Закономерности изменения деформационного поведения поликристаллической меди после магнитной обработки

УДК 53.098

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ МЕДИ ПОСЛЕ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ

© Д.В. Загуляев, С.В. Коновалов, И.А. Комиссарова, Н.Г. Литвиненко, В.Е. Громов

Ключевые слова: магнитное поле; ползучесть; поликристаллическая медь; микротвердость; время обработки; деформация; пластичность; прочность.

Экспериментально изучено влияние слабого постоянного магнитного поля (0 < В < 0,6 Тл) на ползучесть и микротвердость поликристаллической меди. Установлены зависимости микротвердости меди от индукции магнитного поля и времени выдержки в нем. Получены зависимости изменения микротвердости меди от времени, прошедшего после выдержки в магнитном поле. Показано, что время, необходимое для стабилизации микротвердости, зависит только от времени выдержки в магнитном поле и не зависит от значения индукции. Выявлена зависимость скорости ползучести от магнитного воздействия.

ВВЕДЕНИЕ

Изучению влияния магнитных полей на физикомеханические свойства диамагнитных монокристалли-ческих материалов посвящено большое число работ (см., например, [1-4]). Установлено, что действие магнитного поля приводит к увеличению подвижности индивидуальных дислокаций, понижению предела текучести, уменьшению микротвердости, изменению акустических параметров и др. [1-4]. Однако работ по исследованию влияния магнитного поля на поликри-сталлическую медь, являющуюся диамагнитным материалом, не выявлено.

Ранее нашим научным коллективом выполнены исследования влияния постоянных и импульсных магнитных полей на микротвердость технически чистого поликристаллического алюминия [5-8]. Актуальность этих работ определяется научно-техническими задачами в области исследования физических механизмов и практического использования специфики протекания процессов пластической деформации в условиях действия внешних, энергетически слабых магнитных полей.

Целью настоящей работы является исследование влияния магнитных полей (0 < В < 0,6 Тл) на микротвердость и скорость ползучести поликристаллической технически чистой меди.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве материала исследований использовали медные образцы размерами 5x15x5 мм для испытаний на микротвердость и цилиндрической формы диаметром 1,2 мм и длиной рабочей части 130 мм для испыта-

Химический состав

ний на ползучесть, химический состав которых приведен в табл. 1.

Перед испытаниями структура образцов приводилась в одинаковое состояние, для этого проводилась их термическая обработка при 700 °С в течение 2 ч и последующее охлаждение в воде. Средний размер зерна исходной структуры составлял 21 мкм.

Измерение микротвердости проводили с помощью микротвердомера «НУБ-ЮОО», который представляет собой стационарный твердомер для измерения твердости по микро-Виккерсу. Этот метод применяется для контроля твердости образцов малого размера, а также хрупких изделий.

Измерения микротвердости проводились для трех вариантов: без воздействия магнитного поля, сразу после выдержки в магнитном поле и после определенных интервалов времени; при этом варьировалось значение индукции магнитного поля и время выдержки в нем.

Для испытаний на ползучесть использовалась модернизированная испытательная машина для исследования процессов пластической деформации металлов. Испытательная машина работает совместно с программным комплексом, предназначенным для записи данных удлинения образца от времени эксперимента, а также имеет возможность анализа стадий ползучести и аппроксимации кривых ползучести. В качестве регистратора удлинения использован оптико-механический датчик перемещения, имеющий разрешение 80 мкм. Основной возможностью данной программы является поиск стадии установившейся ползучести (линейная зависимость относительного удлинения от времени) [9, 10]. Детали машины, находящиеся в непосредственной близости к источнику магнитного поля, были изготовлены из немагнитных материалов.

Таблица 1

исследуемого материала

Массовая доля, %

Си ВІ Ее № 7п Sn Sb А8 РЬ S Р

99,9915 <0,0001 0,001 0,001 <0,0008 <0,001 <0,001 <0,001 0,0006 <0,001 <0,001

1763

Количественно эффект влияния магнитного поля характеризовался относительным изменением микротвердости и скорости ползучести:

е=

{НУ)-{И¥й)

М

•100 %,

где {НУ} - среднее (не менее чем по 30 измерениям) значение микротвердости образца, выдержанного в магнитном поле; {НУ0} - исходное значение микротвердости.

