Закономерности влияния электромагнитных полей и токов на пластичность металлов и сплавов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Коновалов Сергей Валерьевич

Закономерности влияния электромагнитных полей и токов на пластичность металлов и сплавов

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 4 ФЕВ

0050495ЬУ

Новокузнецк — 2013

005049569

Работа выполнена в федеральных государственных бюджетных образовательных учреждениях высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» и «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Научный доктор физико-математических наук, профессор

консультант Громов Виктор Евгеньевич

Официальные Клименов Василий Александрович - доктор технических оппоненты: наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», проректор-директор Института неразрушающего контроля;

Поляков Виктор Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет», декан физико-технического факультета, заведующий кафедрой прикладной физики и электроники;

Сергеев Виктор Петрович - доктор технических наук, ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, заместитель директора по научно-производственной работе, заведующий лабораторией материаловедения покрытий и нанотехнологий

Ведущая ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт

организация черной металлургии им. И.П. Бардина»

Защита состоится «26» марта 2013 г. в 10°° на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 в Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, д. 42 Факс: (8-3843) 46-57-92, E-mail: d212_252_04@sibsiu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного индустриального университета

Автореферат разослан «01» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р хим. наук, профессор

Горюшкин В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе эксплуатации конструкции, изделия, детали машин подвергаются механическим нагрузкам, что необратимо приводит к постепенному их разрушению в связи с исчерпанием ресурса. Исследователи анализировали все виды пластической деформации для материалов из сталей и сплавов различных структурных классов, а также чистых металлов, находящихся как в поликристаллическом, так и монокристаллическом состояниях. Были получены уникальные данные, позволяющие объяснить разрушение изделий, но вопрос о возможности варьирования срока службы материала и увеличении его ресурса так и не был решен.

В настоящий момент предложен ряд способов модификации физических и механических свойств металлических материалов, среди которых особое место занимают внешние энергетические воздействия. Одними из таких методов являются воздействие импульсами электрического тока, электрическими и магнитными полями, контактные воздействия. Однако, физическая природа их влияния на металлы и сплавы в процессе пластической деформации до сих пор изучена недостаточно.

Исследования пластической деформации при внешних энергетических воздействиях интенсивно начались в 60-х годах XX века. В настоящее время установлено влияние электрических и магнитных полей на металлы и сплавы, находящиеся в монокристаллическом состоянии. Изменение процесса ползучести и микротвердости поверхности монокристаллических металлов, подвергающихся внешним энергетическим воздействиям, исследовалось научной группой под руководством академика Кишкина С.Т. и профессора Клыпина A.A. Влияние магнитных полей на изменение физических и механических свойств монокристаллических материалов изучено в работах профессоров Ю.И. Головина, В.И. Альшица и др. Еще одним хорошо изученным видом внешних энергетических воздействий является токовая импульсная обработка, исследование влияния которой на прочность и пластичность материалов проводились и проводятся в коллективах под руководством академика И.И. Новикова, профессоров O.A. Троицкого, В.Е. Громова, И.А. Батаронова, H.H. Беклемишева и др. Воздействие токовыми импульсами на металлические материалы, приводящее к существенному изменению их физико-механических свойств, несомненно, может быть полезным с прикладной точки зрения для восстановления ресурса металлических деталей, подвергающихся усталостным нагрузкам.

Практическое применение внешних энергетических воздействий в настоящее время сдерживается тем, что исследование их роли в эволюции свойств и структуры выполнено на материалах, находящихся в монокристаллическом состоянии. В то же время, основное количество изделий, реализуемых в народном хозяйстве, имеет поликристаллическое

строение. Это в полной мере относится к алюминиевым и медным сплавам, изделия из которых находят разнообразное применение.

В литературе отсутствуют систематизированные сведения о влиянии слабых электрических потенциалов, контактных воздействий, слабых магнитных полей и мощных токовых импульсов на поликристаллические материалы, подвергающиеся пластической деформации. Это находит отражение в отставании внедрения в соответствующие циклы российского производства данных технологий, способных обеспечить значительный экономический эффект.

Настоящая работа проводилась в соответствии с грантами Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам металлургии на 1998-2002 гг., Лаврентьевским конкурсом молодежных проектов СО РАН 2006-2007 гг., Аналитической ВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 гг. (проекты 2.1.2/546, 13482), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (госконтракты №№ П332, П411, 14.740.11.0813, 02.740.11.0538, 16.740.11.0314, 14.740.11.0037, соглашения №№ 14.В37.21.0071, 14.В37.21.1166, 14.В37.21.0391), темами ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», грантами РФФИ №№ 11-02-91150-ГФЕН_а, 07-08-92100-ГФЕН_а, 08-02-00024-а, 08-02-12012-офи, 07-08-90808-моб_ст.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось установление закономерностей и физической природы влияния электрических, магнитных полей и токов на формирование и эволюцию структуры и фазового состава металлов и сплавов при пластической деформации.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

а) исследование влияния слабых электрических потенциалов на процессы ползучести, релаксации напряжений, микротвердость, эволюцию дефектной субструктуры алюминия и меди;

б) установление закономерностей влияния контактной разности потенциалов, создаваемой подключением к исследуемому материалу других металлов, на процессы ползучести, релаксации напряжений, микро- и нанотвердость алюминия и меди;

в) установление влияния слабого постоянного и импульсного магнитных полей на процесс ползучести, тонкую структуру, поверхность разрушения и микротвердость алюминия;

г) установление физических механизмов влияния слабых электрических потенциалов, контактной разности потенциалов и слабых магнитных полей на формирование и эволюцию структуры и фазового состава металлов и сплавов при различных видах пластической деформации;

д) выявление природы формирования градиентных структурно-фазовых состояний при многоцикловой усталости в условиях обработки мощными токовыми импульсами.

Научная новизна состоит в установлении закономерностей и количественных параметров, определяющих возможность управления с помощью подведения слабых электрических потенциалов и контактной разности потенциалов ползучестью, релаксацией напряжений, нано- и микротвердостью, пластичностью алюминия и меди. Установлена минимальная масса контактирующего металла, приводящая к максимальному изменению микро- и нанотвердости алюминия и меди. Впервые установлены закономерности влияния постоянного (В<0,3 Тл) и импульсного (В<1,14 Тл) магнитного поля на скорость ползучести и микротвердость поликристаллического алюминия. Впервые установлены закономерности изменения тонкой структуры и поверхности разрушения алюминия, подвергаемого испытаниям на ползучесть и релаксацию напряжений при подведении электрического потенциала и при воздействии магнитным полем. Методами сканирующей и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии впервые показано, что в процессе многоцикловой усталости и токовой импульсной обработки аустенитной стали 45Г17ЮЗ формируются градиентные структурно-фазовые состояния. Установлены закономерности и механизмы их образования.

Практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований заключается в установлении возможности варьирования структуры, физических и механических свойств металлических изделий, подвергающихся пластической деформации, внешними энергетическими воздействиями. Накоплен банк данных о поведении алюминия, меди, сталей и сплавов при действии слабых электрических потенциалов и магнитных полей, мощных токовых импульсов и импульсной электронно-пучковой обработки. Влияние электрических потенциалов на свойства металлов и сплавов, подвергающихся пластической деформации, можно использовать для разработки технологий управления процессами обработки давлением путем подведения электрических потенциалов или создания контактной разности потенциалов в контактных парах. Результаты работы способствуют пониманию физической природы влияния внешних энергетических воздействий на физические и механические свойства металлов и сплавов и могут быть использованы в курсах лекций университетов и институтов по дисциплинам «Физика конденсированного состояния» и «Физическое материаловедение». Результаты работы позволяют сформулировать рекомендации по внедрению технологий внешних энергетических воздействий, увеличивающих ресурс изделий, работающих в режимах ползучести, релаксации напряжений, усталости, в промышленность.

Реализация результатов работы заключается в следующем: в ООО «Лазурит» выполнена электрическая изоляция образцов, подвергаемых микроиндентированию, от предметного столика микротвердомера, что существенно уменьшило разброс численных данных; в Научно-исследовательском институте электронно-механических приборов результаты работы использованы при отработке режимов

термоэлектрической тренировки гибридных интегральных схем цифро-аналоговых преобразователей и аналого-цифровых преобразователей, в процессе изготовления прецизионных тонкопленочных наборов резисторов типов НР 1-60, НР1-55 и НР1-53 и при апробировании процедуры сварки алюминиевых проводников с помощью ультразвука; в ООО «Сибирские промышленные технологии» в цикл производства кабельно-проводниковой продукции добавлена операция по обработке заготовок магнитным полем, увеличившая выход готового продукта (плановый экономический эффект 2 млн. руб. в год (в ценах 2012 г)); в ООО «Ремкомплект» использован генератор токовых импульсов для увеличения экономической эффективности работы трехвальцовых машин для гибки листового проката с экономическим эффектом 3,5 млн. руб. в год (в ценах 2012 г.); в ООО «Проектгидроуголь-Н» и ООО «Научно-производственное объединение «Гидроуголь» использована электроимпульсная обработка сварных композиций твердосплавных резцов в кулачке конической головки комбайна ГПКС в процессе эксплуатации в условиях ОАО «Шахта им. Ф.Э. Дзержинского» ОАО УК «Прокопьевскуголь», что увеличило срок службы деталей и сократило межремонтный период (экономический эффект составил 3 млн. руб. в год (в ценах 2011 г.) (ООО «Проектгидроуголь-Н») и 5,72 млн. руб. (в ценах 2006г.) (ООО «Научно-производственное объединение «Гидроуголь»); в ОАО «Шахта «Большевик» в 2007-2012 гг. разработаны и освоены технология восстановления методом токовой импульсной обработки усталостного ресурса элементов крана-перегружателя для перегрузки горных пород, что увеличило технологический цикл крана-перегружателя в 1,4 раза (экономический эффект составил 5 млн. рублей в год (в ценах 2012 г.); в ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» использован генератор мощных токовых импульсов для обработки током пуансонов для прошивки отверстий в накладках и подкладках для железнодорожных рельсов с экономией от увеличения выпуска продукции и снижения себестоимости продукции (суммарный экономический эффект с 2006 по 2012 гг. составил 25,5 млн. руб. при долевом участии автора 3,82 млн. руб.); разработана база данных, зарегистрированная в государственном реестре, которая позволяет прогнозировать микротвердость технически чистого алюминия в магнитном поле и обеспечивает накопление и подготовку исходных данных, требующихся для создания новых технологических процессов обработки магнитным полем при производстве различных видов металлической продукции; результаты работы внедрены в учебный процесс в виде лабораторных работ в курсе физики для студентов начальных курсов, изучающих явление электромагнетизма.

