Електромагнітні ефекти та масоперенесення в металах за умов ударного навантаження

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г. В. КУРДЮМОВА

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Cпеціальність 01.04.13 - фізика металів

Електромагнітні ефекти та масоперенесення в металах за умов ударного навантаження

Бевз Віталій Петрович

Київ - 2008

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На даний час залишається актуальною проблемою та напрямком досліджень зміцнення та створення новітніх матеріалів з попередньо заданими властивостями. Дифузійні процеси та процес масоперенесення у більшості випадків є основними та фундаментальними для технологій покращення фізико-механічних властивостей та сплавів.

Прискорене масоперенесення, яке було відкрите співробітниками інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України та Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України при вивченні дифузійних процесів за умов імпульсного деформування, є складним фізико-хімічним явищем, що реалізується на будь-яких кристалічних матеріалах. Цей процес полягає у аномальному збільшенні рухливості атомів (у порівнянні з рівноважними умовами) в широкому діапазоні температур від кріогенних до температур плавлення. Більш того, за певних умов коефіцієнт дифузії сягає значень рухливості атомів у рідкому та навіть газоподібному металі. Причому крім температури з'являється новий чинник - швидкість пластичної деформації, змінювання якого призводить до більшого впливу на міграцію атомів, ніж зростання температури.

Як більшість фізичних явищ масоперенесення являє собою результат сукупності процесів, які відбуваються на різних структурних рівнях. Незважаючи на численні експериментальні дослідження, уявлення про механізм масоперенесення на атомному рівні досить різні, а інколи і суперечливі. У більшості випадків вважається, що процес прискореного масоперенесення має міжвузельний механізм. Вивчення процесів, що супроводжують динамічне навантаження (вибухова обробка ударними хвилями, механічний удар, ультразвукова обробка) металу, дає можливість аналізувати процес масоперенесення в реальному часі. Одним із таких процесів є виникнення електричної різниці потенціалів в металі під час ударного механічного навантаження з пластичною деформацією. Дослідження електромагнітних змін в металі під час навантаження дає можливість характеризувати процес деформації, який є одним з визначальних факторів, що впливає на результуюче масоперенесення за умов ударного навантаження.

Вивчення явища виникнення електромагнітних ефектів у металах при ударному навантаження металів є не тільки фундаментальним, а й досить важливим у прикладному аспекті. Встановлення природи та механізмів утворення електромагнітного відгуку металу на навантаження дає можливість не тільки наблизитись до встановлення істинного механізму процесу масоперенесення, але і впливати на даний процес. Крім того, можливе використання експериментальних та теоретичних результатів для створення нових та удосконалення існуючих технологій обробки матеріалу та технологій, що спрямовані на створення новітніх матеріалів з попередньо заданими фізико-хімічними та механічними властивостями.

Хоча об'єм публікацій на тему електромагнітних ефектів в деформованих матеріалах є досить великим і стрімко зростає, у більшості випадків автори приділяють увагу матеріалам, що відносяться до класу діелектриків, напівпровідників, іонних кристалів, а також швидкостям навантаженням, які відповідають вибуховому навантаженню та повільному статичному деформуванню. В той же час зазначені ефекти в металах та сплавах в діапазоні швидкостей деформації практично не вивчені. У зв'язку з цим дана робота є актуальною.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відділі фізики нестаціонарного масоперенесення Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за планами науково-дослідних робіт: тема “Вплив зовнішніх фізичних полів на характеристики масоперенесення у металах в умовах імпульсної деформації” (номер держреєстрації 0104U00078), “Кінетика та механізм масоперенесення в металах за умов імпульсної деформації” (номер держреєстрації 01074U00072), проект “Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології” (номер держреєстрації 29-Н) на замовлення Міністерства освіти і науки України, проект фонду Українського наукового - технічного центру “Разработка экологически безопасной технологии изготовления чистых металлов” (номер держреєстрації 3214). У процесі виконання цих робіт здобувач приймав активну участь у розробці плану досліджень, підготовці і проведенні експериментів, обробці й узагальненні результатів досліджень, написанні статей та патентів.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є вивчення закономірностей процесів масоперенесення, утворення електромагнітних явищ в металах за умов ударного механічного навантаження з пластичною деформацією, при швидкості навантаження до 10 м/с та швидкістю деформації матеріалу в інтервалі 10-10³с^-1.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні завдання:

· розробити фізико-технологічні методи швидкісного деформування металу імпульсним ударним навантаження та дослідити процеси масоперенесення та утворення електричного потенціалу, які мають місце при цьому;

· дослідити умови та визначальні фактори виникнення електромагнітних сигналів за вказаних параметрів навантаження;

· встановити природу та механізм виникнення електромагнітних явищ та їх можливий взаємозв'язок з процесом прискореного масоперенесення;

· надати теоретичне обґрунтування виникненню електромагнітного сигналу в металах за умов швидкісної пластичної деформації при ударному навантаженні металів.

Об'єкт дослідження - процес масоперенесення та електромагнітні явища при швидкісній деформації металів.

Предмет дослідження - закономірності процесів масоперенесення та електромагнітних явищ за умов ударних навантажень металів з пластичною деформацією.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої в роботі мети були використані наступні методи дослідження: експериментальні методи фізичного металознавства - металографічні та рентгенографічні, позитрона спектроскопія; метод радіоактивних ізотопів. Для визначення швидкості та глибини проникнення атомів радіоактивного ізотопу (⁶³Ni, ⁵⁹Fe) було використано метод зняття шарів та застосовано методику Грузіна. Для дослідження електромагнітних явищ було розроблено методику, що базується на використанні існуючих електротехнічних засобів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено, що при ударному механічному навантаженні металів зі швидкісною деформацією () виникає електричний імпульс струму, без наявності зовнішнього джерела. Визначено, що електричний імпульс відповідає процесу пластичної деформації металу і не є наслідком відомих явищ, які пов'язані з пружніми впливами та інерційними ефектами.

На основі експериментальних даних вперше встановлено, що електромагнітні ефекти та процес прискореного масоперенесення тісно взаємопов'язані та відбуваються одночасно при ударному механічному навантаженні.

В роботі вперше запропоновано дислокаційну модель утворення електричного імпульсу струму в металах внаслідок зазначеного типу навантаження. Теоретично виведена залежність амплітуди сигналу від швидкості деформації, яка має квадратичний характер, що добре корелює з одержаними експериментальними результатами.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані у дисертаційні роботі експериментальні та теоретичні результати, що описують закономірності процесу масоперенесення та електромагнітних явищ, можуть бути використані для наукових досліджень в області фізики твердого тіла, фізики металів та матеріалознавства, а також для удосконалення та створення нових технологій механо-хімічної обробки металів.

Використання експериментальних результатів та теоретичних засад, представлених в роботі, дає можливість наблизитись до повного розуміння механізмів процесу масоперенесення і, як наслідок, розробки методів ціленаправленого керування цим процесом, що може бути використаний для створення матеріалів з заданими властивостями.

Водночас, результати досліджень електромагнітних явищ, що супроводжують швидкісну деформацію металу, дають основи для створення технологій визначення стану металу під час деформування або оберненого визначення параметрів навантаження. У роботі дослідження проведені на широковикористовуваних в промисловості металах, що має неабияку економічну значимість.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати одержано автором особисто або за його безпосередньої участі.

Виготовлення та попередня механічна і термічна обробка зразків, а також ударне механічне навантаження проводилось разом з Вороною С.П. (Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ); дослідження процесу масоперенесення з використанням радіоактивних ізотопів проведені разом з Мазанко В.Ф., Герцрікен Д.С. (Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ); металографічні дослідження з Богдановим Є.І. (Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ); теоретична робота проводилась разом з Філатовим О.В. та Погорєловим О.Є.

У статті [1] ідея постановки експерименту висловлена В.Ф.Мазанко. Автором разом з Вороною С.П. розроблено схему навантаження та методику зняття електричних сигналів з металевих зразків. Безпосередньо автором виготовлені та підготовлені зразки, проведено ударне навантаження, проаналізовано результати експериментів та зроблено висновки.