•10 0%

где {е.т^ и {е} - значения скорости ползучести при

воздействии магнитным полем и без него, усредненные по 20 экспериментально полученным значениям.

В качестве источника магнитного поля использовался электромагнит, имеющий возможность регулирования индукции магнитного поля двумя способами: 1) путем изменения силы тока в катушках; 2) путем изменения воздушного зазора между полюсами. Индукцию магнитного поля изменяли в пределах от 0 до 0,4 Тл для исследования микротвердости и от 0 до 0,6 Тл для испытаний на ползучесть. Контроль значения индукции магнитного поля проводили с помощью миллитесламетра «ТПУ» с точностью до 1 • 10-3 Тл.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Характер изменения микротвердости после магнитной обработки. Изучение влияния магнитного поля на микротвердость меди показало, что воздействие магнитным полем приводит к увеличению значения относительного изменения микротвердости на величину, зависящую от времени выдержки и значения индукции магнитного поля. После прекращения действия магнитного поля, по истечению определенных промежутков времени микротвердость возвращается к исходному значению.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что относительное изменение микротвердости меди восстанавливается до исходного значения по сложному закону за время, зависящее от параметров магнитной обработки. Однако начальный эффект влияния магнитного поля (наблюдающийся сразу после воздействия) в зависимости от индукции магнитного поля, напротив, для времени выдержки в магнитном поле 0,5 и 1 ч подчиняется линейному закону, что демонстрируется рис. 2а. Для времени выдержки в магнитном поле 2 ч представленная зависимость имеет характер кривой с насыщением, которое наступает при значении индукции магнитного поля порядка 0,2 Тл. Зависимости относительного изменения микротвердости от времени, прошедшего после обработки магнитным полем, для времени выдержки в нем 0,5 ч приведены на рис. 1.

Анализ представленных зависимостей показывает (рис. 1), что относительное изменение микротвердости

меди восстанавливается до исходного значения по сложному закону за время, зависящее от параметров магнитной обработки. Однако, начальный эффект влияния магнитного поля (наблюдающийся сразу после воздействия), в зависимости от индукции магнитного поля, напротив, для времени выдержки в магнитном поле 0,5 и 1 ч подчиняется линейному закону, что демонстрируется рис. 2. Для времени выдержки в магнитном поле 2 ч представленная зависимость имеет характер кривой с насыщением, которое наступает при значении индукции магнитного поля порядка 0,2 Тл.

9.0

5,0

3,0

1.0

-1,0

0.1 Тл

N к 0,2 Тл

""" -♦—0,3 Тл

. ' -*- 0,4 Тл

* ь 'Я

час ь *

—1

(3-12 3 4 5

Рис. 1. Зависимости относительного изменения микротвердости меди от времени, прошедшего после выдержки в магнитном поле, для разных значений индукции (0,1; 0,2; 0,3; 0,4 Тл). Время выдержки в магнитном поле 0,5 ч

Рис. 2. Зависимости относительного изменения микротвердости меди от индукции магнитного поля

Следует отметить, что увеличение времени, прошедшего после экспозиции образцов в магнитном поле, приводит к уменьшению тангенса угла наклона прямой как для значений времени выдержки в магнитном поле 0,5 ч, так и для значений 1 ч. Причем, зависимости тангенса угла наклона прямой от времени, прошедшего после обработки магнитным полем, имеют подобный характер для времени 0,5 и 1 ч. Отметим, что для времени выдержки 0,5 ч указанная зависимость располагается ниже, чем для времени 1 ч, что говорит о меньшей скорости нарастания эффекта влияния индукции магнитного поля. Дальнейшие исследования зависимостей относительного изменения микротвердости от индукции магнитного поля по прошествии 1, 2 и 3 ч после обработки показывают, что скорость нарастания изменения значения микротвердости снижается и через 3 ч становится столь малой, что эффект магнитного воздействия как после 0,5 ч выдержки, так и после 1 ч становится неразличим в пределах погрешности измерения значения микротвердости.

На основе полученных экспериментальных данных можно сделать заключение об оптимальных режимах

1764

обработки меди магнитным полем. Такими параметрами обработки являются 0,3 Тл и 2 ч.

Характерным при определении относительного значения микротвердости сразу после магнитной обработки является то, что увеличение индукции магнитного поля приводит к неизбежному росту значения микротвердости, также как и увеличение времени выдержки в нем.

