, С.В.Вонсовский, Э.Л.Завадский) и нашли отрлжопип в программах развития техники генерации и применения ИСМП Национально!! академии США (1979 г.), в обзор« перспективных исследований НЛО АН СССР (1984-г.).

ЦЕЛЬ РАВОТН. Исследование особенностей взаимодействия ИСМП субмегаэрстедного диапазона (до 1-2 ЫЭ) с металлами и сплавами в услогзиях сильного сюш-эффекта; анализ тепловых и механических эффектов, вызванных вихревыми токами; выявление факторов, определяющие свойства обработанного металла, и ' характера структурных изменений; исследование перспективных возможностей уволичония амплитуды поля свыше 0,3...О,4 МЭ для практического применения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Получены аналитические решения краевых задач магнитотермоупругости для цилиндра и проводящего полупространства в квазистационарном приближении. На основании решений установлены особенности.распределения напряжений и деформаций в зависимости от параметров источника магнитного поля и металла, подвергаемого воздействию ИСМП. Для полупространства найдена функция Грина, с помощью которой можно получить решение для произвольного распределения магнитного поля вдоль одной из координатных осей на поверхности.. Установлена взаимосвязь между напряжениями и термомоханическими силами, вызванными действием джоулового тепловыделения и сил Лоренца - основными факторами ИСМП при сильном скин-эффокте. Показано, что определяющим параметром напрякэшю-доформированного состояния поверхностного слоя является постоянная Гргонайзона и пластическое течение металлов и сплавов начинается на поверхности, несмотря на то, что давление магнитного поля на ней равно пулю.

Рассмотрены особенности нелинейной диффузии магнитного поля в металле. Показано, .что влияние "пнк-эф$екта", т.е. локализации плотности тока во внутренних слоях металла, на плавление существенно в полях, не менее чем в 2-3 раза превышающих критические, при длительном спаде ИСМП. По найденным асимптотикам решении системы нелинейных параболических- уравнений, описывающих процесс диффузии, для граничных режимов с обострением получено условие локализации энергии магнитного поля в Ограниченной области металла.

Предложена модель формирования структурных изменений в металлах и сплавах при воздействии ИСМП. Экспериментально и теоретически подтверждено наличие зоны термического влияния (ЗТВ) - поверхностный слой и зоны механического влияния (ЗМВ) - внутренние слои. В отличие от лазерного воздействия эти зоны структурно однородны в тангенциальных направлениях и имеют другие размерные параметры. Установлено, что основным фактором, влияющим на фазовые превращения г. ЗТВ, является джоулево тепловыделение, а в ЗМВ - сжатие металлов

давлением магнитного поля. Показаны новые возможности технических 'приуонений при высоких амплитудах ИСМП.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные в работе результаты исследования воздействия ИСМП на металлы и сплавы при сильном скин-эффекте и особенностей изменения их структурно-фазового состояния могут'быть использованы для выбора режимов воздействия и условий термообработки в целях направленного изменения свойств, достижения экстремальных температур и давлений, высоких плотностей энергий. Рассмотрены перспективы, использования ИСМП величиной О,4...2 МЭ, но применявшихся до сих пор в технологических целях. Показана принципиальная возможность реализации в ИСМП основных видов термообработки (отжиг, отпуск, закалка), поверхностного легирования, упрочнения, очистки поверхностей металлов и адгезионного контроля (последнее подтверждено экспериментально). ПОЛОЖЕНИЯ, ШНОСИМЫЕ АВТОРОМ НА ЗАЩИТУ:

соотношения сил и напряжений, вызванных силами Лоренца и джоулевим тепловыделением и их связь с постоянной Грюнайзена!

асимптотики нелинейных эффектов локализации плотности тока и энергии магнитного поля в металлах, в том числе для- граничных режимов с обострением;

модель взаимодействия ИСМП с металлом и формирования в нем структурно-фазовых изменений в условиях сильного скин-эффекта;

перспективные возможности применения ИСМП субмегаэрстедного диапазона для прикладных целей.

АПРОБАЦИЯ РАБОМ. Основные результаты диссертационной работы представлялись на Первой Всесоюзной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов" (Юрмала, 1987), Всесоюзном семинаре "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (Новокузнецк, 1988), Республиканской конференции "Динамическая прочность и трещиностойкость конструкционных материалов" (Киев, 1988), научно-технических семинарах в Харьковском политехническом .институте (1939), Ленинградском политехническом институте (1990), ИАЭ АН СССР (1990), Донецком физико-техническом институте АН УССР (1991), на Всесоюзном семинаре "Взаимодействие концонтриропаннкх потоков энергии с металлами и сплавами" (Институт металлов АН СССР, 1991).