Внедрение результатов работы в производство и учебный процесс подтверждается соответствующими актами и справками о внедрении.

Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, сравнением результатов между собой

и с результатами других авторов, использованием для их анализа хорошо апробированных методик.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) совокупность экспериментальных данных по влиянию электрических потенциалов на скорость ползучести на установившейся стадии поликристаллических алюминия и меди; скорость движения очагов деформации, длину волны, микротвердость алюминия, меди и кремнистого железа, активационный объем алюминия, параметры тонкой структуры при ползучести и релаксации напряжений алюминия, размер ямок вязкого излома при ползучести алюминия, параметры релаксации напряжений алюминия и их физическая интерпретация;

2) совокупность экспериментальных данных по влиянию контактной разности потенциалов, создаваемой при подключении Sn, Си, Zr, Al, Ni, Ti, Fe, Pb на скорость ползучести на установившейся стадии поликристаллических алюминия и меди, их микротвердость и нанотвердость, параметры релаксации напряжений алюминия и их физическая интерпретация;

3) экспериментально установленные закономерности влияния слабого магнитного поля (В<0,3 Тл) на процесс ползучести и микротвердость алюминия, заключающиеся в: знакопеременном характере зависимости относительного изменения скорости ползучести алюминия от индукции постоянного магнитного поля с максимумом при В ~ 0,05 Тл; увеличении скалярной плотности дислокаций и плотности дислокационных петель; уменьшении среднего размера ямок вязкого излома; линейном снижении микротвердости алюминия при воздействии постоянным магнитным полем, начиная с порогового значения В = 0,1 Тл, ниже которого эффект не проявляется;

4) экспериментальные результаты, показывающие, что многоцикловые усталостные испытания и промежуточная токовая импульсная обработка аустенитной стали, обеспечивающая повышение усталостного ресурса в 1,7 раза, приводят к формированию градиентных структурно-фазовых состояний, заключающихся в зависимости от расстояния до поверхности разрушения объемных долей дислокационных субструктур, скалярной плотности дислокаций и амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки.

Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: European conference «Junior Euromat». Lausanne. Switzerland, 2000; II - V Международных конференциях «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений». Тамбов, 2000, 2003, 2010; IV, V Международных конференциях по электромеханике, электротехнологии и электроматериаловедению. Москва, Клязьма, Алушта, 2000, 2003; V собрании металловедов России. Краснодар, 2001; IV Международной конференции «Научно-технические проблемы

прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения». Санкт-Петербург, 2001; Международных семинарах «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий». Обнинск. 2001, 2003, 2009, 2011; I, III, V Всероссийских научно-технических конференциях «Физические свойства металлов и сплавов». Екатеринбург, 2001, 2005, 2009; 7th European Conference on Advanced Materials and Processes. Rimini. Italy. 2001; Международных конференциях по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. Томск. 2001, 2009; VI Sino-Russian International Symposium on new materials and technologies «New Materials and Technologies in 21st Century» Beijing. China. 2001; 38, 39, 42, 48 Международных семинарах «Актуальные проблемы прочности». Санкт-Петербург, 2001, Черноголовка, 2002, Калуга, 2004; V, VI Международных семинарах «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева. Старая Русса, 2001, 2003; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов. Москва, 2001, 2006, 2009, 2011; XV, XVI, XVIII, XX Уральских школах металловедов-термистов. Екатеринбург, 2000, Уфа, 2002. Тольятти, 2006, Екатеринбург, 2010; XVI, XVII, XIX, XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, С.-Петербург, 2005, 2007, 2010, 2012; III - V Евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур». Москва, 2006, 2008, 2010; Всероссийском научном семинаре «Действие электрических полей и магнитных полей на объекты и материалы». Москва, 2002; VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2003; VII Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах». Барнаул, 2003; China-Russia Seminar on Materials Physics Under Ultra-conditions. Qinhuangdao, China, 2003; III, IV, VI Международных конференциях «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2004, 2006, 2010; International conférence of fatigue damage of structural materials V, США. 2004; Symposium of Croatian metallurgical society "Materials and Metallurgy" Opatia. Croatia, 2002; 11"1 International Metallurgical & Materials Conference METAL. Ostrava. Czech Republic, 2002; V, VII Международных конференциях «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», 2003, 2007, Воронеж; XV, XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов». Тольятти, Самара, 2003, 2009; Международной конференции «Электрические контакты и электроды ЭК-2007», Киев, 2007; Всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк, 2007, 2008; IX, X Международных научно-технических Уральских школах-семинарах металловедов-молодых ученых. Екатеринбург, 2008, 2009; V, VI Всероссийских конференциях «Механика неоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2008, 2010; IV, V Всероссийских конференциях молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем", Томск,

2008, 2009; II Международном российско-китайском семинаре «Влияние электромагнитных полей на структуру и характеристики материалов». Москва. 2009; III, IV международных конференциях «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва, 2009, 2011; VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», С.Петербург, 2009; VII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, Москва, 2010; Международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии», Комсомольск-на-Амуре, 2010; IV, V Российских научно-технических конференциях «Ресурс и диагностика материалов и конструкций». Екатеринбург, 2009, 2011; Международных симпозиумах «Перспективные материалы и технологии». Витебск, 2009, 2011; IV Международной школе «Физическое материаловедение». Тольятти, 2009; I, II московских чтениях по проблемам прочности материалов. Москва, 2009, 2011; 14 - 16 Всероссийских научных конференциях студентов физиков и молодых ученых. Екатеринбург, Кемерово, Волгоград, 2008 - 2010; XI Международной научной школы для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов». Екатеринбург, 2010; Всероссийских конференциях «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций», Новосибирск, 2006, 2011; 44, 45, 48, 49, 50 Международных конференциях «Актуальные проблемы прочности», Вологда, 2005, Белгород. 2006, Тольятти, 2009, Киев, 2010, Витебск, 2010; International conference «Fundamental Aspects of External Fields Action on Materials», Shenzhen, China, 2010; VI Российской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2010; Международной научно-технической конференции «Прочность материалов и элементов конструкций», Киев, 2010; XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2011; V Международной школе «Физическое материаловедение», Тольятти, 2011.

Личный вклад автора. Основные исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнены по инициативе и под руководством автора. Статьи по теме диссертации написаны автором после обсуждения результатов с соавторами работ. Анализ и интерпретация полученных результатов, формулировка научных положений, выносимых на защиту, выполнены лично автором данной диссертации. В совместных работах, выполненных в соавторстве, автор лично участвовал в проведении теоретических и экспериментальных исследований и их обсуждении.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п.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» и п.6 «Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами» паспорта специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния» (технические науки).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 3 коллективные монографии, 31 статья в журналах из перечня ВАК, тезисы более 40 докладов на конференциях, семинарах, симпозиумах, совещаниях, школах и чтениях, получены 3 патента на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 свидетельство о государственной регистрации базы данных.

Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 6 разделов, заключение и приложения, написана на 294 страницах, содержит 103 рисунка, 11 таблиц, 10 приложений, список литературы состоит из 470 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, перечислены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы, указаны положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Модификация физических и механических свойств материалов, подвергающихся пластической деформации, внешними энергетическими воздействиями» выполнен анализ российских и зарубежных публикаций, проводившихся в последние годы по исследованиям эволюции физических и механических свойств материалов, подвергающихся различным видам пластической деформации - мало- и многоцикловой усталости, ползучести и релаксации напряжений. Рассмотрено влияние внешних энергетических воздействий на поведение материалов как в процессе действия данных видов пластической деформации, так и до нее. Особое внимание уделено таким внешним энергетическим воздействиям, как мощные токовые импульсы, электрические и магнитные поля. В конце раздела сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе «Материалы и методики исследования» обоснованы материалы для исследований, методики проведения испытаний и исследований. В качестве материалов для исследований были выбраны немагнитные и маломагнитные поликристаллические материалы, имеющие гранецентрированную кубическую решетку: сталь 45Г17ЮЗ; технически чистый алюминий марки А85 и медь марки МОк.

В работе применены следующие внешние энергетические воздействия: воздействие электрическим потенциалом (путем подведения электрического

потенциала от внешнего стабилизированного источника питания и подключением к изолированному образцу металлических пластин из Pb, Fe, Си, AI, Cr, Zr, Ni и Ti для создания контактной разности потенциалов); воздействие слабым магнитным полем (постоянным с магнитной индукцией В<300 мТл и импульсным с магнитной индукцией В<1,15 Тл); токовое импульсное воздействие (амплитуда импульсов тока - 9300 А, частота — 20 Гц, длительность - 25 мкс, форма импульса - полусинусоидальная).

Для установления роли влияния внешних энергетических воздействий проводились испытания на наиболее распространенные и изученные виды пластической деформации: испытания на низкотемпературную ползучесть (AI, Си); испытания на релаксацию напряжений при сжатии (AI); на многоцикловую усталость (сталь 45Г17ЮЗ).

Анализ проводился методами современного физического материаловедения (оптическая, сканирующая, просвечивающая электронная микроскопия (приборы МИМ-10, ЭМ-125, ЭМ-125К, SEM 515 Philips), нано-и микроиндентирование (приборы Nanohardness Tester» фирмы «CSEM», ПМТ-ЗМ, HVS-1000 и AFFRI DM-8), рентгеноструктурный анализ, неразрушающие методы испытаний (прибор ИСП-12), двухэкспозиционная спеклфотография (автоматизированный лазерный комплекс «ALMEC»)).

Все полученные данные статистически обрабатывались не менее чем по 10 образцам по 30 измерений в каждом. Все полученные данные проверялись на статистическую значимость по t-критерию Стьюдента. Для большей наглядности установленных эффектов, некоторые зависимости представлены в относительных единицах, определяемых по формуле Q=(<YB3B> — <Y>)/<Y>, где <YB3B> и <Y> - средние значения измеряемых величин при заданном внешнем энергетическом воздействии на исследуемый материал и без воздействия, соответственно.

