Влияние импульсного магнитного поля на микротвердость алюминия

УДК 53.098

КОНОВАЛОВ Сергей Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры физики Сибирского государственного индустриального университета (г. Новокузнецк). Автор 106 научных публикаций, в т.ч. 7 монографий и 3 учебно-методических пособий

ГРОМОВ Виктор Евгеньевич, доктор физикоматематических наук, профессор, заведующий кафедрой физики Сибирского государственного индустриального университета (г. Новокузнецк). Автор 480 научных публикаций, в т.ч. 29 монографий и 14 учебно-методических пособий

ЗАГУЛЯЕВ Дмитрий Валериевич, аспирант кафедры физики Сибирского государственного индустриального университета (г. Новокузнецк). Автор 14 научных публикаций, в т.ч. одной монографии

ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ АЛЮМИНИЯ*

В работе установлено, что импульсное магнитное поле понижает микротвердость технически чистого алюминия. Зависимость относительного изменения микротвердости от индукции магнитного поля носит характер кривой с насыщением. Предложена физическая интерпретация наблюдаемых явлений.

Импульсное магнитное поле, микротвердость, технически чистый алюминий, дислокации

Введение. В последнее время происходит интенсивное развитие новых отраслей техники, в связи с чем предъявляются все более жесткие требования к характеристикам материалов, применяемых для изготовления различных устройств и агрегатов, особенно к механическим свойствам.

Одной из основных проблем, обеспечивающих улучшение качественных показателей металлических материалов, используемых в строительстве, автомобиле-, авиа- и судостроении

является повышение их пластических свойств без снижения прочностных характеристик. Перспективным направлением решения этой задачи выступает магнито-импульсная обработка [1, 2]. Для ее успешного применения актуальным является установление оптимальных режимов обработки. Ранее нами [3] было проанализировано влияние импульсного магнитного поля индукцией 380 мТл на микротвердость технически чистого алюминия. Установлена зависимость изменения значения микротвердости от числа импульсов

© Коновалов С.В., Загуляев Д.В., Громов В.Е., 2010

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

магнитного поля и показано, что один импульс магнитного поля приводит к уменьшению значения микротвердости на 8%, а последующие не приводят к усилению эффекта.

В связи с этим целью работы являлось дальнейшее изучение природы влияния импульсного магнитного поля на микротвердость алюминия.

Материалы и методика. При проведении экспериментальных исследований использовались образцы технически чистого алюминия марки А 85 в форме параллелепипеда с размерами 1х1х2 см3. Предварительная подготовка заключалась в отжиге при 773К в течение 2 часов с последующим охлаждением в печи и механической полировке.

Источником импульсного магнитного поля служила магнито-импульсная установка (МИУ 10/30), принцип действия которой состоит в разряде предварительно заряженной батареи конденсаторов на индуктор [4]. В качестве индуктора использовался круговой виток, изготовленный из медной шины с поперечным сечением 10 мм2 и внутренним диаметром 0,03 м. В зависимости от величины заряда конденсаторной батареи возможно регулировать значе-

ние индукции импульса магнитного поля в пределах 0,076-1,142 Тл. Форма импульса магнитного поля близка к синусоидальной длительностью 40 мкс.

Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 по стандартной методике: в исходном состоянии, сразу после импульса магнитного поля и после определенных интервалов времени. Полученные по 15 измерениям результаты статистически обрабатывались в соответствии с [5].

Количественно эффект влияния магнитного поля характеризовался относительным измене-

е НУ - Н^ 1000/ нием микротвердости с, =-------------100%,

НУ0

где НУ - значение микротвердости образца, подвергнутого импульсу магнитного поля, НУ0 -исходное значение микротвердости.

Экспериментальные результаты и их обсуждение. Характерные зависимости относительного изменения микротвердости от времени, прошедшего после обработки магнитным полем с различной индукцией в обычных и полулогарифмических координатах, представлены на рис. 1. Видно, что эффект влияния импульс-

Рис. 1. Зависимость относительного изменения микротвердости алюминия от времени после импульсной обработки магнитным полем с различной индукцией. На вкладке приведена зависимость 1п((2,6-о)/ о0) = Д^) для В = 0,38 Тл

ного магнитного поля носит обратимый характер, причем закон, по которому происходит релаксация для различных значений индукции магнитного поля, остается неизменным: о = 2,6 -- о0-е-(‘/ф), где X - время, прошедшее после импульсной обработки образца магнитным полем,

о0 - постоянная, зависящая от индукции импульсного магнитного поля и характеризующая начальный эффект влияния, ф - коэффициент, равный 4,16 ч.