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликованы в пяти работах, список которчх

1григ'>;!пн в конце автореферата:

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 102 наименований. Содержит 125 страниц машинописного текста, включая 3 таблицы и 40 рисунков.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ на основе уравнений и соотношений, описывающих процесс обработки металлов в ИСМП, выполнены теоретические исследования моханических эффектов, .вызванных .взаимодействием вихревых токов в скин-слое с магнитным полем.

Механические, тепловые и электромагнитные процессы взаимодействия ИСМП с металлами и сплавами в общем случае нестационарны и взаимосвязаны. Решение полной системы уравнений, включающей уравнения макроскопической электродинамики, балансовые уравнения - термодинамические и законы сохранения, кинетические уравнения, кинематические соотношения и уравнения состояния, может бить реализовано только численными методами с неизбежными упрощающими допущениями и эмпирическими зависимостями. По этой причино интерпретация тдких расчетов и выяснений определяющих факторов воздействия не всегда однозначны. Для анализа возникающих в моталле 'напряжений и деформаций были получены и исследованы аналитические решения.

Рассмотрены две краевые задачи магнитоупругости для цилиндра и полупространства, на которые 'действует внешнее . гармоническое магнитное поле н=н е",|1)' ' при изотермическом деформировании. Пластическое течение металлов начинается в полях, превышающих 0,2...0,3 МЭ,'поэтому при меньших амплитудах примонимы уравнения тоории упругости. Показано, что скорость движения проводника и его ускорение достаточно малы, чтобы можно было пренебречь инерционными силами' и влиянием "вмороженности" силовых линий магнитного поля на его диффузию. В обоих рассматриваемых случаях на проводящую среду действуют экспоненциально затухающие объемные силы сжатия - силы Лоренца, и в квазистатическом приближении уравнения магнитоупругости могут быть разделены на несвязанные уравнения диффузии магнитного поля и уравнения теории упругости с объемными силами. При интегрировании дифференциальных уравнений учитывалось то, что объемные силы быстро затухают в скин-слое и зависимость их величины от расстояния до поверхности может быть представлена в виде быстро оходящогося степенного ряда.

Решение задачи для полупространства находилось с помощью интегрального преобразования Фурье, причем принималось, что

магнитное полэ, соответствующее ширине плоского источника магнитного поля - индуктора, равной примерно 3,5а, распределено на поверхности по закону а2/(а2+у2). Выбор такого краевого условия близок к реальному распределению поля и позволяет путем предельного перехода а-»0 получить тензорную функцию Грина для полупространства, с помощью которой можно ' найти решение для произвольного распределения магнитного поля на поверхности.

На основании полученных решений показано: 1) поверхностный слой испытывает растажение в направлении нормали к поверхности и поперечное сжатие; соответствующие деформации примерно равны и имеют противоположные знаки? толщина этого слоя составляет ■О.бг'в, или 10...20 % от б, где V - коэффициент Пуассона; 5 - глубина скин-слоя; 2) во внутренних слоях металла нормальные (сжатия) и .поперечные (растяжения) напряжения убывают обратно пропорционально (х/8), где х - расстояние от поверхности; 3) тангенциальные напряжения на поверхности составляют не менее Ь0% давления магнитного поля нв/2 и могут достигать максимальных значений нормальных напряжений с увеличением радиуса кривизны поверхности; 4) нормальные напряжения на расстоянии 26 от поверхности практически не отличаются от величины давления магнитного поля и достигают .максимума на расстоянии х=31пК2а/в для плоской поверхности при'а/в»1; 5) возрастание частоты ИСМП не влияет на качественную картину распределения напряжений и деформаций, однако приводит к их увеличению в поверхностном слое; 6) при одинаковой энергии воздействия напряженность магнитного поля обратно пропорциональна характерному геометрическому размеру источника.

Таким образом, объемное распределение, сил Лоренца, сжимающих внутренние слои металла при сильном .скин-эффекте, приводит к тому, что сам скин-слой^испытывает "механическое" растяжение. Этот эффект известен, однако для одномерной модели, использовавшейся для его рассмотрения ранее, невозможно определить количественные характеристики этого ' слоя и особенности распределения • в нем напряжений. В результате при обработке металлов в ИСМП возникает специфическое напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя: поперечные компоненты тензора напряжений являются сжимающими, п нормальные - на поверхности равны нулю. Это отличает воздействие ИСМП от "немагнитных" способов деформирования (обработка взрывом, ударное контактное воздействие, ' упрочнение вггнпоу, олоктрогидрашшчес.чая штамповка и др.).