Третий раздел «Влияние слабых электрических воздействий на изменение характера пластической деформации металлов и сплавов» посвящен анализу влияния слабых электрических воздействий на изменение характера пластической деформации металлов и сплавов. В качестве электрических воздействий использовано подведение электрического потенциала и задание контактной разности потенциалов за счет подключения к исследуемому образцу других металлов с отличной от него работой выхода. Анализу подвергались образцы из поликристаллических металлов, испытываемые на ползучесть, релаксацию напряжений, микро- и нанотвердость.

Показано, что приложение электрического потенциала к образцам из AI и Си существенно изменяет вид кривой ползучести (рисунок 1), причем зависимость скорости ползучести от величины подведенного к металлу потенциала имеет симметричный вид относительно оси ординат. Данные зависимости имеют экстремумы: для AI при ср=0,25 В (Q=-0,610) и при <р=-0,5 В (Q=l,176); для Си при ср=-0,3 В (Q=-0,152) и при ср=-0,7 В (Q=0,877).

Установлено, что на скорость ползучести существенно влияет

присоединение к деформируемому образцу пластин из разных металлов. Наиболее заметное увеличение скорости ползучести алюминия установлено при присоединении к нему пластин из Хг и N1. Зависимости относительной скорости ползучести от контактной разности потенциалов имеют экстремумы: для А1 при Дср=0,15 В (подключение Си) (С>=-0,11) и при Д<р=0,25 В (подключение N1) (С>=0,30); для Си при Дср=-0,30 В (подключение

Рисунок 1 - Характерные кривые ползучести технически чистого алюминия, полученные в обычных условиях (а), при подведении электрического потенциала +0,5 В (б) и +1 В (в)

Исследования влияния электрического потенциала на волновую природу пластической деформации при ползучести алюминия выполнены методом спекл-фотографии. Пластическая деформация локализована в определенных периодически расположенных зонах образца. Соседние зоны при этом остаются практически недеформированными. Выявлено, что на стадии уставившейся ползучести максимумы локализации равномерно перемещаются вдоль образца (рисунок 2).

Важным представляется факт линейной зависимости скорости ползучести и скорости распространения автоволны на установившейся стадии, что, по-видимому, означает, что микромеханизмы, контролирующие оба процесса одни и те же. Аппроксимацией распределений очагов локальных удлинений установлено, при подведении электрического потенциала 1 В скорость распространения автоволн увеличивается почти в 2 раза (с (2,85±0,50)-10'6 м/с до (4,68±0,25) 10 6 м/с), а длина волны в пределах погрешности остается неизменной ((3,43±0,14)-10~ м и (3,55±0,12)-10 м). Это связано с тем, что изменение состояния поверхностного слоя, вызванное внешним электрическим потенциалом, приводит к изменениям условий

генерации дислокаций в этой зоне за счет повышения или понижения концентрации вакансий.

Рисунок 2 — Распределение локальных удлинений в деформируемом поликристаллическом алюминии в режиме установившейся ползучести (ст =64,8 МПМ= 150 с)

Фрактографический анализ поверхности разрушения А1 показал, что ползучесть формирует поверхность разрушения с ямками излома большого диапазона размеров. При деформации без приложения потенциала средний размер ямок вязкого излома 1,84 мкм; приложение потенциала к А1 уменьшает средний размер в ~1,25 раза.

В исходном состоянии в зернах присутствуют хаотическая дислокационная субструктура (ДСС), дислокационные сетки, жгуты, ячейки и фрагменты. Сетчатая ДСС присутствует в объеме ячеек; в объеме фрагментов выявляется хаотическая ДСС. Дислокационные ячейки и фрагменты в основном наблюдаются вдоль границ зерен. Средняя скалярная плотность дислокаций равна 1,4-1010 см"2. Средние размеры дислокационных ячеек ~ 480 нм; фрагментов ~ 600 нм. Ползучесть А1 до разрушения привела к существенной модификации ДСС. В зоне разрушения выявлено формирование ДСС, отсутствующих в исходном материале, а именно, полосовой и субзеренной ДСС.

Как и в случае деформации без приложения потенциала, в зоне разрушения А1, подвергнутого воздействию потенциалом, формируется структура, представленная субзернами (средний размер 0,98 мкм), зернами с полосовой, ячеистой и сетчатой ДСС. Средняя скалярная плотность дислокаций не изменяется. Сделано заключение, что ползучесть в условиях приложения электрического потенциала приводит к инициированию процесса самоорганизации ДСС по сравнению с материалом, разрушенным при ползучести в обычных условиях (рисунок 3). Сделано предположение, что влияние электрического потенциала +1 В на формирование ДСС при

ползучести А1 заключается в замедлении закрепления подвижных дислокаций, что соответственно приводит к исчезновению дислокационных ячеек.

Установлено влияние электрического потенциала, подводимого к А1, Си и другим металлам, на их микро- и нанотвердость. Если приложение потенциала к А1 приводит к уменьшению микротвердости, то действие потенциала на Си обратно. Причем, существенное изменение значений микротвердости наблюдается до значения потенциала ±1 В. Изменение значений микротвердости определяется абсолютной величиной электрического потенциала и незначительно зависит от его знака.

Рисунок 3 - Диаграмма ДСС, формирующихся в алюминии; а - исходное состояние б - ползучесть без приложения электрического потенциала; в -ползучесть с приложением к образцу потенциала +1 В; 1 — хаотическая ДСС; 2 - фрагментированная ДСС; 3 - ячеистая ДСС; 4 - сетчатая ДСС; 5 - полосовая ДСС; 6 - субзерна; Ру — объемная доля

Влияние электрического потенциала на микротвердость Ъх и Ре-3%81 (рисунок 4) также, как и на А1 и Си проявляется в виде кривых с насыщением, причем влияние потенциала становится практически неизменным при | (р \ > 1 В. Установлен противоположный эффекта для А1 и Ъх, а также Ре-3%Б5, причем форма зависимостей для этих металлов остается одинаковой.

Установлена величина массы подсоединяемого металла, приводящей к наибольшему изменению микротвердости (таблица 1) (подключаемый металл указан в скобках).

Проведены испытания на микротвердость при подключении разнородных металлов. Установлено, что характер влияния масс неоднозначен: Ъх уменьшает микротвердость А1, а Бп — увеличивает. При подключении Ъх наблюдается резкое падение микротвердости в области подключаемых масс Ъх до 40 г. Подключение Ъх с массой ~ 5 г приводит к

80-

а

2 3 4 5 6

Тип структуры

резкому увеличению микротвердости А1, а при увеличении подключаемой массы наблюдается уменьшение микротвердости.

Рисунок 4 — Влияние электрического потенциала на относительное изменение микротвердости Ре-3%Я1 (кривая 1) и А1 (кривые 2 и 3) (нагрузка на индентор 500 мН (кривая 1), 200 мН (кривая 2) и 100 мН (кривая 3))

Таблица 1 - Влияние подключаемых металлов на микротвердость __исследуемых металлов__

Значения

Металл НУо МПа НУЕ МПа > <2 ^критерия

Стьюдента

А1(Бп) 319 368 0,16 5,6

А1(Си) 248 286 0,15 21,0

к\{7л) 202 228 0,13 21,1

Ъх{КХ) 1668 1831 0,1 17,8

Ре-3всс.%81 (2г) 1922 1969 0,025 3,6

Си(№) 558 582 0,043 9,7

Си(А1) 558 587 0,051 10,2

Си(Сг) 558 609 0,091 8,4

Си(П) 558 616 0,10 11,7

Си(Ре) 558 582 0,04 4,5

Си(РЬ) 558 617 0,1 13,4

Установлено, что существует как влияние массы А1 на микротвердость Ъг, так и влияние 7.x на А1. Во всех рассмотренных случаях при подключении металла с отличной работой выхода происходит изменение микротвердости

исследуемого металла. Влияние Zr на микротвердость Си отличается от влияния А1.

Эффект изменения микротвердости, инициированный подведением электрического потенциала или созданием контактной разности потенциалов, при прекращении их действия также постепенно исчезает. Происходит восстановление микротвердости с течением времени до первоначальных значений согласно зависимости HV ~ exp(-th). Форма этой зависимости во всех случаях оставалась постоянной. Причем, чем больше изначально подводимый электрический потенциал, или, соответственно, подключаемый металл (точнее его масса, соответствующая наибольшему эффекту изменения микротвердости), тем постоянная времени т больше. Установлена линейная зависимость времени восстановления микротвердости т от подведенного к материалу электрического потенциала ф и от массы подключаемого к исследуемому материалу металла (пример приведен на рисунке 5). Это свидетельствует о связи электрического потенциала, изначально подведенного к материалу, и массы подключаемого к исследуемому материалу металла. Вариации микротвердости металлов в указанных условиях связываются с более долгоживущими изменениями состояния поверхностного слоя и инициированными процессами в двойном электрическом слое на поверхности.

г, с 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

Рисунок 5 - Зависимости времен восстановления микротвердости Си от электрического потенциала (а) и микротвердости Fe-3%Si от массы подключаемого Zr (б)

Установлено, что вид зависимостей, получаемых при исследовании нанотвердости металлов при подключении к ним масс различных металлов, в основном, также имеют экстремум, однако их максимум больше. В частности, максимум зависимости относительного изменения нанотвердости А1 при подключении к нему масс Zr составляет 0,2, а при микроиндентировании этой же пары металлов это значение равно 0,13. Причем, экстремум в обоих случаях установлен при массе подключаемого Zr, равной ~ 0,003 кг. Выполненные исследования по влиянию величины массы присоединенного металла на нанотвердость Fe и W показали, что

зависимость относительного изменения нанотвердости от массы подключаемого металла имеет экстремальный характер. При изучении влияния разных масс Ъх на нанотвердость показано, что нанотвердость увеличивается, начиная со значения массы подключаемого металла более 6,5 г (рисунок 6).

Показано, что при отключении от образца электрического потенциала или контактирующего с ним металла параметр пластичности восстанавливается с течением времени согласно уравнению 5 ~ 1 - к ■ ехр(- ¿/г)^ рде посхоянная времени т зависит от величины подключенного потенциала. Для значений потенциала ср = 0,6 В она равна ~ 460 с.

