Electroplastic effect in amorphous alloys

УДК 539.3

ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В АМОРФНЫХ СПЛАВАХ

© Т.Н. Плужникова, В.А. Федоров, С.А. Сидоров, В.О. Губанова, С.Н. Плужников

Ключевые слова: деформация сплавов, аморфный сплав; нанокристаллический сплав; импульсный ток. Исследованы особенности деформации аморфных металлических сплавов при импульсном токовом воздействии. Установлено, что пропускание импульсного электрического тока приводит к сбросу механического напряжения в образцах металлических стекол. Получены зависимости сброса механического напряжения от плотности тока и температуры образцов. Получены зависимости величин сброса механического напряжения от числа импульсов.

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях требования к эксплуатационным характеристикам конструкционных материалов и сплавов возрастают. Наряду с улучшением свойств созданных ранее материалов ведутся поиски материалов с принципиально новыми, качественно более высокими эксплуатационными показателями. Такими материалами являются металлические стекла (МС). Физические свойства МС (высокая прочность в сочетании с пластичностью, высокая твердость, коррозионная стойкость, магнитомягкость материалов, стойкость к истиранию и др.) определяются не только химическим составом, но и структурным состоянием этих материалов. Массовое использование аморфных металлических сплавов, работающих в электрических полях, ставит задачи по изучению их механических свойств в условиях действия импульсного электрического тока.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В качестве материалов для исследования воздействий импульсов электрического тока были выбраны ленточные аморфные металлические сплавы на основе кобальта с различным его содержанием и нанокристаллический сплав на основе железа. Содержание кобальта в аморфных металлических сплавах (АМАГ) менялось от 70 до 86 %. Содержание железа в нанокристалли-ческом сплаве 83 %. Размеры образцов 40x3,5x0,02 мм. Все исследуемые сплавы получены методом спиннин-гования.

Эксперименты по одноосному растяжению проводили на разрывной машине 1ш1гоп-5565. Для проведения экспериментов с одновременным воздействием нагрузки и импульсного электрического тока были изготовлены специальные захваты с изолирующими пластинами. Во время деформации образца производили подачу импульсов тока (путем разрядки конденсатора). Плотность тока, протекающего через образцы, варьировали от 1 • 108 до 5-109 А/м2. Длительность импульсов составляла т ~ 2,5 мс и т2 ~ 5 мс.

Измерение нагрева образцов в течение всего процесса деформации проводили лазерным измерителем температуры Testo-845 с частотой 10 с-1.

Отжиг осуществлялся в печи при температуре 400 К в течение 10 мин. После чего образцы одновременно подвергались воздействию нагрузки и импульсного электрического тока.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Экспериментально установлено, что при деформации МС с одновременным пропусканием импульсного электрического тока на диаграммах нагружения наблюдается явление, подобное электропластическому эффекту [1-2]. В момент прохождения импульса тока на диаграммах ст-е наблюдается кратковременный (~1,1 с) сброс механического напряжения Аст с последующим полным восстановлением хода зависимости ст-е. Кроме того, пропускание импульсного электрического тока вызывает скачкообразное кратковременное увеличение температуры образцов металлических стекол.

Ниже представлены характерные диаграммы на-гружения с последовательным включением нескольких импульсов тока одинаковой величины (рис. 1а) и соответствующие им зависимости изменения температуры образца во времени (рис. 1б).

Исследовано влияние длительности импульса электрического тока на характер сброса механического напряжения. Установлено, что при одной и той же плотности тока увеличение длительности импульса вызывает больший сброс механического напряжения. Сопоставление зависимостей величин сбросов механического напряжения от плотности тока при различной длительности импульсов показывают, что для исследуемых аморфных металлических сплавов зависимости Аст (j) подобны и могут быть аппроксимированы выражением: ст = ст0 + Ae (-j/B), где А и В числовые коэффициенты, характерные для каждого сплава. Экспоненциальный характер зависимостей (рис. 2) свидетельствует о термоактивационных процессах, происходящих в материалах.

а)

б)

Рис. 1. Диаграмма ст(е) аморфного сплава на основе кобальта и соответствующая ему зависимость температуры нагрева образца с течением времени (б) при воздействии 10 импульсами тока длительностью т ^ 5 мс

тока, включающий в себя точное измерение нагрева образцов и оценку влияния этого нагрева на деформацию образцов, является существенным моментом в исследовании электропластического эффекта.