130 ВТ0Г0И ГЛАВЕ рассмотрены тепловые эффоктн ИСМП« ашяигшч с

джоулевым тепловыделением в металле при протекании импульсных вихревых токов плотностью ¿ = 104...106 А/мм2.

Интенсивный разогрев поверхностного скин-слоя является одним из основных факторов, влияющих на изменение структурно-фазового состояния .металла при обработке в ИСМП. Известно, что нагрев поверхности достигает при сильном скин-эффекте Т = 1500... 2000-Н2[МЭ] К и при типичных временах воздействия t = Ю-6...10"3 с происходит адиабатически.

Для сравнения влияния джоулева тепловыделения и давления пондоромоторных сил на возникающие в металле напряжения и деформации рассмотрена задача ..магнитотермоупругости для проводящего цилиндра. Использовались разложение в степенной ряд усредненного приращения трмпоратуры, аналогичное разложению объемных сил Лоренца, и известное решонио задачи термоупругости с радиальным распределением томпоратуры. Для получения окончательного решения учитывалось ■свойство аддитивности напряжений и деформаций в линейной теории упругости.

Установлено, что поперечные напряжения на поверхности, вызванные нагревом о*, превосходят напряжения, обусловленные неравномерным даплониом магнитного поля о™, причем их отношение panno постоянной ^юнайзена 7' (для большинства металлов 7=1,5...2). Отноагание интенсивностей напряжения . на поверхности о|х и во внутренних слоях металла oín составляет o|x/oín2=(i-v) (1+7)^ ---1,1).. .2,5. Этим объясняется тот факт, что пластическое течешга металла при воздействии ИСМП всегда начинается на поверхности, хотя давление магнитного поля на ней равно-нулю.

Далее показано, что полученная взаимосвязь напряжений с постоянной Грюнайзона не ограничивается диапазоном применимости теории магнитотормоупругости. ■ Известно, что в нагротом толе возникают такие же напряжения и деформации, как и в ненагретом, если ввести объемные термические cnmj^F^-aK'gradT, где а - объемный коэффициент теплового расширенияж 1/К - объемная сжимаемость, и соответственно изменить граничные условия для нормальных компонент напряжений на поверхности. 'С использованием уравнений движения и уравнений состояния моталлов в двух предельных случаях воздействия субмегаэрстодннх ИСМП - упругопластичоского деформирования и квази-гилролинамичоского ударного сжатия показано, что при сильном скин-эффекте FVí'm=*7 и соотношение 0^/0^7 также выполняется.~~

Действие указанных'объемных сил, направленных в одну сторону, приводит к различным эффектам: термических - к увеличению напряжений

поперечного сжатия в скин-слое и расширению последнего, пондоромоторных - к сжатию, внутренних слоев металлов в направлении диффузии магнитного поля. В результате термического нагрева в начале воздействия ИСАИ происходит тепловое расширение, а затем деформирование в направлении нормали к поверхности с некоторой задоряасой во времени вследствие инерции термического растяжения. Эти эффекта 'находят подтверждение в известных экспериментах при разрыве одповитковых соленоидов и охлопывании лайнеров в ИСМП. Формирование остаточных напряжений при обычных условиях охлаждения и .отсутствии фазового наклопа происходит однозначно; растягивающие - в поверхностном слое и сжимающие - во внутренних слоях металла.

В результате проведенных теоретических исследований можно предполагать образование двух областей в зоне воздействия ИСМП: поверхностный, слой глубиной в сотни микрон - ЗТВ, где определяющую роль в структурообразовании и изменении фазового состояния играет джоулово тепловыделение, и нижерасположенныэ слои металла - ВМВ, подвергающийся только воздействию механического сжатия, вызванного давлением магнитного поля. Аналогичные эффэкты наблюдаются при лазерном воздействии, однако формирование ЗМВ происходит только в случае, если мощность излучения достаточна для. генерации ударных волн, кроме того, различаются и размерные параметры.

Извостяа еще одна особенность тепловых эффектов при проникновении ИСМП в металл - это возникновение нелинейного скин-эффекта в полях, превышающих критические (обычно 0,4...О,8 МЭ). Вследствие уменьшения проводимости металла и с ростом температуры диффузия магнитного поля становится существенно, нелинейной, что приводит к возникновению "пик-эффекта" - образованию локального максимума плотности тока, смещающегося в глубь проводника.