Рисунок 6 — Зависимость относительного изменения нанотвердости от массы подключаемого Ъх

При испытаниях А1 на релаксацию напряжений в условиях подведения электрического потенциала установлено, что активационный объем у и коэффициент чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения т не зависят от знака потенциала ср и снижаются с ростом потенциала (таблица 2). Установлено немонотонное влияние электрического потенциала на характеристики процесса релаксации: средней скорости релаксации и активационного объема.

При подключении металлов (кроме Ъх) плотность дислокаций и частота колебаний дислокационного сегмента увеличиваются. Однако, средняя скорость релаксации при подключении железа и свинца уменьшается, что говорит сложном характере процесса релаксации при подключении металлов (таблица 3).

Таблица 2 — Изменение параметров у и т при воздействии электрического

потенциала _

Ф, в -1 -0,5 0 0,5 1

у, 10"27 м3 1,35 1,29 1,7 1,41 1,27

т 10,7 13,0 14,4 п,з 10,6

Таблица 3 — Изменение плотности дислокаций и частоты колебаний дислокационного сегмента при подключении различных металлов

Подключаемый металл Ъх РЬ Т1 - Ге Си

Плотность дислокаций, 1011 см2 2,30 3,07 3,01 2,97 3,20 3,96

Частота колебаний дислокационного сегмента, Ю10 Гц 1,37 1,58 1,57 1,56 1,62 1,80

Приложенный в процессе деформирования к А1 потенциал 1 В способствует релаксации внутренних полей напряжений, активизируя перестройку дислокационной субструктуры материала. Формируется структура, характеризующаяся относительно низкими значениями амплитуды и количества концентраторов внутренних полей напряжений. Деформация алюминия путем одноосного сжатия (в = 7%) в условиях приложенного потенциала сопровождается формированием дислокационных субструктур с меньшей величиной скалярной плотности дислокаций; изменение остальных параметров, выбранных для анализа состояния структуры деформированного алюминия, не зависит от наличия или отсутствия потенциала.

Выполнена интерпретация установленных эффектов влияния электрических потенциалов. Рассматривая тонкий поверхностный слой металла как плоский конденсатор с емкостью С и зарядом д, и учитывая, что разность потенциалов между его обкладками можно найти как <р=д/С и, соответственно, ц=фС, то из уравнения Липпмана да/д<р = -д получена зависимость изменения работы образования поверхности от электрического потенциала Дет = - (р\\ Видно, что увеличение электрического

потенциала, подводимого к поверхности, приводит к квадратичному уменьшению работы образования поверхности независимо от знака приложенного электрического потенциала, что соответствует полученным результатам.

Указанное различие влияния электрического потенциала на микротвердость металлов, по нашему мнению, может быть связано с тем, что в них имеются отличные механизмы проводимости, на что указывает знак и значение постоянной Холла Л для А1 и 7л в формуле для электродвижущей силы Холла. Для А1 величина постоянной Холла /? = — 3,3-Ю"11 м3/А-с, для 7х В. = 15,5-Ю"11 м3/А-с, а для Ре й = 0,5-Ю"11 м3/А-с. Различие знаков И. свидетельствует, что в А1 преобладает электронная проводимость, а в Ъх и Бе

— дырочная проводимость. Поэтому знак изменения микротвердости зависит от сочетания знаков постоянных Холла для исследуемого и присоединяемого металлов.

Для объяснения установленных в разделе закономерностей, показывающих влияние электрического потенциала на ползучесть, микротвердость и релаксацию напряжений, обратим внимание на то, что данные для изменения величины деформации ползучести за одинаковое время в зависимости от приложенного к образцу потенциала подчиняются эмпирической зависимости (£)3=к-ф2, где величину (е)3 можно рассматривать как третий инвариант тензора деформаций (произведение главных компонент тензора деформаций ё! е2 £з), £ - относительное удлинение, ф — приложенный к образцу электрический потенциал. В этом случае коэффициент пропорциональности может быть представлен в виде к = 1Л7, где Б — некоторая сила взаимодействия, возникающая при подведении электрического потенциала к образцу в процессе его деформирования.

Численная оценка показывает, что (Ае) =7,4-10"4 + 10664-ф . С достаточной точностью это соотношение может быть сведено к (Де)3= 10664-ф2. Следовательно, к = 10664 дин"1, и Р ~ 1/к = 9,37-10"5 дин = 1-10"9Н.

Предполагая, что при подведении электрического потенциала происходит перераспределение электронов на поверхности металла, используем закон Кулона, записанный в системе Гаусса Р = е2/а2.

Учитывая, что заряд электрона е = - 4,8-10"10 ед. СГС и принимая, что а ~ 210"8 м (величина порядка параметра решетки), получаем, что Р = 5-10"4 дин = 0,5-10"9 Н. Близкое совпадение полученных величин силы позволяет утверждать, что в основе наблюдаемого эффекта могут лежать электростатические явления, связанные с перераспределением электронов в приповерхностном слое металла.

В четвертом разделе «Влияние слабых магнитных полей на изменение характера пластической деформации поликристаллического алюминия» выполнен анализ и установлены закономерности влияния постоянного и импульсного магнитных полей на скорость ползучести, микротвердость, параметры поверхности разрушения и тонкую структуру поликристаллического А1.

Постоянное магнитное поле существенно влияет на скорость ползучести А1, причем зависимость относительного изменения скорости ползучести от магнитной индукции имеет немонотонный характер: при достижении магнитным полем значений магнитной индукции В ~ 70 мТл скорость ползучесть становится максимальной (относительное изменение скорости ползучести Е; ~ 56%), при В ~ 145 мТл относительное изменение равно нулю и при магнитном поле с В = 300 мТл наблюдается минимум (относительное изменение скорости ползучести Ъ, ~ -56%). Причина такого изменения пластических свойств связана с влиянием магнитного поля на поведение точечных дефектов.

Эффект действия магнитного поля на микротвердость проявляется, начиная с некоторого порогового значения магнитной индукции Вп = 100 мТл, что связано с уменьшением энергетического барьера закрепления дислокаций на парамагнитных центрах в А1. Установлена стабилизация значений микротвердости при воздействии на алюминий магнитного поля в течение 2 часов. Это обусловлено тем, что при увеличении времени обработки магнитным полем происходит также увеличение длины свободного пробега дислокаций с достижением своего максимального значения и дальнейшим насыщением, что связано с откреплением от стопоров подвижных дислокаций при определенной величине магнитного поля. Отметим, что при прекращении магнитного поля микротвердость восстанавливается до первоначальных значений.

Импульсное магнитное поле существенно влияет на микротвердость А1, причем максимальный эффект установлен при воздействии на алюминий импульсного магнитного поля с В = 0,8 Тл, при увеличении магнитной индукции происходит стабилизация значений микротвердости. Эффект влияния импульсного магнитного поля носит обратимый характер, причем зависимость, по которой происходит восстановление микротвердости для различных значений индукции магнитного поля остается неизменной.

Полученные в работе экспериментальные данные показывают уменьшение микротвердости А1 после импульсной обработки магнитным полем в соответствии с зависимостью С? ~ Оо'е"1т, где I — время, прошедшее после окончания обработки материала импульсным магнитным полем, <2о — константа, связанная с числом импульсов и первоначальным эффектом влияния магнитного поля, т - коэффициент, связанный со временем восстановления микротвердости. Установлено, что время релаксации зависит от начального эффекта влияния магнитного поля согласно уравнению т = -0,6642 ■ а (рисунок 7).

Проведение испытаний при Т = 353 К показало, что закон восстановления микротвердости не изменяется, однако восстановление микротвердости происходит за время в 2 раза меньшее, а начальный эффект влияния снижается на 33%. Это позволяет предположить стимулирование магнитным полем движения дислокаций. Это может происходить из-за того, что импульсное магнитное поле приводит к откреплению дислокаций от точечных препятствий.

Установленные эффекты влияния магнитного поля нашли отражение на состоянии поверхности разрушения материала и дефектной субструктуре, формирующейся в материале при ползучести. Анализ субструктуры, формирующейся в А1 при ползучести (деформация до 8=15 %), показал, что в обоих случаях (в присутствии магнитного поля или без него) наблюдается зеренно-субзеренная (блочная) структура. Независимо от действия магнитного поля средние размеры блоков равны: для изотропных — Э = 1,6-10"6 м; для анизотропных — продольные размеры Б = 0,65-10"6 м,

поперечные Ь = 1,5 -10"6 м; коэффициент анизотропии, определяемый по отношению среднего поперечного размера блока к среднему продольному размеру блока, равен 2,3.

Т, ч

8

т = - 0,6642 а Я2 = 0,9980

2

6

4

0

-Г>

10 -а, %

0

2

4

6

8

Рисунок 7 — Зависимость времени восстановления микротвердости после превращения действия магнитного поля от начального эффекта его влияния

В блоках находятся следующие типы дислокационных субструктур: хаотическая, сетчатая, ячеистая, дислокационные петли, основным типом ДСС является хаотическая (рисунок 8). Ее объемная доля составляет 72 и 77 % для е = 22%и 15 % в отсутствии поля, соответственно. Более явные отличия установлены при анализе изменения скалярной плотности дислокаций и плотности дислокационных петель: происходит возрастание в ~ 3 раза скалярной плотности дислокаций и образование дислокационных петель. Причем значения данных величин тонкой структуры алюминия больше в случае воздействия магнитным полем.

Хаотическая ДСС, независимо от условий проведения экспериментов, является основной в объеме материала, прилегающего к зоне разрушения.

Исследования структуры зоны разрушения (е = 22%) показали, что обработка магнитным полем существенным образом оказывает воздействие на формирование дислокационных петель, что выражается в увеличении их плотности: в случае ползучести без воздействия магнитным полем плотность дислокационных петель в два раза меньше, чем в условиях воздействия им (рисунок 9). Очевидно, что эти петли созданы в результате объединении в диски вакансий или межузельных атомов, т.е. точечных дефектов, которые возникли в результате испытаний на ползучесть. Таким образом, воздействие внешним магнитным полем ускоряет процесс возникновения вакансий и межузельных атомов в алюминии в процессе ползучести. Повышение прочности алюминия связано с тем, что в нем находятся дислокационные петли и дислокации с высокой плотностью.

