Влияние малых магнитных полей на ползучесть алюминия

ФИЗИКА

УДК 548:539.376

ББК 22.33

З-14

Д.В. Загуляев, С.В. Коновалов, В.Е. Громов

Влияние малых магнитных полей на ползучесть алюминия

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния слабого постоянного магнитного поля (B=0 - 500 мТл) на ползучесть алюминия при комнатной температуре. Показана зависимость скорости ползучести от магнитного воздействия.

Ключевые слова: магнитное поле, ползучесть, алюминий.

D.V. Zagulyaev, S.V. Konovalov, V.E. Gromov

Influence of low magnetic fields on aluminum creep

Abstract

The paper gives the results of experimental research of the influence of low constant magnetic field (B=0 - 500 mTl) on aluminum creep at the room temperature. The authors show the dependence of speed of creep on the magnetic influence.

Key words: magnetic field, creep, aluminum.

Введение

Влияние магнитного поля на свойства ферромагнитных материалов известно несколько тысяч лет и находит последовательное объяснение в рамках квантовой теории магнетизма [1,2]. Сама возможность значительного изменения макрохарактеристик «немагнитных» твердых тел (пара- и диамагнетиков) в слабых магнитных полях часто подвергается сомнению, несмотря на значительное количество публикаций, в которых описываются разнообразные «магнитные» эффекты в них [2, 3]. Тем не менее, роль слабого магнитного поля, являющегося одним из факторов окружающей среды, непрерывно воздействующим на все процессы на Земле, необходимо учитывать из-за его влияния на работу и показания прецизионных приборов, электромеханических резонаторов, маятников и т.п. [2].

В настоящее время разными научными коллективами выполнен комплекс исследований, посвященных установлению влияния магнитного поля на пластическую деформацию (магнитопластический эффект) немагнитных кристаллов LiF, NaCl, висмута, NaN02, Zn, Al, Сбо и получены зависимости, характеризующие установленные закономерности [4-14]. Однако, анализ влияния магнитного поля на процесс пластической деформации немагнитных металлов в поликристаллическом состоянии выполнен значительно слабее.

Особо выделим актуальность и практическую значимость исследований изменения в магнитном поле физико-механических свойств поликристаллических металлов, подвергаемых ползучести. Влияние магнитного поля на ползучесть металлов и сплавов имеет важное значение для оценки изменения свойств материалов для теплоэнергетических установок, работающих в магнитных полях. Так, в [15] выполнено исследование, посвященное анализу изменения скорости ползучести образцов из поликристаллических Co, Cu, Ni и Al, и показано, что магнитное поле ускоряет процесс ползучести. Однако, данные о зависимости скорости ползучести от индукции магнитного поля отсутствуют.

В связи с этим целью настоящей работы является исследование влияния слабого магнитного поля на кинетику процесса ползучести поликристаллического Al и скорость

ползучести, определяемую на установившейся стадии процесса. Настоящая работа является продолжением исследований, выполненных авторами в [16].

Материал и методика экспериментов

Испытания на ползучесть при постоянном растягивающем напряжении о=65 МПа проводились при комнатной температуре на образцах поликристаллического А1 цилиндрической формы диаметром 1,75 мм и длиной рабочей части 150 мм, предварительно отожженных при температуре 770 К в течение 1 ч.

Использовалась специальная модернизированная испытательная машина [17, 18], у которой все детали в области действия магнитного поля были изготовлены из немагнитных материалов. Магнитное поле создавалось постоянным магнитом и действовало во время всего эксперимента, т.е. от момента приложения нагрузки до разрушения (в отличие от нашей работы [16]). Вектор магнитной индукции был направлен перпендикулярно оси растяжения. Индукцию магнитного поля изменяли в пределах от 0 до 500 мТл с точностью 0,01.

Все данные по анализу скорости ползучести А1, которая определялась на установившейся (линейной) стадии [19], получены по результатам статистической обработки с помощью специальной программы не менее чем по 20 измерениям.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Характерные кривые ползучести, полученные при растяжении А1 в постоянном магнитном поле и без него, приведены на рис.1. Полученные кривые содержат стадии логарифмической, установившейся и ускоренной ползучести, что совпадает с общепринятыми представлениями о кинетике процесса в таких условиях [19]. На рис.2 представлены зависимости изменения скорости ползучести, полученные численным дифференцированием по времени, в зависимости от продолжительности эксперимента с действием поля и без него.

Рис. 1. Кривые ползучести при растяжении А1, а- без воздействия магнитного поля, б - с воздействием магнитного поля с индукцией 300 мТл

Рис. 2. Характерные зависимости скорости ползучести А1 от времени испытания а - без воздействия магнитного поля, б - при воздействии магнитного поля с индукцией 300 мТл

Как следует из рисунков 1 и 2 наложение магнитного поля существенно изменяет скорость ползучести А1 на установившейся и ускоренной стадиях. На начальной -логарифмической стадии ползучести действие магнитного поля не выражено. Из рисунка 1 видно, что магнитное поле на величину деформации до разрушения практически не влияет.