У статті [2] ідея проведення дослідження належала Богданову Є.І. Автор безпосереднь брав участь у постановці експерименту, підготовці матеріалів та проведенні імпульсного ударного навантаження, аналізі отриманих експериментальних результатів, побудуванні концентраційної кривої розподілу ⁶³Ni в імпульсно деформованій міді та визначенні залежності глибини проникнення атомів нікелю від питомої енергії імпульсного стиснення міді.

У статті [3] автором проведено аналіз експериментальних результатів, побудовані концентраційні профілі, визначені коефіцієнти масоперенесення. Разом з співавторами зроблені висновки.

У статті [4] автором було проведене підготовка зразків та ударне навантаження полікристалічної міді. Разом з Мазанко В.Ф. проаналізовано та побудовано профілі глибини проникнення радіоактивного ізотопу нікелю, розраховано ефективний коефіцієнт масоперенесення нікелю в полікристалічній міді та інші теоретичні розрахунки. Автор брав участь у формулюванні висновків.

У статті [5] ідея постановки експерименту належить Герцрікен Д.С. Автор брав участь у проведенні експериментальних досліджень та аналізі результатів. Особистим внеском автора було запропонована теоретична модель електропластичного ефекту для пояснення отриманих результатів та формулюванні висновків.

У статті [6] ідея постановки експерименту запропонована безпосередньо автором разом з Вороною С.П. Автором проведено аналіз експериментальних результатів та запропоновано теоретичне обгрунтування виникнення електричного сигналу, як наслідок перенесення заряду направленим потоком рухомих дефектів.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень оприлюдненні на «Шестом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике», 2005, Москва, Росія; ІІ Международная школа «Физическое материаловединие», 6-10 лютого, 2006, Тольяті, Росія; Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики «ЕВРИКА - 2006», 15 - 17 травня, 2006, Львів, Україна; Київській конференції молодих вчених “Новейшие материалы и технологии” (НМТ - 2006), 16 - 17 листопада, 2006, Київ, Україна; Міжнародній конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики «ЕВРИКА - 2007», 22 - 24 травня, 2007, Львів, Україна; 4-th International Worksyop “Diffusion and diffusional phase transformations in alloys” (DIFTRANS _2007), 16-21 липня, 2007, Умань, Україна.

Публікації. За тематикою дисертаційної роботи оприлюднено 13 статей та повідомлень (2004-2008р.), основні положення викладено у 6 статтях фахових наукових журналах [1-6].

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та двох додатків. Загальний обсяг дисертації складає 136 сторінки. Дисертація містить 35 рисунків та 5 таблиць. Список використаних джерел складає 134 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

масоперенесення електромагнітний деформацієя імпульсний

У вступі обґрунтовано актуальність вибору теми дисертаційної роботи, сформульовано її цілі та задачі, визначені об'єкти досліджень та методи їх проведення, розкрито наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, визначена структура дисертації.

У першому розділі наведено огляд літератури за тематикою поставленої в дисертації задачі, розглянуто сучасний стан уявлень про процеси масоперенесення та електромагнітних явищ за умов ударних навантажень. Розділ умовно можна поділити на дві частитини. Перша стосується огляду експериментальних та теоретичних відомостей про електромагнітні явища в твердих тілах. У другій частині розглянуті результати досліджень процесу масоперенесення при імпульсних навантаженнях.

Аналіз літературних даних на зазначену тему показав, що одночасного дослідження електромагнітних явищ та процесу масоперенесення не проводилось. Вивчення електромагнітних ефектів у більшості випадків проведено за різними схемами і є відокремленими науковими роботами.

Беручи до уваги всі зазначені аспекти вивчення теми, у розділі сформовані основні напрямки експериментального та теоретичного дослідження двох, на перший погляд окремих, процесів: процесу масоперенесення та виникнення електричного імпульсу струму в металах за умов ударних навантажень.

У другому розділі приведені використані методи та матеріали досліджень. Основними матеріалами для дослідження були обрані технічно чисті метали (99,9% чистоти) _ залізо, нікель, мідь та сталі (сталь 3 та 12Х18Н10Т). Для експерименту виготовлялись зразки циліндричної форми з лінійними розмірами d=10-12 мм та h₀=20-25 мм, які підлягали механічній та термічній обробці (відпал 850-950°С протягом 2 год.) для стабілізації структури. Для зняття електричних сигналів до зразків під'єднували контакти, які виготовлялись із матеріалу зразку.

Навантаження проводили на ударній установці, принцип дії якої полягає у використанні енергії вільно падаючого грузу (ударника), схема навантаження представлена на рис. 1. Енергія, що передається зразкам при динамічному навантаженні, характеризується вагою ударника , та висотою падіння Н:

(1)

Швидкість навантаження визначається висотою (Н) падіння грузу , де g - прискорення вільного падіння.

Швидкість пластичної деформації розраховували за формулою:

(2)

де _ зміна висоти зразка; _ початкова висота зразка; _ тривалість пластичної деформації.

Рис.1. Схема імпульсного ударного деформування

1 _ металевий зразок;

2_ ізолятор;

3_падаючий груз;

4 _ навантажуючий пристрій;

5 -контакти;

6 - масивна основа

В деяких експериментах для обмеження степені деформації зразка були виготовлені обмежуючі обойми, використання яких дозволило встановлювати потрібну степінь деформації.

Зняття електричних сигналів проводилось з використанням запам'ятовуючого осцилографу С8-14 або персонального комп'ютера (ПК) зі спеціальним програмним забезпеченням. У випадку ПК вимірювання проводились через аналогово-цифровий перетворювач. Зміни електромагнітного поля навколо зразка фіксували за допомогою котушки індуктивності.

Навантаження проводилось за умов двох температурних режимів: кімнатна температура (293К) та температура рідкого азоту (77К).

Дослідження процесу масоперенесення в металах проводились з використанням методу радіоактивних (р/а) ізотопів. Радіоактивний ізотоп (⁵⁹Fe або ⁶³Ni) електролітичним методом товщиною шару 0,3-0,5 мкм наносився на верхню грань циліндричного зразка. Вихідна поверхнева активність визначалась за допомогою аналізатора БЕТА. Для визначення розподілу р/а ізотопу в металі після навантаження було використано метод зняття шарів та методику Грузина. Активність зразка після зняття шару товщиною можна розрахувати за формулою:

,(3)

В даному випадку в (3) _ лінійний коефіцієнт поглинання радіоактивного випромінювання в матеріалі зразка.

Окрім зазначених методів та методик було використано позитронну спектроскопію, металографічні та рентгенографічні методи, проводилось дослідження мікротвердості з використанням приладу ПМТ-3.

У третьому розділі наведені основні експериментальні результати, отримані при дослідженні електромагнітних ефектів та процесу масоперенесення в металах за умов ударного навантаження.

Встановлено, що при імпульсному ударному навантаженні з пластичною деформацією металевого зразка зі швидкістю виникає імпульс струму, без наявності зовнішнього джерела. Потрібно відмітити, що при пружньому навантаженні металевих зразків, електричний відгук металу не фіксується. Якщо припустити, що пружня хвиля має швидкість близьку до швидкості звуку в металі, то час проходження хвилі через зразок близький до 5 мкс. В той же час, відповідно до методики та апаратного забезпечення, в експерименті зняття електричного сигналу відбувається з частотою 96кГц, що відповідає 10 мкс між фіксацією значення електричного потенціалу. З цього слідує, що фіксація сигналу неможлива.

Для технічно чистих металів та сталей (сталь 3) були отримані сигнали при імпульсному ударному (механічному) навантаженні, осцилограми сигналів наведені на рис. 2.

Аналізуючи отримані осцилограми, можна відмітити, що для всього спектру використаних матеріалів сигнал має певну стабільну форму: в початковий момент часу стрімке зростання електричного потенціалу з досягненням деякого максимального значення та послідуюче більш повільне падіння. Для більшості металів на осцилограмах присутній другий максимум, утворення якого повністю не зрозуміле. Основним припущенням є зв'язок цього максимуму з релаксаційними процесами, що відбуваються в металі після розвантаження.

В роботі було встановлено те, що для міді утворення електричного сигналу відповідає невеликим степеням деформації (е <3%). Зі збільшенням степені деформації, сигнал не має чітко вираженого профілю та має амплітудні значення близькі до внутрішнього шуму приладу реєстрації. Таку особливість можна пояснити дещо іншими механізмами деформації -утворення двійників, що підтверджується експериментально при дослідженні структурних змін в міді при інтенсивній пластичній деформації.

Використовуючи експериментальні дані, були побудовані залежності амплітуди електричного сигналу від степені деформації для заліза нікелю та сталі 3 (рис.3). Аналіз статистичних даних показує, що для заліза та сталі залежність має досить складний характер, присутні декілька максимумів. Для нікелю крива залежності амплітуди сигналу від степені деформації має куполоподібну форму. Побудова подібної залежності для міді стала не можлива у зв'язку з малістю амплітудних значень.

Дослідження зміни мікротвердості на серії зразків одного матеріалу показали, що відбувається зміцнення металу з ростом степені деформації (е). Цікавою особливістю стало те, що для нікелю крива залежності мікротвердості має подібну форму до залежності амплітуди електричного сигналу від степені деформації: відбувається зростання до певного значення е, а потім зменшення.

Вивчення впливу багатократного навантаження на рухливість атомів в кристалічній гратниці металів при імпульсному навантаженні має велике значення для з'ясування фізичної сутності явища прискореного масоперенесення в умовах швидкісної пластичної деформації. Дослідження процесу масоперенесення показали, що основний вклад у перенесення має перше навантаження. В той же час, в стаціонарних умовах без навантаження збільшення кількості дефектів в кристалі супроводжується ростом дифузійної рухливості. Значення коефіцієнтів масоперенесення (D_M) атомів заліза в залізі після попередньої деформації та у вихідному стані становили 0,6•10^-8см²/с та 1,3•10^-8см²/с відповідно. Як свідчать експериментальні дані, попередня пластична деформація металу, яка сприяє утворенню в ньому більшої кількості нерівноважних дефектів приводить в умовах імпульсного ударного навантаження не до зростання, а до зменшення швидкості міграції атомів заліза в заліза.

Результати дослідження електричного імпульсу струму при багатократному навантаженні та навантаженні попередньо продеформованого металу показують, що відбувається різке падіння амплітуди сигналу при повторному ударному навантаженні металу, або при навантаженні металу з попередньою деформацією.

Потрібно відмітити, що основним чинником на процес масоперенесення та електричний імпульс струму є вихідний стан металу (деформований_ недеформований). Така кореляція експериментальних даних дає підстави припустити можливий єдиний механізм протікання процесів або щільний взаємозв'язок.

Великі швидкості масоперенесення характерні лише для металів та сплавів, що підлягають швидкісній деформації і не залежать від способу навантаження, такий висновок зроблений у багатьох роботах (Л.Н. Ларіков, В.М. Фальченко). Вплив швидкості деформації на рухливість атомів у металах та сплавах, як показують дослідження, є домінуючим фактором. Виходячи з цього були проведені експерименти, які дали результати залежності амплітуди електричного сигналу від швидкості деформації. Експериментальні криві залежності глибини проникнення атомів заліза в залізо та залежність амплітуди електричного сигналу від швидкості деформації приведені на рис.5.

Окрім висвітлених вище експериментальних даних, у розділі представлені результати досліджень за умов низьких температур,Т=77К, та проведено порівняння з даними для Т=293К для всього спектру використаних металів. Результати досліджень показують, що для заліза та сталі 12Х18Н10Т відбувається зменшення амплітуди електричного сигналу, для нікелю незначне збільшення. Цікавим фактом стало стрімке збільшення амплітуди сигналу для сталі 3, майже в два рази.

Отримано результати впливу розмірного фактору на електричний сигнал при використанні різних схем під'єднання контактів до зразка. За результатами зроблено висновок про те, що значення амплітуди сигналу прямопропорційне відстані між контактами, тобто тому об'єму зразка, що розташований між контактами.

Розглянуті результати металографічних досліджень зміни мікроструктури металу в наслідок швидкісної пластичної деформації та їх вплив на електричний сигнал. Потрібно зазначити, що особливих змін у структурі заліза та сталей після ударного навантаження не відбувається, навідміну від міді, де утворюються двійники.

Представлені у розділі експериментальні результати свідчать про взаємозв'язок двох процесів: утворення електричного імпульсу струму та процесу масоперенесення, які виникають за однакових умовах імпульсного ударного навантаження.

У четвертому розділі запропонована модель утворення електричного потенціалу в металі при швидкісній деформації за умов ударного навантаження та наведено можливий механізм процесу прискореного масоперенесення.

Сили взаємодії між частинками в твердому тілі мають електромагнітну природу, величина від'ємних та додатних електричних зарядів в тілі в точності рівні, що і забезпечує макроскопічну електронейтральність. Однак, оскільки будь-який кристал містить дефекти різного типу, що спотворюють ідеальну структуру, окремі його мікрооб'єми не ідентичні один одному, і можна припустити, що строга рівновага зарядів в локальній області поблизу дефекту не виконується.

Відомо, що пластичність матеріалу визначається рухом елементарних носіїв пластичної деформації - дислокацій. Так, як представлені експериментальні результати свідчать про визначальну роль пластичної деформації при утворенні електричних ефектів та процесу прискореного масоперенесення, доцільним є припущення про дислокаційні механізми зазначених явищ. Потрібно відмітити, що утворення електричного імпульсу струму внаслідок пластичної деформації фактично є оберненим електрон-пластичним ефектом (елекропластичний ефект Троїцького), який полягає у створенні додаткової пластичної деформації металу внаслідок взаємодії струму (потоку електронів) з дислокаціями.

В.Б.Фікс відмітив, що рухомі дефекти збурюють функцію розподілу електронів і якщо потік дефектів має виділений напрямок, слід очікувати утворення анізотропії функції розподілу, що приводить до електронного струму або компенсуючої його різниці потенціалів.

Якщо припустити, що виникаючий струм в металі при швидкісній деформації еквівалентний струму, який би виник внаслідок накладання зовнішнього електричного поля, то за законом Ома отримаємо:

,(4)

де _ електропровідність металу, _ зовнішнє електричне поле.

Розписавши напруженість зовнішнього поля через силу, що діє на кожен електрон отримуємо наступний вираз:

,(5)

де е - заряд електрона, п - концентрація електронів провідності.

Припустимо, що сила, яка діє на електрони провідності обумовлена пружнім полем дислокації, що рухається. Тоді дія цієї сили буде розповсюджуватись не на всі електрони, а тільки на ті, що потрапляють в область пружного поля дислокації (схематично це можна уявити як полий циліндр).

Запишемо вираз для наступним чином:

,(6)

де _ густина дислокацій, _ радіус ефективного розповсюдження пружного поля дислокації, _ маса електрона, V - швидкість руху дислокації.

Фактично у виразі (12) зроблено припущення, що сила поля дислокації буде спричиняти дрейф електронів провідності зі швидкістю рівною швидкості руху самої дислокації.

Використовуючи відому формулу для швидкості деформації отримаємо значення для швидкості руху дислокацій, рівне:

, (7)

де _ густина дислокацій, _ швидкість пластичної деформації, b - вектор Бюргерса.

Переписавши вираз (12) з підстановкою (13) отримуємо:

.(8)

Швидкість деформації являється відомим експериментально встановленим параметром, що дає можливість чисельних розрахунків. Підставивши отриману залежність до виразу та розписавши електроповідність отримуємо наступний вираз:

.(9)

Відповідно, отримана залежність струму від швидкості пластичної деформації являє собою квадратичну функцію. При цьому слід підкреслити (розділ 3), що встановлена залежність амплітуди електричного сигналу від швидкості пластичної деформації також має квадратичний характер. Кореляція даних результатів свідчить про дієздатність представленої моделі.

Використовуючи вираз (15), можна зробити деякі чисельні оцінки для струму. Обмежимося лише порядком величини (вважається, що швидкість пластичної деформації 10²с^-1, а відношення ).

(10)

Потрібно зазначити, що представлена модель працює лише для рухомих дефектів, а фіксація електричних змін в металевому зразку можлива лише на поверхні металу.

Відомо, що пластична деформація складається з трьох стадій: стадія легкого ковзання (І), деформаційного зміцнення (ІІ) та динамічного повернення (ІІІ). Остання стадія пов'язана з руйнуванням дислокаційних скупчень, перегрупуванням дислокацій шляхом поперечного ковзання, вибудовуванням їх в полігональні субграниці та коміркові сплетіння з взаємним послабленням пружних полів дислокацій. Ці процеси ведуть до зменшення енергії деформації, що накопичена в матеріалі, та до часткової взаємної анігіляції дислокацій.

На першій стадії основний вклад в деформацію дають дислокації, що виходять на поверхню кристалу. Саме заряд, який виноситься на поверхню кристалу і фіксується в експерименті.

Використовуючи запропоновану дислокаційну модель утворення заряду можна пояснити зменшення амплітуди сигналу з ростом степені деформації. Зростання деформації кристалу спричиняє стрімке утворення дислокацій, що збільшує їх густину і тим самим зменшує їх рухливість. Таке ж пояснення можна висунути розглядаючи вплив вихідного стану металу: попередньо деформований та відпалений.

Проаналізувавши кореляцію експериментальних даних, що стосується процесу масоперенесення та ефекту утворенн електричного імпульсу струму доцільно використати дислокаційну модель масоперенесення запропоновану співробітниками Інституту металофізики ім.Г.В.Курдюмова НАН України Є.І.Погорєловим, І.Н.Карнауховим, М.С.Чернолєвським. Відповідно до цієї моделі масоперенесення, при імпульсних впливах відбувається за рахунок перенесення міжвузільних атомів (МА) дислокаціями. При цьому, рухомість дислокацій в реальних кристалах значно перевищує рухомість точкових дефектів, а енергія зв'язку ядра дислокації з міжвузільним атомом набагато перевищує енергію зв'язку з вакансіями (табл. 1).

Таблица 1. Пружна енергія зв'язку ядра дислокації з точковими дефектами

Точковий дефект	Епр, еВ
Міжвузельний атом (домішковий або власний)	0.20.5
Атом заміщення	0.050.1
Вакансія	0.02

Ці дані дозволяють припустити, що в умовах імпульсної деформації кристалів масоперенесення здійснюється міжвузельними атомами, що утворюються при переміщенні та взаємодії дислокацій, які захоплюють та переносять ці атоми в полі динамічно змінних напружень. При цьому сумісний прискорений рух комплексу “дислокація-міжвузельний атом” буде відбуватися до тих пір, поки його кінетична енергія не перевищить енергії зв'язку міжвузельного атому з ядром дислокації.

Отже, комплекс “дислокація-міжвузілля” переміщується по кристалу під дією зовнішніх напружень аж до його руйнування, оскільки МА рекомбінує на вакансіях та інших дефектах кристалічної решітки, які є для нього стоками, а дислокація при цьому продовжує рух до зупинки на перешкодах, що притаманні реальному кристалу.

В моделі розглядається рух комплексу “дислокація-міжвузілля” в пружному полі атомів кристалу. Кінетика краєвої дислокації достатньо добре описується одномірною моделлю Френкелля-Конторової (ФК). В даному випадку необхідно ще врахувати присутність МА в ядрі дислокації. При описі дислокації в моделі ФК використовується рівняння:

,(11)

де - відхилення атому від положення рівноваги, - координата атому, - стала решітки), k - коефіцієнт пружності, m - маса атому, - сила, що діє на атоми даного шару з боку сусіднього, зміщення в межах та що описують ідеальну решітку.

Однак слід відмітити, що даний підхід (як підкреслюють автори) свідчить поки лише про принципову можливість здійснення перенесення маси в кристалі комплексом “дислокація+міжвузілля”. В той же час, дана модель не протирічить результатам дослідження електромагнітних ефектів в металах та сплавах за умов швидкісної пластичної деформації, що описуються вище. Дійсно, якщо припустити, що даний механізм реалізується в металічних матеріалах, то перенесення дислокаціями міжвузільних атомів (які знаходяться в кристалічній гратниці у вигляді іонів) також може призводить до перерозподілу зарядів та виникненню різниці потенціалів. Цей висновок побічно підтверджується даними про те, що атоми втілення вуглецю дифундують в металах у вигляді додатньо зарядженого йону.

Таким чином ще раз потрібно відмітити, що, мабуть, існує прямий зв'язок між електромагнітними явищами та прискореним масоперенесенням в умовах швидкісної пластичної деформації металів та сплавів.

ВИСНОВКИ

У дисертації досліджено процес прискореного масоперенесення та електромагнітні явища в металах за умов імпульсного ударного навантаження. По проведеному дослідженню можна зробити наступні основні висновки:

1. В металах та сплавах (Fe, Ni, Cu, сталь 3, сталь 12Х18Н10Т) за умовах імпульсного ударного навантаження виявлений ефект виникнення електричного потенціалу, величина якого змінюється від ~10 до 0,5 мВ в залежності від металу. При цьому максимальний ефект спостерігається в сталі 3, а мінімальний в міді.

2. Виникнення електричного потенціалу та аномальне масоперенесення спостерігається в металах тільки в результаті швидкісної пластичної деформації. В області пружних деформацій вони відсутні. При цьому встановлено, що ці явища є взаємопов'язаними і відбуваються одночасно.

3. Дослідження впливу параметрів навантаження на електричний потенціал показало, що збільшення степені деформації приводить до зменшення значення амплітуди електричного сигналу, а швидкості пластичної деформації - до зростання амплітудних значень по квадратичному закону. Зменшення температури навантаження від 293 К до 77 К супроводжується падінням амплітуди сигналу для заліза та сталі 12X18H10T, незначним ростом для нікелю та аномальним зростанням (майже в 3 рази) для сталі 3.

4. Запропонована дислокаційна модель утворення електричних ефектів в металах за умов ударного навантаження, яка полягає в перенесенні заряду в металі рухомими дислокаціями. Відповідно до моделі виведена залежність струму від швидкості деформування, що корелює з експериментальними даними.

5. Отримані у дисертаційні роботі експериментальні та теоретичні результати, що описують закономірності процесу масоперенесення та електромагнітних явищ можуть бути використані для наукових досліджень в області фізики твердого тіла, фізики металів та матеріалознавства, а також для удосконалення та створення нових технологій механо-хімічної обробки металів та матеріалів з заданими властивостями. Водночас, вони можуть стати основою для створення технологій визначення стану металу під час деформування або оберненого визначення параметрів навантаження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. В.П. Бевз, В.Ф. Мазанко, А.В. Филатов, С.П. Ворона Аномальный массоперенос и возникновение ЭДС в металлах при импульсном нагружении // Металлофизика и новейшие технологии.- 2006. -т.28, спецвыпуск. - с. 271-275.

2. В.Ф. Мазанко, В.С. Михаленков, Е.А. Цапко, Е.И. Богданов, В.П. Бевз, С.П. Ворона Особенности дефектообразования при импульсном ударном сжатии.// Доповіді НАН України. _2007. _ №5. - с.92-96.

3. В.Ф. Мазанко, Д.В. Миронов, Д.С. Герцрикен, О.А. Миронова, В.П. Бевз Диффузионные процессы при скоростном деформировании металлов в импульсном електромагнитном поле. // Металлофизика и новейшие технологии.- 2007. -т.29. _№2 - с. 173-192.

4. В.С. Михаленков, А.В. Рясний, Е.А. Цапко, В.П. Бевз, Е.И. Богданов, О.Н. Яременко Влияние параметров импульсного ударного сжатия на миграцию атомов ⁶³Ni в поликристаллической меди.// Металлофизика и новейшие технологии.- 2007. -т.29. -№4 _ с. 471-481.

5. В.Ф. Мазанко, Д.В. Миронов, Д.С. Герцрикен, В.П. Бевз Влияние одновременного действия электрического тока и пластической деформации сжатием на миграцию атомов в меди и никеле.// Металлофизика и новейшие технологии.- 2007. -т.29. - №4 _ с. 483-494.

6. В.Ф. Мазанко, В.П. Бевз, С.П. Ворона, Г.К. Харченко, Т.Р. Ганєєв, Ю.В. Фальченко Електричні явища при швидкісному деформуванні металів та сплавів.// Вісник Чернігівського державного технологічного університету. Серія «Технічні науки» _2008. _ №34 - с. 125-132.

Размещено на Allbest.ru