100 90 80 70 «0 50 40 30 20 10 0

100 90 № 70 60 50 40 30 20 10 о

22

0 15 22 8>% о 15

Рисунок 8 - Распределения объемной доли типов дислокационных субструктур в зависимости от величины деформации без магнитного поля (а) и при В = 0,3 Тл (б). 1 — хаотическая, 2 - сетчатая, 3 — ячеистая ДСС

в 5 10 15 20 25£,%0 5 10 15 20

Рисунок 9 - Зависимости средней скалярной плотности дислокаций (а) и дислокационных петель (б) от величины деформации без магнитного поля (кривая 1) и при В = 0,3 Тл (кривая 2)

Испытания алюминия на ползучесть способствуют образованию поверхности разрушения с широким диапазоном размеров ямок вязкого излома (рисунок 10). Установлено, что их средний диаметр связан с местами их образования (волокнистая зона или зона среза), а также от наличия или отсутствия магнитного поля. А именно, в зоне волокнистого излома при ползучести в обычных условиях (без магнитного поля) средний размер ямок вязкого излома составляет 3,4-10"6 м; если же испытания проходили при воздействии магнитным полем, то средний размер ямок вязкого излома уменьшается более чем в 2 раза и составляет 1,5-10"6 м. Это сопровождается уменьшением интервала размеров ямок. Так в случае испытаний в обычных условиях размер ямок изменялся от МО"6 м до 9-10"6 м; а при испытаниях в магнитном поле размер ямок изменялся от 0,25-Ю"6 м до 5Т0"6 м).

Рисунок 10 - СЭМ изображение поверхности разрушения

Установлено, что в разрушенном алюминии в зоне среза находятся ямки сдвига (ямки вязкого излома). Проведенный статистический анализ показал, что средний размер ямок вязкого излома в зоне волокнистого излома больше среднего размера ямок вязкого излома в зоне среза: при испытаниях в обычных условиях средний размер ямок вязкого излома 1,75-1 СГ6 м (интервал размеров ямок - от 0,5-10"6 м до 4-10~6 м); при разрушении образцов, помещенных в магнитное поле, средний размер ямок вязкого излома 1,1-10"6 м (интервал размеров ямок - от 0,25-10"6 м до 3,75-10 6 м).

Сделан вывод о том, что одним из возможных механизмов влияния магнитного поля на микротвердость поликристаллического алюминия является стимулированное движение дислокаций, что совпадает с механизмом влияния магнитного поля на микротвердость монокристаллов алюминия.

Пятый раздел «Роль обработки мощными токовыми импульсами в формировании структурно-фазового градиента аустенитной стали при многоцикловой усталости» посвящен анализу влияния мощных токовых импульсов на формирование градиентных структурно-фазовых состояний в аустенитной стали 45Г17ЮЗ при многоцикловых усталостных испытаниях до разрушения и выявлению закономерностей и механизмов их образования.

Субзеренная структура стали в исходном состоянии характеризуется субструктурой дислокационного хаоса (Ру=0,1), неразориентированной и разориентированной сетчатой дислокационных субструктур (Ру=0,2) и фрагментированной дислокационной субструктуры (Ру=0,7). Усталостное нагружение стали до N = 7-104 циклов сопровождается формированием в объеме зерен микродвойников деформационного происхождения. Этот процесс усиливается по мере приближения к концентратору напряжений стали. Наряду с микродвойниками деформационного происхождения, усталостные испытания стали приводят к формированию дефектов упаковки. Градиентный характер субструктуры стали выявлен при количественном анализе параметров дислокационных субструктур. По мере удаления от плоскости максимального нагружения закономерным образом изменяются

величина скалярной плотности дислокаций (рисунок 11а), амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки (рисунок 116) и относительное содержание типов дислокационных субструктур (рисунок 12а).

2000 3000 X. мкм

2000 3000 4000 5000 X, мкм

2000 3000 4000 5000 X. МКМ

1000

2000 3000 X, МКМ

4000 5000

Рисунок 11 — Изменение скалярной плотности дислокаций (а) и амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки (б) в хаотической ДСС (кривая 1), сетчатой (кривая 2) и фрагментированной ДСС (кривая 3) от расстояния до поверхности нагружения (К = 7-104 циклов)

Рисунок 12 - Изменение распределения дислокационных субструктур, формирующихся в стали при N1 = 7-104 (а) и N2= 10,2-Ю4 (б) циклов нагружения. Цифрами обозначены области существования 1 — сетчатой дислокационной субструктуры, 2 — субструктуры дислокационного хаоса, 3 - фрагментированной субструктуры

Разрушение стали 45Г17ЮЗ в результате многоцикловой усталости наступает после Ы2 = 10,2-104 циклов нагружения. Усталостное нагружение до разрушения приводит к изменению относительного содержания дислокационных субструктур по мере удаления от поверхности разрушения (рисунок 126) и сопровождается формированием градиентного состояния параметров ДСС (рисунок 13) и образованием в зоне разрушения микродвойников.

Обработка материала на промежуточной стадии усталостных испытаний импульсным электрическим током увеличивает до N3 = 17,9-104 число циклов до разрушения, приводит к изменению зеренной структуры путем зарождения и роста новых зерен вследствие протекания рекристаллизации.

1000

2000 3000 4000

X, мкм

1000 2000 3000 4000 5000 X, мкм

Рисунок 13 — Изменение скалярной плотности дислокаций (а) и амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки (б) стали после разрушения в хаотической дислокационной субструктуре (кривая 1), сетчатой (кривая 2) и фрагментированной субструктуре (кривая 3) от расстояния до поверхности разрушения (Ы2 = 10,2-104 циклов)

500 1000 1500 2000

X, МКМ

500 1000 1500 2000

X, МКМ

Рисунок 14 — Изменение дислокационных субструктур, формирующихся в стали при К] = 7-104 циклов нагружения и последующей токовой обработке (а) и после разрушения при N3 = 17,9-104 циклов (б). Цифрами обозначены области существования 1 — субструктуры дислокационного хаоса, 2 — сетчатой дислокационной субструктуры, 3 — фрагментированной

субструктуры

Действие на сталь электрического тока приводит к: снижению скалярной плотности дислокаций (в —1,1 раза), росту амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки стали (в -1,8 раза); изменению в зеренной структуре; уменьшению объемной доли сетчатой дислокационной субструктуры за счет роста долей хаотической и фрагментированной дислокационной субструктуры. Установлена локальность данных процессов.

Выявленные изменения параметров тонкой субструктуры свидетельствует о формировании градиентной структуры при токовой обработке усталостно нагруженной стали и после разрушения (рисунок 14). Обнаружено значительное различие в значениях характеристик дислокационной субструктуры каждого типа. По мере удаления от концентратора напряжений значения амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки и скалярной плотности дислокаций увеличиваются. Эволюция субзеренной структуры стали по мере удаления от зоны разрушения сопровождается формированием градиента размеров зерен. Установлено немонотонное изменение среднего размера зерен с их увеличением.

В шестом разделе «Реализация результатов работы и направления их практического внедрения» выполнен анализ результатов работы, имеющих практическую реализацию, и описано применение методов воздействия электрическими потенциалами, магнитными полями и токовыми импульсами в приборостроительной, металлургической и горнодобывающих отраслях промышленности.

Показано, что установленные результаты изменения микротвердости при подведении электрических потенциалов использованы в ООО «Лазурит» проведением электрической изоляции образцов, подвергаемых микроиндентированию, от предметного столика микротвердомера. Это существенно уменьшило разброс численных данных и увеличило точность измерений за счет исключения влияния электрических зарядов на образцах.

Результаты по увеличению скорости релаксации напряжений при подключении электрических потенциалов могут широко применяться в операциях листовой штамповки, заневоливании пружин и отработке режимов термоэлектрической тренировки наборов резисторов и схем цифро-аналоговых преобразователей и аналого-цифровых преобразователей. Результаты работы использовались в процессе изготовления прецизионных тонкопленочных наборов резисторов типов НР1-53, НР1-55 и НР1-60 при тестировании технологии сварки ультразвуком алюминиевых проводников и были учтены в Научно-исследовательском институте электронно-механических приборов, что увеличило выход после этой операции изделий, готовых для эксплуатации.

Показано, что одним из применений магнитной обработки может являться включение операции обработки магнитным полем в цикл производства объемных, поверхностных и порошковых наноструктурированных сплавов с высокими значениями физических и

механических свойств, например, магнито-мягких сплавов типа «Файнмет», «Наноперм», «Хитперм».

Результат снижения микротвердости алюминия при магнитном воздействии использован в ООО «Сибирские промышленные технологии» при получении кабельно-проводниковой продукции. В цикл производства была добавлена операция по обработке заготовок магнитным полем: после получения из слитка заготовки для прокатки катанки проводилась обработка магнитным полем, затем выполнялось волочение и отжиг в вакууме с получением конечного продукта в виде проволоки. Внедрение указанной операции позволило увеличить выход готового продукта с экономическим эффектом более 2 млн. руб. в год.

Полученные при выполнении работы зависимости микротвердости от индукции магнитного поля рекомендуется применять для разработки уникальных технических средств контроля индукции внешних магнитных полей в различных тонких прецизионных устройствах путем фиксирования микротвердости эталона из алюминия. Результаты по влиянию магнитных полей могут быть применены в стоматологии.

Показано, что управление физическими и механическими свойствами материалов с помощью магнитных полей может иметь практическое применение в широких областях науки и производства. Внедрение технологий и предложений, сформулированных на основании результатов диссертации, в технологии изготовления ответственных изделий из алюминия и сплавов на его основе позволит модернизировать производственные процессы обработки металлов давлением.

Предложено использовать генератор токовых импульсов для увеличения экономической эффективности работы трехвальцовых машин для гибки листового проката. Было установлено влияние воздействия импульсного электрического тока на срок эксплуатации валков. В результате выполнения тестовых испытаний в ООО «Ремкомплект» установлено, что срок эксплуатации валков увеличился до 4,15 месяцев. Это позволило сократить период между ремонтами, увеличить срок службы валков. Фактический экономический эффект составил 3,5 млн. руб. в год.

Результаты работы в части данных об увеличении усталостного ресурса стальных изделий после токовой импульсной обработки на промежуточной стадии усталостного нагружения использованы ООО «Проектгидроуголь-Н» для подбора режимов электроимпульсной обработки сварных композиций твердосплавных резцов с режущей частью из карбидовольфрамового сплава в кулачке конической головки комбайна ГПКС при эксплуатации в условиях ОАО «Шахта им. Ф.Э. Дзержинского». Внедрение электроимпульсной обработки привело к увеличению срока службы деталей и сокращению межремонтного периода. Экономический эффект от внедрения электроимпульсной обработки составил 3 млн. руб. в год в ценах 2011 г.