Исследование нелинейной диффузии выполняется, как правило, численными методами либо построением -достаточно громоздких автомодельных решений. При рассмотрении энергетического влияния "пик-аффекта" на состояние металла для различных граничных• режимов использованы асимптотические методы анализа. С примененном метода' стационарных состояний к системе параболических уравнений, описывающих процесс нелинейной диффузии для одномерного случая - .

¿)]]/дх~~;}; дК/дх^ШЛ/М; дО/ди^Е; ;)=ОЕ/(1 + Р0) показано, что максимум плотности тока ;) начинает смещаться от границы проводника поело достижения максимального значения напряженности ИСМП и быстро затухает со вромоном ¿т=КоТрТ, гдо о - проводимость; р-а0/оур; аа - температурный коэффициент сопротивления; су И

р - удельная-, теплоемкость и плотность (в частности, для меди Jm=2,2 »1о5/Kt1мкс JIА/мм2]). Влияние "пик-эффекта" на плавление металла существенно в полях, величина которых не менее чем в 2-3 раза превышает критические, при длительности спада импульса не менее to=o,5tm(i+pQn)=o,5trnon/o0, где tm - время достижения максимума ИСКИ; оп и Qj] ~ проводимость и удельное теплосодержание металла при темпоратуре плавления (oQ - при нормальных условиях). *

Для достижения высоких плотностей энергии представляет интерес

возможность локализации в ограниченном- пространстве энергии

магнитного поля и тепловыделения. Из анализа приведенных выше

уравнений нелинейной диффузии ИСМП следует, что при типичных

вроменных зависимостях внешнего поля в автомодельных решениях (а^,

ta) реализуется HS-режим (High Speed), для которого limt<00H(x,t)=°°;

limt<a)Q(x,t)=to' Vxe[o,oo). С . помощью приближенных автомодельных

решений и теорем сравнения для параболических уравнений установлено,

.что достигается эффективная локализация энергии.- Реализуется S- или

LS-рожим (Low Speed) для граничных условий $ обострением:

iimt<l;H(o,t)=M, если скорость возрастания ИСМП на фронте ограничена

m(0,t)/dt/№l/z(x-t). • В этом случае limt<TH(x,t)<co и

limt<TQ(x,t),co vxe[xB,a>), где х^И/оц - эффективная глубина

локализации. Физически это означает, что скорость ввода энергии

согласована. ' со свойствами металла так,, чтобы инерционность

поглощения энергии задерживала ее проникновение вглубь. Указанный

граничный режим ' позволяет получать в заранее заданной

нргаоверхностнбй области высокие температуры и концентрации энергии.

Верхний предел ■ тепловой энергии .ограничен плотностью энергии

испарения, поскольку приведенного рассмотрения в случае кипения

металла недостаточно и необходим учет эффектов магнитной гидро- и

г

газодинамики.

Приведенные результаты позволяют осуществить практически целенаправленное изменение параметров поля' для достижения высоких плотностей энергии й слое заданной глубины . и формирования необходимой ЗТВ для различных металлов.-

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ выполнены исследования структурно-фазового состояния металлов, подвергнутых воздействию ИСМП.

Механизмы пластической деформации . изучались • на монокристаллических образцах меди и сплавах - латуни ЛС63 и бронзы ПрП2. Монокристалл меди конической формы жестко закреплялся в матрице - пластине из меди с соответствующим отверстием, чтобы обеспечить протекание вихревых • токов в плоскости основания

монокристалла, и подвергался воздействию ИСМП с амплитудой 0,16 МЭ и частотой 11,5 кГц. Образцы латуни и бронзы в рчде проволок диаметром 1,5 мм подгчргались воздействию ИСМП с амплитудой 0,8:.1,5 МЭ и длительностью импульса 3..5 мкс. На микрофотографиях шлифов обнаруживаются полосы скольжения и следы двойниковапия (в сплавах). Скольжение в меди осуществлялось по кристаллографическим плоскостям {111) и С100) с фактором Шмидта 0,406 для основной системы скольжения по' октаэдрическим плоскостям и 0,136 для дополнительной. Это было вызвано тем, что ориентировка действующих напряжений не совпадала с осью монокристалла [110] вблизи концентраторов напряжений - матрицы. Дифрактограмма монокристалла • показала увеличение разориентировки субзерен и уменьшение областей когерентного рассеяния приморно в 2 раза. Образование двойников характерно при пластическом деформировании для сплавов с г.ц.к. решетками.