В работе [3] предложен механизм сброса механического напряжения и показано, что пропускание импульса электрического тока плотностью ] > 108 вызывает сброс механического напряжения на диаграммах нагружения, связанный не только с нагревом образцов, но и со структурными превращениями.

Выявлено, что предварительный отжиг увеличивает величину сброса механического напряжения во всех исследуемых образцах аморфных сплавов на ~14 % и на ~16 % у нанокристаллического сплава (рис. 3).

По-видимому, при предварительном отжиге возрастает число центров релаксации, что приводит к увеличению сбросов механического напряжения.

Таким образом, экспериментально обнаружено, что импульсное токовое воздействие приводит к сбросу механического напряжения. С увеличением числа импульсов величина сбросов механического напряжения возрастает. Выявлено, что предварительный отжиг увеличивает величину сброса механического напряжения во всех исследуемых образцах.

Рис. 2. Зависимость сброса механического напряжения от плотности тока при длительности т = 5 мс в сплавах: (1) АМАГ - 180, (2) АМАГ - 179, (3) АМАГ - 200

б)

При пропускании импульса электрического тока происходит увеличение температуры образца за счет выделения джоулева тепла. Учет теплового действия

Рис. 3. Зависимость сброса механического напряжения от числа импульсов: а) контрольные образцы; б) образцы, предварительно отожженные при температуре 400 К в течение 10 мин.

ЛИТЕРАТУРА

1. Feodorov V., Pluzhnikova T., Sidorov S., Yakovlev A. Effect of pulsed electric current to deformation of amorphous and nanocrystalline metallic alloys, aged in acidic environments // Materials Physics and Mechanics. 2014. V. 20. Р. 67-72.

2. Плужникова Т.Н., Федоров В.А., Сидоров С.А., Яковлев А.В. Влияние агрессивных сред на деформацию аморфных и нанокристал-лических сплавов, обусловленную воздействием импульсного электрического тока // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2013. № 4. С. 59-62.

3. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Сидоров С.А. Влияние импульсного электрического тока на ход зависимостей механическое напряжение - деформация в аморфных и нанокристаллических металлических сплавах // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2013. № 12. С. 60-65.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 15-01-04553, № 1541-03166, № 15-42-03206).

Поступила в редакцию 22 апреля 2015 г.

Pluzhnikova T.N., Fedorov V.A., Sidorov S.A., Gubano-va V.O., Pluzhnikov S.N. ELECTROPLASTIC EFFECT IN AMORPHOUS ALLOYS

Deformation features of amorphous metallic alloys have been investigated at impulse impact of current. It has been established that the transmission of a pulse electric current leads to a drop in the mechanical stresses in the samples of metallic glasses. The relations between decay of mechanical stress and current density have been constructed at temperature heating of the samples.

Key words: deformation of alloys; amorphous alloy; nanocrystalline alloy; pulse current.

Плужникова Татьяна Николаевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры общей физики; e-mail: plushnik@mail.ru

Pluzhnikova Tatyana Nikolayevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of General Physics Department, e-mail: plushnik@mail.ru

Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, зав. кафедрой общей физики, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Fedorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Рhysics and Mathematics, Professor, Honored Worker of Science of Russian Federation, Head of General Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Сидоров Сергей Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра общей физики, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Sidorov Sergey Anatolyevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, General Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Губанова Виктория Олеговна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, студентка, e-mail: v.gubanova20@yandex.ru

Gubanova Victoria Olegovna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Student, e-mail: v.gubanova20@yandex.ru

Плужников Сергей Николаевич, Тамбовский государственный музыкально-педагогический институт им. С.В. Рахманинова, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, зав. кафедрой гуманитарных, естественнонаучных и социально-экономических дисциплин, e-mail: plush_serg_nik@mail.ru

Pluzhnikov Sergey Nikolayevich, Tambov State Musical Pedagogical Institute named after S.V. Rakhmaninov, Tambov, Russian Federation, Candidate of Рhysics and Mathematics, Associate Professor, Head of Humanities, Natural and SocioEconomic Disciplines Department, e-mail: plush_serg_nik@mail.ru