В ООО «Научно-производственное объединение «Гидроуголь» в 2006 г. проведен ультразвуковой контроль сварных композиций твердосплавного

резца с режущей частью из сплава ВК-8 в кулачке конической головки комбайна ГПКС. В результате внедрения установки по электроимпульсной обработке сократился межремонтный период и увеличился срок службы механизмов. Годовая экономия от внедрения установки составляет 5,72 млн. руб. (в ценах 2006 г.).

На ОАО «Шахта «Большевик» в 2007-2012 гг. разработаны и освоены технология восстановления методом токовой импульсной обработки усталостного ресурса элементов крана-перегружателя, являющегося ответственным элементом в технологической цепи рудников и шахт, широко используемого на открытых площадках для перегрузки горных пород. Для расчета долговечности принят технологический цикл, состоящий из подъема максимальных и номинальных грузов и годовых испытаний, определяющих график изменения напряжений в опасной точке. Концентратором полей напряжений в кране является нижний пояс главной балки крана, где наблюдалось появление усталостных трещин. Внедрение технологии токовой импульсной обработки, заключающейся в пропускании токовых импульсов оптимальных параметров через нижний пояс главной балки крана позволило увеличить технологический цикл крана-перегружателя в 1,4 раза, при этом экономический эффект составил 5 млн. рублей в год.

На ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и ОАО «ЕВРАЗ — Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» проведен неразрушающий контроль пуансонов, состоящих из сварных соединений твердосплавного пробойника из стали Р9 со штамповой матрицей из стали 40, в процессе прошивки отверстий в накладках и подкладках для железнодорожных рельсов. В лабораторных условиях пуансон подвергался воздействию токовыми импульсами. В результате улучшились технико-экономические показатели. Суммарный экономический эффект с 2006 по 2012 гг. составил 25,5 млн. руб. при долевом участии автора 3,82 млн. руб.

Приложение содержит справки и акты по использованию методов воздействия электрическими потенциалами, магнитным полем и электроимпульсной обработки стальных изделий в организациях реального сектора экономики и в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В работе методами современного физического материаловедения (оптическая, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия) выявлены закономерности влияния слабых (электрические потенциалы, контактная разность потенциалов и магнитные поля) и сильных (мощные токовые импульсы) внешних энергетических воздействий на процессы пластической деформации (ползучесть, релаксация напряжений, процесс микро- и наноиндентирования, многоцикловая усталость) металлов (алюминий, медь) и сплавов (кремнистое железо, аустенитная сталь). При этом:

1. Установлено, что приложение слабого электрического потенциала (до 5 В) и контактной разности потенциалов (при подключении РЬ, Ре, Си, А1, Сг, Ъх, ТО к алюминию и меди, подвергаемым испытаниям на ползучесть и релаксацию напряжений, влияет на эти процессы, существенно изменяя скорости ползучести и спада напряжений. Причем, эффект подключения электрического потенциала, задаваемого электрическим источником (максимальное изменение относительной скорости ползучести (2 алюминия наблюдается при ср=-0,5 В (<3=1,176) и при ползучести Си при ср=-0,7 В (С>=0,877)), более сильно выражен, чем при создании контактной разности потенциалов (максимальное изменение относительной скорости ползучести А1 наблюдается при Дф=-0,25 В (С>=0,30) и при ползучести Си при Дф=0,45 В ((2=0,09)).

2. Установлено, что подведение электрического потенциала изменяет микротвердость алюминия, меди, циркония и др. металлов. Обнаружена зависимость микротвердости от величины подводимого электрического потенциала. Показано, что существуют зависимости микро- и нанотвердости металлов от массы подключаемых к ним металлов с другой работой выхода. Установлен экстремальный характер зависимости, индивидуальный для каждой конкретной пары металлов. Максимальный эффект увеличения микротвердости наблюдается при подключении 8п (ш=0,933 кг) к А1 ((2=0,16).

3. Показано, что подведение электрического потенциала 1 В к алюминию, подвергаемому ползучести и релаксации напряжений, активизирует перестройку дислокационной субструктуры, а также уменьшает средний размер ямок вязкого излома в зоне среза с 1,53 мкм до 1,17 мкм.

4. При интерпретации установленных эффектов на основе анализа изменения поверхностного натяжения твердых тел выявлена квадратичная зависимость работы образования поверхности металла от электрического потенциала, что объясняет независимость эффектов от знака электрического потенциала. Установлено, что влияние подключаемых металлов на ползучесть, релаксацию напряжений, микро- и нанотвердость связано с типом их проводимости и значениями постоянной Холла для основного и присоединяемого металлов. Показано, что в основе наблюдаемых эффектов влияния электрических потенциалов лежат электростатические явления, обусловленные перераспределением электронов в приповерхностном слое металла.

5. Установлено немонотонное влияние постоянного магнитного поля при В<0,30 Тл на скорость ползучести алюминия, причем максимальный эффект <3=0,55 обнаружен при В=0,07 Тл, а минимальный (2=-0,57 при В=0,3 Тл.

6. Обнаружен эффект восстановления значений микротвердости алюминия до первоначальных значений при отключении как постоянного, так и импульсного магнитных полей. Зависимость микротвердости от времени, прошедшего после отключения магнитного поля, подчиняется

экспоненциальному закону. Показано, что существует критическое значение магнитной индукции Вп = 0,10 Тл, ниже которого влияние магнитного поля на микротвердость не проявляется.

7. Показано, что магнитное поле В=0,30 Тл способствует развитию рельефа

поверхности разрушения алюминия при ползучести с меньшими

размерами (средний размер ямок вязкого излома d=l,5 мкм) по сравнению

с испытаниями без него (средний размер ямок вязкого излома d=3,4 мкм)

10 2 10 2 и инициирует увеличение с 1,65-10 см" до 2,20-10 см" скалярной

плотности дислокаций, образующих, преимущественно, хаотическую

дислокационную структуру, а также ускоряет процесс образования

дислокационных петель.

8. На основе сравнительного анализа полученных результатов и теоретических представлений показано, что наиболее вероятным механизмов влияния постоянного и импульсного магнитных полей на пластичность поликристаллического алюминия является активизация движения дислокаций за счет уменьшения энергетического барьера их закрепления на парамагнитных центрах в алюминии.

9. Установлено, что модификация зеренной структуры и дефектной субструктуры аустенитной стали при усталостных испытаниях и токовой импульсной обработке носит объемный характер, приводит к формированию градиентной структуры, выявляемой на макро-, мезо- и микромасштабных уровнях и увеличивает число циклов до разрушения в 1,7 раза.

10.Методы воздействия электрическими потенциалами, магнитными полями и токовыми импульсами использованы в приборостроительной, металлургической и горнодобывающих отраслях промышленности в технических и технологических решениях, обеспечивших экономию материальных и экономических ресурсов. Суммарный годовой эффект от использованных технических и технологических решений составил 44,7 млн. руб., в том числе доля автора 6,7 млн. руб. Полученные в диссертации результаты внедрены в учебном процессе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах

Монографиях:

1. Коновалов, С. В. Прочность и пластичность металлов при слабых электрических воздействиях / С. В. Коновалов, Р. А. Филипьев, О. А. Столбоушкина [и др.]. — Новокузнецк: Изд-во ОАО «Новокузнецкий полиграфический комбинат», 2009. — 180 с.

2. Столбоушкина, О. А. Структурно-фазовые состояния и дислокационная субструктура А1 при ползучести / О. А. Столбоушкина, С. В. Коновалов, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов. - Новокузнецк: Изд-во ОАО «Новокузнецкий полиграфический комбинат», 2010. — 182 с.

3. Иванов, Ю. Ф. Физические основы повышения усталостной долговечности нержавеющих сталей / Ю. Ф. Иванов, С. В. Воробьев, С. В. Коновалов [и др.]. - Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс», 2011. - 302 с.

Патентах на изобретение, свидетельствах о государственной регистрации:

1. Пат. 2400927 Россия. МПК НОЗУ 3/53. Генератор мощных токовых импульсов для интенсификации процессов обработки металлов давлением / Ю. Д. Жмакин, Д. В. Загуляев, С. В. Коновалов [и др.]; (РФ). - № 2009140994/07; заявл. 05.11.2009; опубл. 27.09.2010, Бюл. №27.-9 с.

2. Пат. 2433444 Россия. МПК G05D 11/00, G22F 3/02. Способ управления ползучестью алюминия марки А85 / С. В. Коновалов, Л. Б. Зуев, Р. А. Филипьев [и др.]; (РФ). - № 2010117981/02; заявл. 04.05.2010; опубл. 10.11.2011,Бюл.№31.-7с.

3. Пат. 2441941 Россия. МПК C22F 3/02. Способ изменения микротвердости изделия из технически чистого алюминия / Р. А. Филипьев, С. В. Коновалов, Л. Б. Зуев [и др.]; (РФ). - № 2010118876/02; заявл. 11.05.2010; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4.-5 с.

4. РФ Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ в гос. реестре № 2011617677. Компьютерный комплекс фиксирования данных эксперимента при испытаниях на ползучесть / А. С. Дружилов, С. В. Коновалов, С. Ю. Пронин, В. Е. Громов. - Заявка № 2011615904; (РФ); заявл. 09.08.2011; зарегистрировано 03.10.2011.

5. РФ Свидетельство о государственной регистрации базы данных в гос. реестре № 2011620853. Микротвердость технически чистого А1 марки А85 в постоянном магнитном поле с индукцией до 0,3 Тл / Д. В. Загуляев, С. В. Коновалов, С. Ю. Пронин, В. Е. Громов. - Заявка № 2011620738; (РФ); заявл. 04.10.2011; зарегистрировано 30.11.2011.

Статьях в журналах из перечня ВАК:

1. Данилов, В. И. Макролокализация пластической деформации при ползучести мелкокристаллического алюминия / В. И. Данилов, C.B. Коновалов, C.B. Журавлева [и др.] // Журнал технической физики. - 2005. - Т. 75. - Вып. 3. - С. 94 - 97.

