eng
Выпуск #4/2020
М. ПАХОМОВ, В. СТОЛЯРОВ
РАЗРУШЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТОКА
РАЗРУШЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТОКА
Просмотры: 1411
DOI: 10.22184/2499-9407.2020.21.04.54.55
Исследуются фрактографические особенности изломов высокочистого монокристалла Al после растяжения с введением одиночных импульсов тока, многоимпульсного тока и без тока. Фрактографический анализ изломов свидетельствует о залечивании микрокристаллических дефектов при введении многоимпульсного тока по сравнению с образцами, испытанными с одиночными импульсами и без тока.
Исследуются фрактографические особенности изломов высокочистого монокристалла Al после растяжения с введением одиночных импульсов тока, многоимпульсного тока и без тока. Фрактографический анализ изломов свидетельствует о залечивании микрокристаллических дефектов при введении многоимпульсного тока по сравнению с образцами, испытанными с одиночными импульсами и без тока.
Теги: fractographic analysis of fractures microcrystalline defects pulse current single crystal импульсный ток микрокристаллические дефекты монокристалл фрактографический анализ изломов
РАЗРУШЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТОКА
Михаил ПАХОМОВ, Владимир СТОЛЯРОВ
Исследуются фрактографические особенности изломов высокочистого монокристалла Al после растяжения с введением одиночных импульсов тока, многоимпульсного тока и без тока. Фрактографический анализ свидетельствует о залечивании микрокристаллических дефектов при введении многоимпульсного тока по сравнению с образцами, испытанными с одиночными импульсами и без тока.
Введение
Монокристаллическое состояние любого металла представляет собой совершенную структуру с минимальным количеством внутренних дефектов, прежде всего границ зерен, отделяющих области кристаллической решетки с разной пространственной ориентацией. Такие материалы имеют низкую плотность линейных дефектов, например дислокаций и стыков зерен. Именно кристаллические дефекты во многом определяют различные свойства материалов – механические, тепловые, электрические. В частности, электропластический эффект связан со взаимодействием электронов проводимости со свободными и закрепленными дислокациями и границами зерен [1]. Поэтому можно предположить, что деформационное поведение и разрушение монокристалла с током и без тока будет отличаться. Особый интерес при этом связан с алюминием, который является основой многих промышленных сплавов, использующихся в виде проводов для передачи электроэнергии. Цель работы – экспериментальное изучение и сравнение фрактографических изломов в местах разрушения после растяжения с током и без тока монокристалла алюминия.
Материал и методика исследования
Объектом исследования выбран монокристалл алюминия высокой чистоты А999 (99.999 %Al) в форме пластины, полученный в условиях невесомости. Образцы для растяжения размером 0,7 × 3 × 13 мм вырезали из одного наиболее крупного зерна в исходной пластине электроискровым методом. Испытание на растяжение выполнялось на горизонтально-разрывной машине ИР-5081/20 при скорости растяжения 1 мм/мин. Образцы испытывали при следующих режимах: без воздействия тока, с введением одиночных импульсов тока с минимальной амплитудной плотностью j = 450 А/мм2 и длительностью τ = 1000 мкс, вводимых каждые 20 с, и многоимпульсного тока с плотностью j = 190 А/мм2, длительностью импульса τ = 100 мкс, частотой тока ‒ 1000 Гц, скважностью T / τ = 10, где Т ‒ период тока.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлены кривые напряжение-деформация с током и без тока в монокристалле алюминия. Особенности кривых заключаются в следующем: в образце без тока растяжение сопровождается сильным упрочнением, практически без образования шейки, и большим равномерным удлинением (кривая 1). Одиночные импульсы тока с плотностью j = 450 А/мм2 практически повторяют форму кривой без тока, но приводят к появлению скачков напряжения вниз с амплитудой около 2 МПа , повышению предела прочности и относительного удлинения (кривая 2). Введение многоимпульсного тока, напротив, снижает предел прочности почти в два раза и повышает относительное удлинение до 100% по сравнению с образцом без тока (кривая 3).
На рис. 2 представлены изображения поверхности изломов после растяжения монокристалла алюминия без тока, с одиночными импульсами и многоимпульсным током.
Видно, что поверхность разрушения образца, испытанного без тока, неоднородная, в ряде мест имеются микротрещины и глубокие каверны (рис. 2а). При воздействии одиночных импульсов тока происходит частичное залечивание микротрещин и уменьшение числа каверн (рис. 2б) [3]. Воздействие многоимпульсным током способствует практически полному исчезновению микротрещин и уменьшению числа каверн (рис. 2в), что согласуется с модельными представлениями [2‒4] и экспериментальными результатами [5, 6].
Заключение
Воздействие одиночных импульсов тока при растяжении монокристалла алюминия приводит к необычному повышению предела прочности, которое может свидетельствовать о смене или трансформации на микроуровне традиционного механизма скольжения дислокаций в переползание. Введение многоимпульсного тока способствует залечиванию микродефектов в изломе образца.
Авторы благодарят Отдел структурных исследований ИОХ РАН за исследование образцов методом растровой электронной микроскопии.
Литература
1. Троицкий О. А. Электропластический эффект в металлах. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2018. № 9. С. 65–76.
2. Yu J., Zhang H., Deng D., et al. Numerical calculation and experimental research on crack arrest by detour effect and joule heating of high pulsed current in remanufacturing. Chin. J. Mech. Eng. 2014. 27. PP. 745–753.
3. Кукуджанов К. В. О залечивании поврежденности металла высокоэнергетическим импульсным электромагнитным полем // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 2. С. 99–124.
4. Ross C. D., Irvin D. B., Roth J. T. Manufacturing Aspects Relating to the Effects of Direct Current on the Tensile Properties of Metals. ASME. J. Eng. Mater. Technol. 2007. 129(2). PP. 342–347.
5. Finkel V. M., Ivanov V. M., Golovin Yu. I. Crack healing in metals by crossed electric and magnetic fields. Strength Mater. 1983. 15. PP. 501–506.
6. Баранов Ю. В. Дефектообразование и залечивание дефектов в металлических материалах импульсным электрическим током // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2005. № 2. С. 91–101.
ПАХОМОВ Михаил Андреевич –
младший научный сотрудник Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
СТОЛЯРОВ Владимир Владимирович –
доктор технических наук, главный научный сотрудник Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Михаил ПАХОМОВ, Владимир СТОЛЯРОВ
Исследуются фрактографические особенности изломов высокочистого монокристалла Al после растяжения с введением одиночных импульсов тока, многоимпульсного тока и без тока. Фрактографический анализ свидетельствует о залечивании микрокристаллических дефектов при введении многоимпульсного тока по сравнению с образцами, испытанными с одиночными импульсами и без тока.
Введение
Монокристаллическое состояние любого металла представляет собой совершенную структуру с минимальным количеством внутренних дефектов, прежде всего границ зерен, отделяющих области кристаллической решетки с разной пространственной ориентацией. Такие материалы имеют низкую плотность линейных дефектов, например дислокаций и стыков зерен. Именно кристаллические дефекты во многом определяют различные свойства материалов – механические, тепловые, электрические. В частности, электропластический эффект связан со взаимодействием электронов проводимости со свободными и закрепленными дислокациями и границами зерен [1]. Поэтому можно предположить, что деформационное поведение и разрушение монокристалла с током и без тока будет отличаться. Особый интерес при этом связан с алюминием, который является основой многих промышленных сплавов, использующихся в виде проводов для передачи электроэнергии. Цель работы – экспериментальное изучение и сравнение фрактографических изломов в местах разрушения после растяжения с током и без тока монокристалла алюминия.
Материал и методика исследования
Объектом исследования выбран монокристалл алюминия высокой чистоты А999 (99.999 %Al) в форме пластины, полученный в условиях невесомости. Образцы для растяжения размером 0,7 × 3 × 13 мм вырезали из одного наиболее крупного зерна в исходной пластине электроискровым методом. Испытание на растяжение выполнялось на горизонтально-разрывной машине ИР-5081/20 при скорости растяжения 1 мм/мин. Образцы испытывали при следующих режимах: без воздействия тока, с введением одиночных импульсов тока с минимальной амплитудной плотностью j = 450 А/мм2 и длительностью τ = 1000 мкс, вводимых каждые 20 с, и многоимпульсного тока с плотностью j = 190 А/мм2, длительностью импульса τ = 100 мкс, частотой тока ‒ 1000 Гц, скважностью T / τ = 10, где Т ‒ период тока.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлены кривые напряжение-деформация с током и без тока в монокристалле алюминия. Особенности кривых заключаются в следующем: в образце без тока растяжение сопровождается сильным упрочнением, практически без образования шейки, и большим равномерным удлинением (кривая 1). Одиночные импульсы тока с плотностью j = 450 А/мм2 практически повторяют форму кривой без тока, но приводят к появлению скачков напряжения вниз с амплитудой около 2 МПа , повышению предела прочности и относительного удлинения (кривая 2). Введение многоимпульсного тока, напротив, снижает предел прочности почти в два раза и повышает относительное удлинение до 100% по сравнению с образцом без тока (кривая 3).
На рис. 2 представлены изображения поверхности изломов после растяжения монокристалла алюминия без тока, с одиночными импульсами и многоимпульсным током.
Видно, что поверхность разрушения образца, испытанного без тока, неоднородная, в ряде мест имеются микротрещины и глубокие каверны (рис. 2а). При воздействии одиночных импульсов тока происходит частичное залечивание микротрещин и уменьшение числа каверн (рис. 2б) [3]. Воздействие многоимпульсным током способствует практически полному исчезновению микротрещин и уменьшению числа каверн (рис. 2в), что согласуется с модельными представлениями [2‒4] и экспериментальными результатами [5, 6].
Заключение
Воздействие одиночных импульсов тока при растяжении монокристалла алюминия приводит к необычному повышению предела прочности, которое может свидетельствовать о смене или трансформации на микроуровне традиционного механизма скольжения дислокаций в переползание. Введение многоимпульсного тока способствует залечиванию микродефектов в изломе образца.
Авторы благодарят Отдел структурных исследований ИОХ РАН за исследование образцов методом растровой электронной микроскопии.
Литература
1. Троицкий О. А. Электропластический эффект в металлах. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2018. № 9. С. 65–76.
2. Yu J., Zhang H., Deng D., et al. Numerical calculation and experimental research on crack arrest by detour effect and joule heating of high pulsed current in remanufacturing. Chin. J. Mech. Eng. 2014. 27. PP. 745–753.
3. Кукуджанов К. В. О залечивании поврежденности металла высокоэнергетическим импульсным электромагнитным полем // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 2. С. 99–124.
4. Ross C. D., Irvin D. B., Roth J. T. Manufacturing Aspects Relating to the Effects of Direct Current on the Tensile Properties of Metals. ASME. J. Eng. Mater. Technol. 2007. 129(2). PP. 342–347.
5. Finkel V. M., Ivanov V. M., Golovin Yu. I. Crack healing in metals by crossed electric and magnetic fields. Strength Mater. 1983. 15. PP. 501–506.
6. Баранов Ю. В. Дефектообразование и залечивание дефектов в металлических материалах импульсным электрическим током // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2005. № 2. С. 91–101.
ПАХОМОВ Михаил Андреевич –
младший научный сотрудник Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
СТОЛЯРОВ Владимир Владимирович –
доктор технических наук, главный научный сотрудник Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Отзывы читателей