Проведем анализ времени, необходимого для возвращения микротвердости к значению, соответствующему микротвердости меди без магнитной обработки. При времени обработки 0,5 ч стабилизация протекает за время ~2,5 ч независимо от индукции магнитного поля, при 1 ч обработке - значение микротвердости достигает исходного за 3 ч, при 2-часовой обработке -за 4 ч. Таким образом, можно констатировать, что время, необходимое для стабилизации значения микротвердости, зависит только от времени выдержки в магнитном поле и не зависит от значения индукции. Зависимость времени, необходимого для стабилизации значения микротвердости, от времени магнитной обработки представлена на рис. 3. Видно, что указанная зависимость имеет линейных характер и подчиняется уравнению т = Г + 2 на участке зависимости от 0,5 до 2 ч магнитной обработки.

сти ползучести, определяемой на линейной стадии процесса, однако меньшим ее значением по сравнению со скоростью ползучести без воздействия на 27 %. Область три (от 0,3 до 0,4 Тл) подобна области один и также характеризуется нарастанием эффекта влияния магнитного поля, а скорость ползучести снижается по сравнению с участком два. Область четыре подобна участку два, однако в этом диапазоне значений индукции магнитного поля значение скорости ползучести снижается еще на 17,25 % по сравнению с участком 2 и на 44,44 % по сравнению со скорость ползучести без воздействия. Таким образом, анализ представленной зависимости показывает, что снижение скорости ползучести имеет пороговый характер.

Рис. 4. Зависимость времени до разрушения образца меди от индукции магнитного поля

Рис. 3. Зависимость времени стабилизации значения микротвердости от времени выдержки в магнитном поле

Анализ полученных в работе результатов говорит о сложном характере влияния магнитных полей на деформационные характеристики поверхности меди. На данном этапе работы говорить об однозначном механизме влияния магнитных полей на состояние поверхности меди затруднительно. По-видимому, влияние является многокомпонентным и для установления всех факторов, ответственных за изменение состояния поверхности, необходимо привлечение современных методов физического материаловедения, в т. ч. методов растровой и просвечивающей электронных микроскопий.

Особенности изменения кинетики ползучести меди в магнитном поле. Исследования влияния магнитного поля на время, необходимое для достижения одной и той же степени деформации в условиях ползучести, показали, что оно различно для разных параметров воздействия магнитным полем (рис. 4). Однако магнитное поле практически не влияет на величину деформации до разрушения.

Основные результаты по влиянию магнитного поля на скорость ползучести приведены на рис. 5.

Представленную зависимость £,(В) можно условно разбить на 4 области. Первая область от 0 до 0,1 Тл: в этой области происходит линейное нарастание эффекта влияния магнитного поля. Вторая область от 0,1 до 0,3 Тл характеризуется неизменным значением скоро-

Рис. 5. Зависимость относительного изменения скорости ползучести В от индукции магнитного поля В

Сопоставление зависимостей, приведенных на рис. 4 и 5, говорит об их корреляции. Таким образом, можно утверждать о достоверности полученных данных, поскольку снижение скорости ползучести незамедлительно приводит к увеличению времени, необходимого до разрушения.

Корреляционная зависимость имеет линейный характер, с коэффициентом корреляции 0,9 и подчиняется уравнению £, = -12,018Г + 45,556 (рис. 6).

Значительная корреляция между относительным изменением скорости ползучести, определяемой на линейной стадии кривой ползучести, и временем до разрушения при одних и тех же параметрах магнитного воздействия является свидетельством существования некоторой статистической связи между ними.

Как следует из представленных результатов, магнитное поле приводит к повышению пластичности меди, увеличивая время до разрушения. По-видимому, как и при действии магнитного поля на монокристал-лические материалы, его влияние на поликристалличе-скую медь приводит к магнитоиндуцированной релаксации дислокационной структуры и дальнодействую-щих полей внутренних напряжений [11]. Установлен-

1765

ные эффекты влияния магнитного поля, по-видимому, усиливаются также тем, что его действие на медь осуществлялось в процессе ее испытаний на ползучесть.