Типичным механизмам деформирования при воздействии ИСМП присущи особенности высокоскоростного нагружения, в частности множественное скольжонио. Специфической чертой является то, что увеличение температуры и возрастание скорости деформирования в поверхностном скин-слое пропорциональны энергии магнитного поля и противоположным образом влияют на пластичность и предел текучести металлов. То есть ; можно выделить условно две зоны:- квазистационарного адиабатического деформирования - вблизи поверхности, и высокоскоростного изотермического - во внутренних слоях металлов. .

Основными энергетическими факторами, влияющими на ■ структурно-фазовые изменения в металлах и сплавах при воздействии ИСМП, являются энергия магнитного поля, тепловыделение и кинетическая эноргйя. При сильном скин-эффекте магнитные и тепловые ' поля полностью поглощаются в поверхностном слое, причем последние играют определяющую роль в превращениях, ^поскольку смещение температур фазовых переходов, вызванное непосредственно 'магнитным полем, на порядок меньше температуры поверхностного- нагрева. Это подтверждается тем, что экспериментально обнаруженные фазовые превращения в сталях У8, 65Г (аустенизация, образование окислов ?е2о3> Ре3о4) и латуни ЛС63 (а-р-превращенио) обусловлены их термической активацией и на образцах с радиусом, меньшим глубины скин-слоя, не наблюдались. *

С учетом определяющего влияния джоулева тепловыделения и давления магнитного поля на структурно-фазовые изменения в моталлах и сплавах при сильном скин-эффекте предложена модель их

формирования. В зависимости от амплитудно-вроменных параматров ИСМП происходит образование зоны оплавления (30) толщиной десятки микрон, зоны термического влияния толщиной в сотни микрон и зоны моханичоского влияния для нижележащих слоев металла. Максимальное упрочнешю достигается на границе ЗТВ и ЗМВ, а при наличии фазового наклепа - в ЗТВ, что экспериментально подтверждается наибольшим приростом микротвердости на расстояниях, но превшащих глубину сгаш-слоя. На рисунке ниже представлены зависимости микротвердости от расстояния до поверхности металлов после воздействия ИСМП амплитудой 220-240 кЭ, частотой 12 кГц и длительностью импульса около 150 мкс. Там же обозначены границы диффузионного проникновения магнитного поля - а, теплового поля - Ь, определенные по длительности импульса, и глубина скин-слоя - с, рассчитанная по заданной эквивалентной частоте. Наибольший прирост микротвердости наблюдается в ЗТВ, где образуется наибольшое количество дислокаций вследствие высоких градиентов температур и механических напряжений. При сравнении воздействия ИСМП с лазерным воздействием (ЛВ), помимо размерных эффектов, можно отметить различия, связанные с кинетикой структурообразования: формирование ЗМВ посредством ударных волн (ЛВ) и квазистационарных волн пластичности (ИСМП); неоднородность структуры в нормальном и тангенциальном направлениях (ЛВ) и слоистую' структуру (ИСМП) вследствие большей энергии и площади облуче^шя.

"мигб.«па

180 170 160 150 . 140 ••. 130 I 120 ■ 110 1(30

ое

70

60' -3 ' -2 ' '-1 ' ' о ' vi

10 2. 10 2. 10 2. 10 2. 10. й.ММ

Упрочнение металлов в ЗТВ и ЗМВ после воздействия ИСМП амплитудой 220-240 кЭ, частотой 12 кГц, длительностью 150 мкв. (1 - сталь Ст4Ь, 2 - латунь .ПСС-З, 3 - медь М1; а и Ъ - глубина дайуоионного препшпюг.иния магнитного и теплового поля, с - глубина скип-слоя)

»—г ь с

1 а -7 \ 1 Л. —

а

V-

1; V

v

ь о

и (x _

Л \ 'а

3 \ к

1 ■ ь \

Рассмотрены возможности практического применения обработки

металлов и сплавов в ИСМП субмегаэрстёдного диапазона, отличные от

традиционно используемых. На основе предложенной модели формирования

структурно-фазовых изменений показано, что надлежащий выбор

параметров ноля позволяет осуществить все основные типы

термообработки поверхностного слоя: отжиг, отпуск, закалку.

Поскольку поток мощности энергии, поглощенной' металлом в ИСМП, ? я р

достигает 10 ...10 Вт/см , то представляется возможным получение метастабилышх и аморфных состояний поверхностного слоя и модифицирование процессов поверхностного легирования. Экспериментально показана возможность контроля адгезии при заданной температуре и очистки поверхностей металлов от покрытий вследствие возникновения больших касательных напряжений в зоне контакта покрытия с подложкой.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описаны методы и результаты проведенных экспериментов.