Обобщенная зависимость относительного изменения микротвердости алюминия от индукции импульсного магнитного поля представлена на рис. 2. Указанная зависимость имеет вид кривой с насыщением. Значение максимального эффекта наблюдается при индукции импульсного магнитного поля 0,8 Тл, дальнейшее увеличение не приводит к усилению эффекта влияния.

Рис. 2. Зависимость относительного изменения микротвердости алюминия от индукции импульсного магнитного пол

Для объяснения представленных в работе зависимостей рассмотрим то, что в процессе пластической деформации кристаллическая решетка и ее дефекты препятствуют движению дислокаций, стремятся удержать их в кристалле в определенном положении. При помещении парамагнетика во внешнее магнитное поле происходит расщепление энергетических уровней атомов так, что должно выполняться условие квантуемости. Под воздействием магнитного поля возникают вынужденные переходы атомов

с нижнего подуровня на верхние, сопровождаемые резонансным поглощением энергии; обратные переходы (с верхнего уровня на нижний) сопровождаются излучением энергии [6]. Если атомы взаимодействуют с решеткой (спин-ре-шеточное взаимодействие), то избыточная энергия будет передаваться решетке и на нижнем энергетическом подуровне находится всегда избыток атомов, а следовательно, возникает стационарное поглощение электромагнитной энергии и передача ее кристаллической решетке и точечным дефектам, что приводит к снижению потенциального барьера закрепления дислокаций, и их облегченному движению в поле дальнодействующих внутренних напряжений кристалла. Это, по-видимому, приводит к снижению микротвердости поликристалличес-кого алюминия под действием магнитного поля. Аналогичный подход развит в работах [7-10].

После удаления парамагнетика из магнитного поля большинство магнитных моментов атомов ориентировано по внешнему магнитному полю, а заселенность уровней различна, следовательно, для того чтобы они вернулись в свое исходное состояние за счет их взаимодействия между собой (теплового движения атомов), необходимо время. Этим может быть объяснен релаксационный характер полученной в работе зависимости (рис. 1).

Таким образом, в работе установлено, что импульсное магнитное поле понижает микротвердость технически чистого алюминия, причем после магнитного воздействия микротвердость возвращается к исходному значению по экспоненциальному закону. Зависимость относительного изменения микротвердости от индукции магнитного поля носит характер кривой с насыщением. Высказано предположение, что снижение значения микротвердости в результате импульсного воздействия магнитным полем происходит в результате стимулированного движения дислокаций в поле дальнодействующих внутренних напряжений кристалла, механизм которого заключается в передаче энергии магнитного поля кристаллической решетке и точечным дефектам, что понижает энергетический барьер закрепления дислокаций.

Список литературы

1. Володин, В.Л., Зуев Л.Б. Исследование влияния импульсных воздействий на прочность металлических материалов // Сталь. 2003. № 12. С. 71-72.

2. Володин В.Л. Использование импульсного метода поверхностного воздействия для увеличения износостойкости инструмента // Современные проблемы машиностроения. 2006. № 11. С. 77-79.

3. Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Громов В.Е. Изменение микротвердости технически чистого алюминия А85 в импульсном магнитном поле // Вестн. Челябин. гос. ун-та. 2010. № 24. С. 49-53.

4. Володин В.Л., Гайдук В.В. Поверхностное упрочнение металлических материалов с помощью магнитноимпульсной установки // Сталь. 2004. № 7. С. 87-89.

5. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М., 1978.

6. Вонцовский С.В. Магнетизм микрочастиц. М., 1973.

7. Головин Ю.И. Магнитопластичность твердых тел (Обзор) // ФТТ. 2004. № 5. С. 769-803.

8. Магнитопластический эффект: основные свойства и физические механизмы // Кристаллография. 2003. № 5. С. 826-854.

9. Эффекты магнитного воздействия на механические свойства и реальную структуру немагнитных кристаллов // Кристаллография. 2003. № 5. С. 855-872.

10. МоргуновР.Б. Спиновая микромеханика в физике пластичности // УФН. 2004. Т. 174. № 2. С. 131-153.

Konovalov Sergey, Zagulyaev Dmitry, Gromov Viktor INFLUENCE OF PULSED MAGNETIC FIELD ON ALUMINUM MICROHARDNESS

It is established in the work that the pulsed magnetic field reduces microhardness of commercially pure aluminum. The dependence of a relative change in microhardness on the magnetic field induction has the nature of saturation curve. The physical interpretation of the phenomena observed is suggested.

Контактная информация: Коновалов Сергей Валерьевич e-mail: konovalov@physics.sibsiu.ru Загуляев Дмитрий Валериевич e-mail: zagulyaev_dv@physics.sibsiu. ru Громов Виктор Евгеньевич e-mail: gromov@physics.sibsiu.ru

Рецензент - Копосов Г.Д., кандидат физико-математических наук, профессор кафедры физики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова