Изменение параметров релаксации напряжений алюминия А 85 под влиянием электрического потенциала при различных температурах

В последние годы не ослабевает интерес ученых в области физического материаловедения и физики конденсированного состояния к проблеме влияния различного рода электромагнитных полей на прочность и пластичность материалов. Это обусловлено как чисто научными, так и практическими аспектами влияния внешних энергетических воздействий. К настоящему времени установлено влияние импульсного электрического тока и электростатических полей на пластическую деформацию металлов [1-3]. Воздействие электростатического поля хорошо изучено в диэлектрических кристаллах. В случае металлов исследование влияния электростатических полей усложняется, так как свободные носители заряда экранируют полевое воздействие. В [2] предложен способ обойти указанное препятствие путем помещения образца в диэлектрическую оболочку. Авторы [4-6] считают, что в данном случае выгоднее всего изменять электрический потенциал поверхности металла. В их работах показано, что изменение потенциала поверхности образца, подвергаемого испытанию на ползучесть, изменяет ее скорость [4] и снижает вязкость разрушения [5, 6]. Недостатком данных работ является то, что они охватывают только один вид пластической деформации - ползучесть. Для построения полной картины влияния электрических потенциалов на неактивные виды пластической деформации необходимо проведение исследования релаксации напряжений. В этой связи целью исследования является изучение изменений параметров процесса релаксации под влиянием электрического потенциала.

Материал и методика эксперимента

Исследования выполнены на образцах технически чистого алюминия А 85, которые после изготовления подвергались отжигу при 773 К в течение 2-х часов для снятия внутренних напряжений. Испытания образцов проводили на деформационной машине с программным обеспечением [7], позволяющим записывать релаксационные кривые. В течение испытания образец подвергается нагреву до определенной температуры при помощи специально сконструированной под размер образца нагревательной печи. Контроль температуры испытаний осуществлялся термопарой. Как и в работах [4-6] электрический потенциал в диапазоне от-1,5 В до +1,5 В подводился к образцу от стабилизированного источника питания при его электрической изоляции от элементов испытательной установки.

Из полученных релаксационных кривых по методикам [8, 9] вычислялись параметры процесса релаксации напряжений: активационный объем у и коэффициент чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения т.

Эффект влияния электрического потенциала оценивался величинами относительного изменения активационного объема ^ и коэффициента чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения £, определяемыми по формулам:

=                                                   (1)

То где уе/, те[ - значения активационного объема и коэффициента чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения при наложении электрического потенциала, а у о и т0 - без него соответственно.

Результаты эксперимента и их обсуждения

На рис. 1, а приведены характерные графики зависимости глубины релаксации Асг от времени t при температуре 296 К, что совпадает с общепринятыми представлениями о протекании процесса в таких условиях [10]. Видно, что при наложении потенциала происходит ускорение релаксации напряжений.

Рис. 1, б демонстрирует графики зависимости Ас от t при 333 К. Как и на рис. 1, а кривые 1 и 3 получены при ф = ±1 В, а кривая 2 - при ф = 0 В. Видно, что кривые расположены друг к другу достаточно близко, следовательно, при температуре больше 333 К эффект влияния потенциала незначителен.

Ас, МПа j t

Рис. 1. Изменение глубины релаксации от времени испытания в обычных условиях (кривая 1), при потенциале поверхности -1 В (кривая 2) и +1 В (кривая 3).

Температура испытания: а) 296 К, б) 333 К

Такое поведение процесса релаксации под воздействием потенциала при различных температурах не может не отразиться на его параметрах: активационном объеме у и коэффициенте чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения т.

Зависимости относительных изменений этих параметров <^ и ^ представлены на рис. 2 и 3, из которых следует, что при 296 К величины С и £ при наложении потенциала уменьшаются вне зависимости от его знака (кривая 1). При температуре 333 К наблюдается возрастание ^ и ^ (кривая 2). Различие между левой и правой ветвями графика 2 обусловлено, по-видимому, статистическим разбросом.

Качественно объяснить причины влияния слабых электрических потенциалов на релаксацию напряжений при различных температурах можно исходя из следующих представлений. Изменение электрического потенциала образца приводит к тому, что избыточный заряд сосредотачивается на его поверхности. Следовательно, изменение параметров процесса релаксации можно связать с явлениями, происходящими на поверхности металла.

Рис. 2. Зависимость относительного изменения активационного объема от величины электрического потенциала при температуре 296 К (кривая 1), 333 К (кривая 2)

Рис. 3. Зависимость коэффициента чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения от потенциала при температуре 296 К (кривая 1), 333 К (кривая 2)

При температуре 296 К, по-видимому, проявляется явление аналогичное обнаруженному в [11]. Его суть заключается в том, что при применении поверхностно-активных веществ в процессах обработки металлов давлением происходит сосредоточение пластической деформации в поверхностных слоях материала. В нашем случае, скорее всего, наложение электри- ческого потенциала на образец приводит к синергетической перестройке дислокационных ансамблей в поверхностных слоях материала [12].

Эффект увеличения активационного объема под воздействием электрического потенциала при 333 К можно связать с эффектом описанным в работе [13]. Суть этого явления заключается в том, что приложение электрического поля при изотермической выдержке увеличивает твердость материалов и, соответственно, уменьшает релаксационную податливость материала [14]. Однако для подтверждения или опровержения выдвинутых предположений необходимо проведение дополнительных исследований с привлечением современных методов материаловедения и физики конденсированного состояния.

Выводы

• 1.    Установлено влияние электрического потенциала на параметры релаксации напряжений при температурах 296 и 333 К. При 296 К активационный объем и коэффициент чувствительности скорости пластической деформации к изменению внешнего напряжения уменьшаются, а при 333 К увеличиваются вне зависимости от его знака.

• 2.    Сделано предположения о связи установленных изменений с явлениями, происходящими на поверхности металла.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 гг.» (гос. контракт № П411).