ползучести X от индукции магнитного поля В

Для количественной оценки эффекта действия магнитного поля использован параметр относительного изменения скорости ползучести на линейной стадии,

I <£тЯ >-<£> <, >

определяемый по соотношению X = ------------------, где < £ те > - усредненное по 20

< £ >

экспериментам значение скорости ползучести при воздействии магнитным полем, а < £ > - без поля, соответственно.

Из представленной на рис.3 зависимости Х(В) следует, что эффект влияния магнитного поля не однозначен - происходит как ускорение скорости ползучести, так и замедление: максимальное значение X = 0,54 наблюдается при В=71 мТл, минимальное X = - 0,56 при В=300 мТл. Из анализа графика видно, что при значениях магнитной индукции меньше 150 мТл скорость ползучести увеличивается, а при дальнейшем увеличении магнитной индукции скорость ползучести уменьшается.

Полученные результаты качественно подобны зависимостям, установленным в работе [7], авторы которой исследовали обратимые и необратимые изменения пластических свойств кристаллов №С1, вызванные действием магнитного поля. Причину немонотонного изменения микротвердости авторы связали с влиянием магнитного поля на состояние точечных дефектов. По их мнению, существуют различные способы влияния магнитного поля на состояние точечных дефектов. Один из них - слабополевой - вызывает необратимые изменения точечных дефектов. Другой -сильнополевой - становится эффективным после увеличения магнитного поля до некоторого критического значения и характеризуется обратимостью изменений, вносимых полем в подсистему точечных дефектов.

Обнаруженная нами зависимость Х(В) отличается от установленных авторами [4, 6] зависимостей предела текучести и коэффициента деформационного упрочнения от индукции магнитного поля, действие которого носит пороговый характер.

По-видимому, в нашем случае надо учитывать то, что ползучесть является более энергозависимым процессом по сравнению с другими типами пластической деформации и даже незначительные магнитные воздействия сказываются на изменении энергетических характеристик процесса [4]. Для выяснения этого предположения необходимы более прецизионные исследования.

Считаем своим приятным долгом выразить признательность д.ф.-м.н., профессору Ю.И. Головину за обсуждение результатов эксперимента и критические замечания.

Примечания:

1. Вонсовский С.В. Магнетизм. М., 1971. 1032 с.

2. Головин Ю.И. Магнитопластичность твердых

тел. М., 2003. 108 с.

3. Головин Ю.И. Магнитопластичность твердых

тел // ФТТ. 2004. № 5. С. 769-803.

4. Деформация кристаллов LiF в постоянном магнитном поле / В.А. Альшиц, А.А. Урусовская, А.Е. Смирнов и др. // ФТТ. 2000. № 2. С. 270-272.

5. Электростимуляция магнитопластичности и магнитоупрочнения в кристаллах / В.А. Альшиц, Е.В. Даринская, М.В. Колдаева и др. // Письма в ЖЭТФ. 2008. № 7. С. 500-507.

6. О влиянии магнитного поля на предел текучести и кинетику макропластичности кристаллов LiF / А.А. Урусовская, В.А. Альшиц, А.Е. Смирнов и др. // Письма в ЖЭТФ. 1997. № 6. С. 470-474.

7. Обратимые и необратимые изменения

пластических свойств кристаллов №С1, вызванные действием магнитного поля / Ю.И.

References:

1. Vonsovsky S.V. Magnetism. M., 1971. 1032 pp.

2. Golovin Yu.I. Magnetoplasticity of solid bodies.

M., 2003. 108 pp.

3. Golovin Yu.I. Magnetoplasticity of solid bodies // FTT. 2004. No. 5. P. 769 - 803.

4. Deformation of crystals LiF in a constant magnetic field / V.A. Alshits, A.A. Urusovskaya,

A.E. Smirnov etc. // FTT. 2000. No. 2. P. 270 -272.

5. Electric stimulation of magnetoplasticity and magnetic strengthening in crystals / V.A. Alshits, E.V. Darinskaya, M.V. Koldaeva etc. // Letters in JETF. 2008. No. 7. P. 500-507.

6. About influence of a magnetic field on a limit of fluidity and kinetics of macroplasticity of LiF crystals / A.A. Urusovskaya, V.A. Alshits,

A.E. Smirnov etc. // Letters in JETF. 1997. No. 6. P. 470-474.

7. Convertible and irreversible changes of plastic

properties of NaCl crystals caused by action of a magnetic field / Yu.I. Golovin, R.B.Morgunov,

Головин, Р.Б. Моргунов, Д.В. Лопатин и др. // ФТТ. 1998. № 11. С. 2065-2068.