2. Коновалов, С. В. Влияние электрического потенциала на процесс деформации алюминия / С. В. Коновалов, В. И. Данилов, Л. Б. Зуев [и др.] // Физическая мезомеханика. — 2006. — Т. 9. — С. 103 — 106.

3. Коновалов, С. В. О влиянии электрического потенциала на скорость ползучести алюминия / С. В. Коновалов, В. И. Данилов, Л. Б. Зуев [и др.] // Физика твердого тела. - 2007. - Т. 49. - Вып. 8.-С. 1389- 1391.

4. Коновалов, С. В. Автоматизированная установка для регистрации и анализа ползучести металлов и сплавов / С. В. Коновалов, В. И. Данилов, Л. Б. Зуев [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2007. - № 8. - Т. 73. - С. 64 - 66.

5. Konovalov, S. V. Change of creep velocity of A1 under external energy influence / S. V. Konovalov, R. A. Filip'ev, V. I. Danilov [et al.] // Перспективные материалы, Специальный выпуск, сентябрь 2007. — Т.2. -С. 371-373.

6. Столбоушкина, О. А. Роль слабых электрических потенциалов в формировании поверхности разрушения А1 при ползучести / О. А. Столбоушкина, С. В. Коновалов, Ю. Ф. Иванов [и др.] // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2008. — №4.-С. 14-16.

7. Зуев, Л. Б. О влиянии контактной разности потенциалов и электрического потенциала на микротвердость металлов / Л. Б. Зуев, В. И. Данилов, С. В. Коновалов [и др.] // Физика твердого тела. — 2009. — Т. 51. — Вып. 6. — С. 1077-1080.

8. Коновалов, С. В. Управление пластичностью металлов слабыми электрическими воздействиями / С. В. Коновалов, Н. В. Котова, О. А. Столбоушкина [и др.] // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. — 2009. — Т. 4, № 4. — С. 65-70.

9. Коновалов, С. В. Роль электрического потенциала в ускорении ползучести и формировании поверхности разрушения А1 / С. В. Коновалов, Ю. Ф. Иванов, О. А. Столбоушкина, В. Е. Громов // Известия РАН. Серия физическая. - 2009. - Т. 73. - № 9. - С. 1315 - 1318.

Ю.Иванов, Ю. Ф Эволюция поверхности разрушения алюминия, формирующейся при ползучести с наложением потенциала / Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, О. А. Столбоушкина, В. Е. Громов // Физика и химия обработки материалов. — 2009. — № 5. — С. 80 — 83.

П.Иванов, Ю. Ф. Формирование тонкой структуры и поверхности разрушения А1 под действием слабых электрических потенциалов / Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, О. А. Столбоушкина [и др.] // Машиностроение и инженерное образование. - 2009. — № 4(21). — С. 17-24.

12.Gromov, V. Е. Dislocation substructure evolution on Al creep under the action of the weak electric potential / V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov, O. A. Stolboushkina, S. V. Konovalov // Materials Science and Engineering A 527. — 2010.-P. 858-861.

1 З.Коновалов, С. В. Формирование градиентной субструктуры в марганцовистой аустенитной стали при усталостном нагружении и электроимпульсной обработке / С. В. Коновалов, Ю. Ф. Иванов, А. В. Громова // Физика и химия обработки материалов. — 2010. — № 4. — С.72 — 78.

14.Коновалов, С. В. Эволюция дислокационной структуры при усталости коррозионностойкой стали с промежуточной электроимпульсной обработкой / С. В. Коновалов, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов // Деформация и разрушение материалов. — 2010. — № 4. - С. 7 — 11.

15.Konovalov, S. V. Evolution of dislocation substructures in fatigue loaded and failed stainless steel with the intermediate electropulsing treatment / S. V.

Konovalov, A. A. Atroshkina, Yu. F. Ivanov, V. E. Gromov // Materials Science and Engineering A 527. - 2010. - P. 3040-3043.

16.Иванов, Ю. Ф. Влияние электрического потенциала на эволюцию дефектной субструктуры и поверхности разрушения алюминия при ползучести» / Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, О. А. Столбоушкина [и др.] // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. — 2010. — №1. - С. 57-63.

17.Столбоушкина, О. А. Формирование тонкой субструктуры алюминия при ползучести с действием электрического потенциала / О. А. Столбоушкина, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов [и др.] // Материаловедение. — 2010. - № 8. -С. 12-16.

18.Невский, С. А. Изменение активационного объема процесса релаксации напряжений в алюминии при подключении различных металлов / С. А. Невский, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. - 2010. -Т. 15, вып.З. — С. 827-828.

19.Невский, С. А. Изменение активационного объема процесса релаксации напряжений алюминия при действии слабых электрических потенциалов и подключении различных металлов / С. А. Невский, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -

2010. - Т. 7. — № 1.-С. 17-20.

20.Невский, С. А. Влияние электрического потенциала поверхности алюминия на процесс релаксации напряжений / С. А. Невский, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Журнал технической физики. - 2011. — Т. 81, вып. 6.-С. 133-136.

21.Филипьев, Р. А. Влияние электрического потенциала на характер изменения поверхностного натяжения железа / Р. А. Филипьев, С. В. Коновалов, В. А. Петрунин [и др.] //Металлы. - 2011.-№ 1. - С. 105-108.

22.Петрунин, В. А. Влияние электрического потенциала на формирование дислокационной субструктуры при ползучести алюминия / В. А. Петрунин, С. В. Коновалов, О. А. Столбоушкина [и др.] // Металлы. -

2011.-№3.-С. 31-38.

23.Konovalov, S. V. Dislocation substructure gradient formation in aluminum by creep under weak potential / S. V. Konovalov, Yu. F. Ivanov, O. A. Stolboushkina, V. E. Gromov // The Arabian journal for science and engineering. - 2011. - N 36. - P.649-653.

24.Коновалов, C.B. Влияние магнитного поля на поверхность разрушения алюминия при ползучести / С. В. Коновалов, Д. В. Загуляев, Ю. Ф. Иванов [и др.] // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. — 2011.-№2(1).-С. 33-37.

25.Петрунин, В. А. Исследование релаксации напряжений при изменении электрического потенциала поверхности алюминия, деформированного сжатием / В. А. Петрунин, С. А. Невский, С. В. Коновалов [и др.] //

Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки.-2011.-Т. 16.-Вып. 3.-С. 826-828

26.Иванов, Ю. Ф. Влияние электрического потенциала на процесс перестройки дислокационных субструктур алюминия при релаксации напряжений / Ю. Ф. Иванов, С. А. Невский, С. В. Коновалов [и др.] // Научно-технические ведомости СПбГПУ. —2011. — № 1. — С.78-81

27.Петрунин, В. А. О влиянии слабых электрических воздействий на релаксацию напряжений / В. А. Петрунин, С. А. Невский, С. В. Коновалов [и др.] // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. — 2011. — №2(115). Март.-С. 85-88.

28.Столбоушкина, О. А. Особенности формирования дислокационной субструктуры при ползучести алюминия в условиях приложенного потенциала / О. А. Столбоушкина, С. В. Коновалов, Ю. Ф. Иванов [и др.] // Перспективные материалы. — 2011. - № 1. — С. 47-52.

29.3агуляев, Д. В. Особенности дислокационной структуры алюминия, формирующейся при ползучести в магнитном поле / Д. В. Загуляев, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов [и др.] // Деформация и разрушение материалов. -2011,-№5.-С. 8-12.

30.Невский, С. А. Эволюция дислокационной субструктуры алюминия при релаксации напряжений в условиях слабых электрических воздействий / С. А. Невский, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов [и др.] // Вопросы материаловедения. — 2011. — № 4. — С. 45 — 51.

31.Невский, С. А. Влияние внешних электрических воздействий на процесс релаксации механических напряжений алюминия / С. А. Невский, С. В. Коновалов, С. Н. Кульков [и др.]. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2011. — № 4. — С. 23—26.

Подписано в печать «24» января 2013. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,98. Уч. изд. л. 2,21. Тираж 100 экз. Заказ № 31.

Сибирский государственный индустриальный университет. 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, типография СибГИУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ТОКОВ НА ПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

05201350619

Коновалов Сергей Валерьевич

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ д.ф.-м.н., профессор Громов В.Е.

Новокузнецк - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................7

1 МОДИФИКАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ, ВНЕШНИМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ 19

Введение..........................................................................................................................19

1.1 Усталостное разрушение металлов и сплавов......................................................19

1.1.1 Периоды и стадии усталости....................................................................20

1.1.2 Факторы, влияющие на усталость металлических материалов............22

1.1.3 Влияние процессов, протекающих в металлах, на изменение структурно-фазовых состояний и дислокационных субструктур.................23

1.2 Закономерности, происходящие в металлах и сплавах при ползучести и релаксации напряжений................................................................................................28

1.2.1 Анализ процессов, происходящих при ползучести................................28

1.2.2 Изменение физических и механических свойств металлов при релаксации напряжений.....................................................................................29

1.3 Модификация свойств материалов внешними энергетическими воздействиямиЗ 1

1.3.1 Обработка токовыми импульсами...........................................................31

1.3.2 Упрочнение поверхности металлов концентрированными потоками энергии.................................................................................................................35

1.3.3 Роль электрических и магнитных воздействий в изменении физических и механических свойств металлов и сплавов...................................................38

1.4. Выводы и постановка задачи исследования.........................................................44

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................46

Введение..........................................................................................................................46

2.1 Материалы для исследований.................................................................................48

2.1.1 Материалы для исследований на многоцикловую усталость...............48

2.1.2 Материалы для исследований на ползучесть и релаксацию напряжений ...............................................................................................................................49

2.2 Оборудование для проведения испытаний...........................................................50

2.2.1 Испытания на многоцикловую усталость...............................................50

2.2.2 Испытания на ползучесть и релаксацию напряжений...........................51

2.3 Методики внешних энергетических воздействий................................................52

2.3.1 Воздействие токовыми импульсами........................................................52

2.3.2 Приложение электрического потенциала и получение контактной разности потенциалов.........................................................................................52

2.3.3 Воздействие магнитным полем................................................................53

2.4 Методы и методики исследований.........................................................................54

2.4.1 Методика измерения скорости ультразвука............................................54