Существующие - средства структурно-фазового анализа металлов позволяют только косвенно регистрировать изменения их состояния при длительностях воздействия ИСМП t = Ю-6. ..Ю-3 с. Поэтому экспериментальным исследованиям подвергались необратимые, остаточные изменения свойств. Физико-химические превращения изучались с помощью качественного фазового анализа рентгенограмм металлов после обработки в ИСМП, полученных на установке РКД-57. Обнаружены мартенситныо превращения и аустениз'ация в сталях У8, 65Г, образование окислов железа Ге^З' ^з^' а~Р-пРевРа1И0Ние в латуни . ЛССЗ. Во всех случаях фазовые превращения индуцированы термическим нагревом в полях 0,8-1,5 МЭ, что подтверждается отсутствием каких-либо изменений в образцах с радиусом,- меньшим глубины' скин-слоя (0,3 мм), и в образцах сплавов с высоким удельным сопротивлением - нихрома Х20Н80,' нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Изменения структурно-чувствительных физических ■ свойств (проводимость, магнитная проницаемость, предел текучести и т.д.) зависят от степени деформирования. Они оценивались методом измерения микротвердости на поверхности шлифов прибором ПМТ-3. Показано, что наибольшая степень упрочнения достигается в скин-слое, где, следовательно, максимальны и изменения свойств. В'поверхностном слое нагрев вихревыми токами спосос&твует протеканию рекристаллизации и возврату. В частности, для поликристаллической меди по эпиграммам, полученным в КР(.Ю, установлено увеличение размеров зерен на 20 % поело обработка! в ИСМП с амплитудой 0,16 МЭ.

Структурные изменения изучались на образце монокристаллов меди с помощью дифрактометра ДР0Н-УМ1. Обнаружены эффекты, типичные для высокоскоростного деформирования: уменьшение ОКР, увеличение углов разориентировки блоков и плотности дислокаций. Рентгеноанализ остаточных напряжений на поверхности меди, подвергнутой воздействию ИСМЛ Н = 0,2 МЭ, показал наличие растяжения, соответствующего в пределах погрешности расчетной величине. При исследовании макроструктуры металлов, подвергнутых .воздействию ИСМЛ Н = 0,8 МЭ наблюдалось : образование на проволочных образцах суженного участка вследствие развития желобковой неустойчивости 0-гшнча при сжатии проводника в магнитном поле; образование межкристаллитных трещин и подкорковых пузырьков; разрушение пленок на образцах Ре, Си с электролитически осажденными покрытиями Ъх\, N1, Си, Зп.

Для генерации ИСМП использовались установки ГИТ-БО (Ленинградского политехнического института) и МИУ-20 (Харьковского политехнического института), основными элементами которых являлись' емкостный накопитель энергии и разрядная цепь с индуктором -источником магнитного поля. Приведены основные соотношения эквивалентной ЬИС-цепи для определения разрядного тока, величина которого также измерялась с помощью пояса Роговского. Амплитуда напряженности магнитного поля Н < 0,3 МЭ определялась по расчетным соотношениям. Для полей мегаэрстодного диапасона напряженность в рабочей зоно одновиткового соленоида измерялась с помощью калиброванного индукционного датчика, а' при помещении в ное образца металла измерялся разрядный 'ток и использовалась линейная связь между величинами поля и тока. В качестве источников магнитного поля использовались: плоский спиральный индуктор диаметром 110 мм, многовйтковый индуктор с концентратором потока 'диамотром 160 мм -плоское поле, одновитковый соленоид диамотром 3 мм - осесимметричное поло. Время достижения максимума ИСМП составляло в индукторах (до 0,3 МЭ) -,15...20 мкс, в соленоидах (0,7.-.1,5 МЭ) - 1,5...2,5 мкс. Неоднородность поля ' в рабочей, зоне достигает 50 %, причем поле убывает от центра к краям индуктора или соленоида. Погрешность определенной величины напряженности составляет около 15 %. С помощью скоростной фоторогистрации импульсным источником рентгеновского излучения установлено, что максимум поля достигается, когда радиальное расширенно соленоида не превышает 10 % от ого начальных размеров. <1о]1*1 образцов металла выбиралась с учетом того, что сущпстр.ующпо конструкции плоских индукторов НО гюиг.олям'1 пргт.нс1г;'ь и «, 0,4 МЭ (для пластин металл:Л, а рнглгор н;,|ш |<озд"йст

бия может составлять несколько сантиметров. Для полей мегаэрстедного диапазона .П > 0,7 МЭ зона воздействия составляла несколько миллиметров, и в экспериментах применялись образцы в виде проволок.

Выполнялось также численное моделирование пластического деформирования металлов в ИСМП с целью анализа влияния конечных размеров образца и концентраторов напряжений в матрице на возникающее напряжонно-деформированное состояние. Для решения нелинейных двухмерных краевых задач теории пластичности использовался метод конечных элементов.- на основе приближенной квазистатической схеш нагружения. Разбиение двухмерных областей конуса в матрице и пластины на опоре осуществлялось с "помощью треугольных конечных элементов. Вычисления выполнялись на ЭВМ ЕС-1066. В качестве базового был использован пакет прикладных программ С0М-80 и принимались следующие допущения: материал упругоплпетичен и изотропно упрочняется по степенному закону, деформирование адиабатическое, влиянием эффекта Баушингера проноброгпотся, томпоратурйое поле квазистационарно. Полученные результаты с точностью до погрешности измерений совпали с экспериментально определе'пшми остаточными деформациями (ронтгоноструктурный метод) и интенсивностями остаточных напряжений (мшсротвордость). Показано, что использование указанной модЭли допустимо в ИСМП амплитудой до 0,2...0,3 МЭ и частотой порядка 10 кГц. Подтверждено наличие неоднородности в распределениях деформаций и напряжений в поверхностном слое металлов. Применявшаяся схема решения задач пластического деформирования металлов в ИСМП может, быть использована для определения структурно-однородных областей деформирования в экспериментальных исследованиях, а также для расчета типичных технологических операций штамповки, прессования и т.п.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы.

1. Импульсные сильные магнитные по.яя по характерным особенностям взаимодействия с металлами и сплавами при сильном скин-эффокто могут быть разделены на следующие диапазоны: до 0,1 МЭ-упругое деформирование; 0,1...О,8 МЭ - пластическое течение (механика деформируемого твердого тела); 0,8...1,2 МЭ - плавление поверхностного слоя (магнитная гидродинамика); 1,2...2 МЭ - кипение и испаронио (магнитная газодитфмика); 2...5 МЭ -'низкотемпературная плазма; свыше 10 МЭ - высокотемпературная плазма (физика плазмы).

Основными уравнениями, определяющими процессы взаимодействия полой субмегаэрстедного диапазона с металлами, являются: закон сохранения энергии; закон сохранения импульсов - уравнения движения;

уравнения диффузии магнитного и теплового полей; уравнения состояния металлов.

2. В приближении упругого деформирования получены аналитические решения задач мапштотормоупругости для проводящего цилиндра и полупространства. Показано, что касательные напряжения на поверхности металла, вызванные действием сил Лоренца, достигают 60...80 % величинн давления магнитного поля - (1-г)ВН/2. В результате поверхностный слой толщиной 0,5г'6/,(1-г>)*0,25б испытывает растяжение, т.е. скин-слой "расширяется" вследствие нагрева и возникающих мехатгэских усилий. Касательные напряжения теплового расширения превосходят напряжения, вызванные силами Лоренца, и их отношение равно постоянной Грюнайзена. Пластическое течение металла всегда начинается на поверхности, поскольку о?х/о^=(1-у) (1+з)<* =<1,5...2,5, где Ь?х и а*п- интенсивности напряжений на внешних и внутренних слоях.

3. Показано, что увеличение частоты ИСМП, или сокращение длительности импульса, при одинаковой амплитуде не влияет на распределение напряжений и деформаций во внутренних слоях металла, но приводит к и* возрастанию в поверхностном слое меньшой толщины. При одной и той же энергии ИСМП величина напряжений и деформаций обратно пропорциональна размерам источника поля. Полученная тензорная функция Грина для полупространства позволяет найти решение задачи магнитоупругости для произвольного распределения магнитного поля вдоль одной из координатных осей.

4. На основе анализа уравнений движения, закона сохранения энергии и . уравнений состояния металлов установлено, что опродолягацими термомеханическими эффектами ИСМП при сильном скин-эффекте являются действио объемных сил сжатия - сил Лоренца и возникновение термических объемных сил вследствие неравномерности джоулова тепловыдол ония. Влияние теплового расширения эквивалентно вводению объемных сил-?1 при соответствующем иэмонении граничных условий, которые, как установлено, связаны с силами Лоренца постоянной Грюнайзена р4/рш---7а, где а-Ч - коэффициент, зависящий от длительности и частоты воздействия, а такжа радиуса кривизны поверхности. Результатом этого является формирование двух областей в зоно воздействия ИСМП: зоны, термического влияния, где определяющую роль в структурообразовании играот индукционный нагрев, и зоны механического влияния, гдо основными факторами являются механические ншфнкочия и деформации, паяны сястлии и разгрузки.