8. Моргунов Р.Б., Баскаков А.А. Корреляция между

возникновением магнитопластического эффекта и изменениями спектров электронного

парамагнитного резонанса после закаливания монокристаллов №С1:Еи // ФТТ. 2003. № 1. С. 9194.

9. Пинчук А.И., Шаврей С.Д.

Магнитопластический эффект в случае двойникования кристаллов висмута под воздействием сосредоточенной нагрузки // ФТТ. 2001. № 1. С. 39-41.

10. Смирнов Б.И., Песчанская Н.Н., Николаев В.И. Магнитопластический эффект в сегнетоэлектрических кристаллах NaNO2 // ФТТ. 2001. № 12. С. 2154-2156.

11. Песчанская Н.Н., Смирнов Б.И., Шпейзман В.В. Скачкообразная ползучесть при сжатии монокристаллов цинка в магнитном поле // ФТТ. 2008. № 6. С. 997-1001.

12. О природе влияния электрического тока на

магнито-стимулированную микропластичность монокристаллов А1 / В.А. Альшиц, Е.В. Даринская, Е.Ю. Михина и др. // Письма в ЖЭТФ. 1998. № 10. С. 788793.

13. Влияние магнитного поля на скорость

микропластической деформации

монокристаллов С60 / Б.И. Смирнов,

B.В. Шпейзман, Н.Н. Песчанская и др. // ФТТ. 2002. № 10. С. 1915-1918.

14. Дунин - Барковский Л.Р., Моргунов Р.Б., Tanimoto Y. Влияние постоянного магнитного поля до 15 Т на эффект Портевена- Ле Шателье в кристаллах №С1: Ей // ФТТ. 2005. № 7. С. 1241-1246.

15. Клыпин А.А. О влиянии магнитного и электрического полей на ползучесть // Металловедение и термическая обработка металлов. 1973. № 8. С. 2-6.

16. Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Громов В.Е. Влияние воздействия слабого магнитного поля на скорость ползучести металлов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2009. № 2 С. 35-37.

17. 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. С. 64-66.

18. Исследовательский комплекс изучения ползучести / А.С. Дружилов, С.В. Коновалов, Р.А. Филипьев и др. // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 2.

C. 25-27.

19. Кеннеди А.Дж. Ползучесть и усталость в металлах. М., 1965. 312 с.

D.V.Lopatin etc. // FTT. 1998. No. 11. P. 20652068.

8. Morgunov R.B., Baskakov A.A. Correlation between occurrence of magnetoplastic effect and changes of spectra of an electronic paramagnetic resonance after hardening NaCl:Eu monocrystals // FTT. 2003. No. 1. P. 91-94.

9. Pinchuk A.I., Shavrey S.D. Magnetoplastic effect

in a case of bismuth crystal twinning under the influence of the concentrated loading // FTT. 2001. No. 1. P. 39-41.

10. Smirnov B.I., Peschanskaya N.N., Nikolaev

V.I. Magnetoplastic effect in segnetoelectric NaNO2 crystals // FTT. 2001. No. 12. P. 2154-2156.

11. Peschanskaya N.N., Smirnov B.I., Shpeizman

V.V. Spasmodic creep at compression of zinc monocrystals in a magnetic field // FTT. 2008. No. 6. P. 997-1001.

12. About a nature of influence of an electric current

on magneto-stimulated microplasticity of Al monocrystals / V.A. Alshits, E.V. Darinskaya, E.Yu. Mikhina etc. // Letters in JETF. 1998. No. 10. P. 788-793.

13. Influence of a magnetic field on speed of microplastic deformation of C60 monocrystals /

B.I. Smirnov, V.V. Shpeizman, N.N. Peschanskaya etc. // FTT. 2002. No. 10. P. 19151918.

14. Dunin-Barkovsky L.R., Morgunov R.B., Tanimoto Y. Influence of a constant magnetic field up to 15 T on Portevene-Le-Shatelie effect in NaCl: Eu crystals // FTT. 2005. No. 7. P. 1241-1246.

15. Klypin A.A. On influence of magnetic and electric fields on creeping // Physical metallurgy and thermal treatment of metals. 1973. No. 8. P. 2-6.

16. Zagulyaev D.V., Konovalov S.V., Gromov V.E. Influence of low magnetic field on speed of metal creep // News of higher educational institutions. Black metallurgy. 2009. No. 2 P. 35-37.

17. Automatic installation for registration and the analysis of creep of metals and alloys / S.V. Konovalov, V.I. Danilov, L.B. Zuev etc. // Factory laboratory. Diagnostics of materials. 2007. No. 8. P. 64-66.

18. Research complex of studying creep / A.S. Druzhilov, S.V. Konovalov, R.A. Filipiev etc. // Procuring manufactures in mechanical engineering. 2007. No. 2. P. 25-27.

19. Kennedy A.J. Creep and fatigue in metals. M., 1965. 312 pp.