2.4.2 Методики исследований структуры и поверхности разрушения.........54

2.4.3 Определение параметров ползучести и релаксации напряжений........56

2.4.4 Определение микро- и нанотвердости.....................................................57

2.4.5 Статистическая обработка результатов...................................................57

3 ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ИА ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.........................................................................................59

3.1 Влияние слабых электрических потенциалов на изменение характера процесса ползучести.......................................................................................................................59

3.1.1 Влияние электрического потенциала на ползучесть металлов.............59

3.1.2 Влияние контактных воздействий на ползучесть металлов..................63

3.1.3 Фрактография алюминия, разрушенного в условиях ползучести при подведении слабого электрического потенциала............................................65

3.1.4 Роль электрического потенциала в изменении дефектной субструктуры алюминия в процессе ползучести......................................................................70

3.1.4.1 Дефектная субструктура исходного материала........................70

3.1.4.2 Дефектная субструктура зоны разрушения (ползучесть без потенциала).........................................................................................................71

3.1.4.3 Дефектная субструктура зоны разрушения при ползучести с приложением электрического потенциала......................................................73

3.1.4.4 Теоретический анализ влияния электрического потенциала на

дислокационную субструктуру алюминия......................................................76

3.1.5 Влияние электрического потенциала на параметры локализации пластической деформации алюминия при ползучести...................................82

3.1.5.1 Исследование локализации пластической деформации при ползучести...........................................................................................................82

3.1.5.2 Макролокализация пластической деформации при ползучести в условиях подведения электрического потенциала......................................88

3.2 Влияние слабых электрических потенциалов на изменение микро- и нанотвердости металлов и сплавов..............................................................................90

3.2.1 Установление роли электрического потенциала в изменении микротвердости металлов и сплавов................................................................90

3.2.2 Влияние контактной разности потенциалов на микротвердость металлов и сплавов..............................................................................................................94

3.2.3 Восстановление микротвердости при отключении от электрического потенциала.........................................................................................................101

3.2.4 Влияние электрического потенциала на поверхностное натяжение.. 103

3.2.5 Анализ изменения нанотвердости металлов при варьировании масс подключаемых металлов..................................................................................106

металлов.............................................................................................................12и

3.3.3 Влияние электрического потенциала на изменение удельной поверхностной энергии....................................................................................123

3.3.4 Влияние электрического потенциала на процесс перестройки дислокационных субструктур в алюминии при релаксации напряжений.. 125

3.3.4.1 Структура алюминия перед испытаниями..............................126

3.3.4.2 Структура алюминия после деформации................................128

3.3.5 Природа влияния электрических потенциалов.....................................135

Выводы по 3 разделу....................................................................................................140

4 ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛЮМИНИЯ..................................................141

4.1 Влияние слабого магнитного поля на ползучесть алюминия...........................141

4.2 Изменение микротвердости технически чистого алюминия в постоянных магнитных полях..........................................................................................................145

4.3 Изменение микротвердости технически чистого алюминия в импульсных магнитных полях..........................................................................................................150

4.4 Влияние магнитного поля на тонкую структуру алюминия и поверхность разрушения....................................................................................................................156

4.4.1 Формирование дислокационной структуры алюминия при ползучести .............................................................................................................................156

4.4.2 Фрактографический анализ алюминия, разрушенного при ползучести в условиях действия магнитного поля...............................................................159

Выводы по 4 разделу....................................................................................................162

5 РОЛЬ ОБРАБОТКИ МОЩНЫМИ ТОКОВЫМИ ИМПУЛЬСАМИ В ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО ГРАДИЕНТА

АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ ПРИ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ..........163

Введение........................................................................................................................163

5.1 Структурно-фазовое состояние исходной стали................................................164

5.2 Структурно-фазовый градиент, формирующийся в стали, деформированной в

условиях многоцикловой усталости...........................................................................166

5.3. Структурно-фазовый градиент, формирующийся в стали, разрушенной в условиях многоцикловой усталости...........................................................................173

5.4 Структурно-фазовый градиент, формирующийся при токовой обработке стали,

деформированной в условиях многоцикловой усталости.......................................182

5.5 Структурно-фазовый градиент, формирующийся в обработанной токовыми импульсами на промежуточном этапе нагружения стали, разрушенной в условиях многоцикловой усталости...........................................................................................187

5.6 Выводы....................................................................................................................195

6 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ИХ

ПРАКТИЧЕСКОГО ВНЕДРЕНИЯ........................................................................197

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...........................................................................................224

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................227

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................281

Приложение А..............................................................................................................282

Приложение Б...............................................................................................................283

Приложение В...............................................................................................................284

Приложение Г...............................................................................................................285

Приложение Д...............................................................................................................286

Приложение Е...............................................................................................................287

Приложение Ж..............................................................................................................289

Приложение И..............................................................................................................290

Приложение К...............................................................................................................293

Приложение Л...............................................................................................................294

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В процессе эксплуатации конструкции, изделия, детали машин подвергаются механическим нагрузкам, что необратимо приводит к постепенному их разрушению в связи с исчерпанием ресурса. Исследователи анализировали все виды пластической деформации для материалов из сталей и сплавов различных структурных классов, а также чистых металлов, находящихся как в поликристаллическом, так и монокристаллическом состояниях. Были получены уникальные данные, позволяющие объяснить разрушение изделий, но вопрос о возможности варьирования срока службы материала и увеличении его ресурса так и не был решен.

В настоящий момент времени предложен ряд способов модификации физических и механических свойств металлических материалов. Особое место при этом занимают внешние энергетические воздействия. Одними из таких методов являются воздействие импульсами электрического тока, электрическими и магнитными полями, контактные воздействия. Однако, физическая природа влияния этих воздействий на металлы и сплавы в процессе пластической деформации до сих пор изучена недостаточно.

Исследование пластической деформации при внешних энергетических воздействиях началось в 60-х годах XX века. В настоящее время установлено влияние электрических и магнитных полей на металлы и сплавы, находящиеся в монокристаллическом состоянии. Изменение процесса ползучести и микротвердости поверхности монокристаллических металлов, подвергающихся внешним энергетическим воздействиям, исследовалось научной группой под руководством академика Кишкина С.Т. и профессора Клыпина A.A. Влияние магнитных полей на изменение физических и механических свойств монокристаллических материалов изучено в работах профессоров Ю.И. Головина, В.И. Альшица и др. Выполнен комплекс исследований, посвященных изучению влияния магнитного поля на пластическую деформацию немагнитных

кристаллов, и установлено, что влияние магнитного поля заключается в уменьшении внутреннего трения, микротвёрдости и предела текучести. Еще одним хорошо изученным видом внешних энергетических воздействий является токовая импульсная обработка, исследование влияния которой на прочность и пластичность материалов проводились и проводятся в коллективах под руководством профессоров O.A. Троицкого, В.Е. Громова, И.И. Новикова, И.А. Батаронова, H.H. Беклемишева и др. Воздействие токовыми импульсами на металлические материалы, приводящее к существенному изменению их физико-механических свойств, несомненно, может быть полезным с прикладной точки зрения для восстановления ресурса металлических деталей, подвергающихся усталостным нагрузкам.

Практическое применение внешних энергетических воздействий в настоящее время сдерживается тем, что исследование их роли в эволюции свойств и структуры выполнено на материалах, находящихся в монокристаллическом, идеальном, состоянии. В то же время основное количество реальных изделий, реализуемых в народном хозяйстве, находится в поликристаллическом состоянии. Это в полной мере относится к алюминиевым и медным сплавам, изделия из которых находят разнообразное применение.

В литературе отсутствуют систематизированные сведения о влиянии слабых электрических потенциалов, контактных воздействий, слабых магнитных полей и мощных токовых импульсов на поликристаллические материалы, подвергающиеся пластической деформации. Это находит отражение в отставании внедрения в соответствующие циклы российского производства данных технологий, способных принести государству значительный экономический эффект.

Вышеотмеченное определяет актуальность работы.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось установление закономерностей и физической природы влияния электрических, магнитных полей и токов на формирование и эволюцию структуры и фазового состава металлов и сплавов при пластической деформации.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

а) исследование влияния слабых электрических потенциалов на процессы ползучести, релаксации напряжений, микротвердость, эволюцию дефектной субструктуры алюминия и меди;

б) установление закономерностей влияния контактной разности потенциалов, создаваемой подключением к исследуемому материалу других металлов, на процессы ползучести, релаксации напряжений, микро- и нанотвердость алюминия и меди;

в) установление влияния слабого постоянного и импульсного магнитных полей на процесс ползучести, тонкую структуру, поверхность разрушения и микротвердость алюминия;

г) установление физических механизмов влияния слабых электрических потенциалов, контактной разности потенциалов и слабых магнитных полей на формирование и эволюцию структуры и фазового состава металлов и сплавов при различных видах пластической деформации;

д) выявление природы формирования градиентных структурно-фазовых состояний при многоцикловой усталости в условиях обработки мощными токовыми импульсами.

Научная новизна состоит в определении возможности управления с помощью подведения электрического потенциала до 5 В и контактной разности потенциалов, создаваемой подключением к исследуемому металлу циркония, алюминия, меди, титана, железа, свинца, вольфрама, ползучестью, релаксацией напряжений, нано- и микротвердостью, пластичностью алюминия и меди. Установлена минимальная масса контактирующего металла, приводящая к максимальному изменению микро- и нанотвердости алюминия и меди. Впервые установлены закономерности влияния постоянного (В<0,3 Тл) и импульсного (В<1,14 Тл) магнитного поля на скорость ползучести и микротвердость поликристаллического алюминия. Впервые установлены закономерности изменения тонкой структуры и поверхности разрушения алюминия, подвергаемого испытаниям на ползучесть и релаксацию напряжений при

подведении электрического потенциала и при воздействии магнитным полем. Методами сканирующей и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии впервые показано, что в процессе многоцикловой усталости и токовой импульсной обработки аустенитной стали 45Г17ЮЗ формируются градиентные структурно-фазовые состояния. Установлены закономерности и механизмы их образования.

Практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований заключается в установлении возможности варьирования структуры, физических и механических свойств металлических изделий, подвергающихся пластической деформации, внешними энергетическими воздействиями. Накоплен банк данных о поведении алюминия, меди, сталей и сплавов при действии слабых электрических потенциалов и магнитных полей, мощных токовых импульсов и импульсной электронно-пучковой обработки. Влияние электрических поте