&. II ИСМП, пр^шпапш крипн^'п;'»' (н,, П,4...0,7 МЭ), диффузия

шля становится существенно нелинейной. С использованием приближенных автомодельных решений и теорем сравнения для системы одномерных нелинейных параболических уравнений найдены асимптотики решений для граничных режимов с обострением - Н(ОД)=Н0(1--1/т)п, где п<0; г - время обострения. Это позволило определить ограничения, налагаемые на граничные условия, при которых достигается аффективная локализация энергии магнитного поля в поверхностном слое толщиной х =2Н Кт7ор1; скорость нарастания магнитного поля 1/и(0,1;)|ЗН(ОД)/сН должна быть меньше 0,5/(т-1) во время обострения. Рассмотрен "пик-эффект" при нелинейной диффузии магнитного поля, т.е. формирование локального максимума плотности тока и проникновение ого в глубь металла. Установлен о , что его величина убывает пропорционально ТЦдц и не превосходит наибольшего значения плотности тока на поверхности металла при действии ИСМП. Влияние этого эффекта на плавление металла становится существенным в ИСМП, не менее чем в 2...3 раза превышающих критические поля.

6. Экспериментальные'-исследования в ИСМП амплитудой 0,1... 1,5 МЭ выполнялись на сталях У8.65Г, 12Х18Н10Т и сплавах меди, цинка и никеля М1, ЛС63, Х20Н80, БрБ2 с целью исследования необратимых изменений их структурно-фазового состояния. Установлено наличие структурной неоднородности зоны воздействия ИСМП и формирование зон оплавления, термического и механического влияния, образование каждой из которых определяется амплитудно-временными параметрами импульса. Максимальное упрочнение' достигается за счет увеличения дефектности кристаллической решетки (ЗМВ) или фазового наклепа (ЗТВ). Фазовые, превращения в скин-слое металлов обусловлены термической активацией диффузионных переходов, массопереносом в 30 и интенсивным окислением, что подтверждается образованием окислов Ре304, Ре,^ и ' выделением карбидов (Ре,сг)23с6, Ке^С в сроднеуглеродистых сталях, образованием фаз Ем-Розари г,и3Бп и ГевПд при нщшсении легкоплавких покрытий (Вп), а-р-превращением Ь латуни. Основные -механизмы пластического деформирования типичны для высокоскоростного деформирования - множественное скольжение и двойникование в металлах с о.ц.к. решетками и твердых растворах. Показана принципиальная возможность осуществления всех видов поверхностной термообработют (закалка, отжиг, отпуск) . и поверхностного легирования. Экспериментально подтверждена® возможность очистки металлов от покрытий и адгезионного контроля на образцах меди и стали с электролитически осажденными пленками 2п, N1, Си, Бп.

7. Численное моделирование пластического . деформирования

металлов в иимп выполнялось иг пвазистатичоском приближении магнитотермопластических процессов и без учета динамических эффектов. Получено соответствие расчетных результатов с величинами интенсивностей напряжений, определенных методом измерения микротвердости. Это указывает на приемлемость такого подхода для ИСМП (до 0,3 Ю, длительностью 10~5...10_3 с), используемых в технологических целях. Формирование остаточных напряжений 1-го рода при сильном скин-эфЭректе происходит однозначно, если отсутствуют фазовые превращения: растягивающие - в поверхностном и_ сжимающие - во внут-решшх слоях.

Основные положения диссертационной работа отражены в следующих работах:

1. Степук A.B., ЛегезаА.В. Влияние магнитного поля на объемное упрочнение в металлическом цилиндре // Сборник: Физика твердого тела.-Вып. 17.-Харьков: Вища школа, 1987.

2. Палатник Л.С., Аришшн A.B., Степук A.B. Особенности пластического деформирования поверхностных слоев металлов в сильных магнитных полях // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов: Тез. докл. на 1-й Всесоюзн. конф.-Юрмала, 1987.-С. 39.

3. Степук A.B. Механические напряжения в скин-слое проводящего полупространства // Сборник: Физика твердого тела.- Вып. 18.-Харьков: Вища школа, 1988. •

4. Палатник Л.С., Кривошеев С.И., Степук A.B. Пластическое деформирование металлов в импульсных сильных магнитных полях //Пластическая деформация' материалов в условиях внешних энергетических воздействий: Тез. докл. на Всесоюзн. семинаро.-Новокузнецк, 1988.-С. 157-158.

5. Степук A.B. Фазовые и структурные изменения в металлах при импульсном доформировании в сильных магнитных полях // Проблемы прочности.-1991.-N 9 [257].-С.77-79.

.1