Рис. 6. Корреляционная зависимость относительного изменения скорости ползучести от времени необходимого для разрушения образца

Подобный эффект уменьшения скорости ползучести наблюдался в нашей работе [12] при испытаниях поликристаллического технически чистого алюминия на ползучесть в присутствии магнитного поля 0,1 -0,3 Тл. Однако установленные на образцах из меди результаты по изменению скорости ползучести во всем рассмотренном интервале магнитной индукции отличаются от подобных данных, полученных на алюминиевых образцах. По нашему мнению, такое различие связано с тем, что медь является диамагнитным материалом, в то время как алюминий является парамагнетиком.

Показанный на рис. 5 эффект стадийного влияния магнитного поля на скорость ползучести меди подобен стадийному эффекту зависимости предела текучести кристаллов ЫБ и №01 от величины магнитной индукции, установленному в работе [3], однако в нашем случае пороговое значение магнитного поля, меньше которого его влияние не проявляется, отсутствует. Как показано в [3], количество стадий зависит от стабили-зированности начальной дислокационной структуры.

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 [13]. Для выяснения этого предположения необходимы прецизионные исследования, например, методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы можно сделать следующие выводы: выявлено, что воздействие магнитным поле с индукцией до 0,3 Тл приводит к увеличению микротвердости с последующей ее релаксацией по сложному нелинейному закону. Обнаружено, что эффект магнитной обработки зависит не только от индукции магнитного поля но и от времени выдержки в нем. Определено, что скорость нарастания эффекта влияния магнитного поля зависит от времени выдержки в нем, а время, необходимое для стабилизации значения микротвердости, зависит только от времени выдержки в магнитном поле и не зависит от значения индукции. Воздействие магнитным полем на поликристаллическую медь приводит к снижению скорости ползучести. Влияние магнитного поля на скорость ползучести, определяемую на линейной стадии процесса, является ступенчатым.

Кроме того, время, необходимое для достижения одной и той же степени деформации в условиях ползучести при действии магнитного поля, также имеет пороговый характер. Установлена корреляция между зависимостями времени до разрушения образца меди от индукции магнитного поля и относительного изменения скорости ползучести от индукции магнитного поля.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Альшиц В.И. Магнитопластический эффект: основные свойства и физические механизмы // Кристаллография. 2003. № 5. С. 826-854.

3. Урусовская А.А., Альшиц В.И., Смирнов А.Е., Беккауер Н.Н. Эффекты магнитного воздействия на механические свойства и реальную структуру немагнитных кристаллов // Кристаллография. 2003. № 5. С. 855-872.

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

5. Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Комиссарова И.А., Целлермаер В.Я., Громов В.Е. Характер влияния слабых магнитных полей на микротвердость монокристаллов цинка // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. № 1. С. 101-104.

6. Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Комиссарова И.А., Громов В.Е. Изменение чувствительности микротвердости Al к магнитному полю при его многократном воздействии // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. № 3. С. 295-299.

7. Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Громов В.Е. Влияние слабых магнитных полей на микротвердость поликристаллического алюминия // Вестник ЮУрГУ. Сер. Математика. Механика. Физика. 2010. Вып. 2. № 9 (185). С. 53-56.

8. Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Громов В.Е., Целлермаер В.Я. Изменение микротвердости алюминия разной чистоты в слабых магнитных полях // Цветные металлы. 2012. № 9. С. 85-89.

9. Коновалов С.В., Данилов В.И., Зуев Л.Б. и др. Автоматизированная установка для регистрации и анализа ползучести металлов и сплавов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. № 8. С. 64-66.

10. Дружилов А.С., Коновалов С.В., Филипьев Р.А. и др. Исследовательский комплекс изучения ползучести // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 2. С. 25-27.

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

12. Загуляев Д.В., Иванов Ю.Ф., Коновалов С.В. и др. Особенности дислокационной субструктуры алюминия, формирующейся при ползучести в магнитном поле // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 5. С. 8-12.

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

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (Соглашение № 14.B37.21.1166).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Zagulyayev D.V., Konovalov S.V., Komissarova I.A., Litvinenko N.G., Gromov V.E. GHANGING PATTERNS OF DEFORMATION BEHAVIOR OF POLYCRYSTALLINE COPPER AFTER MAGNETIC PROCESSING

Experimental study of influence of weak constant magnetic field (0 < B < 0.6 Tesla) creep and microhardness of polycrystalline copper is studied. Copper dependences of microhardness of the induction of the magnetic field and the exposure time dependences of microhardness are stated. Changes of copper from the passage of time since exposure in the magnetic field are received. It is shown that the time needed to stabilize the microhardness, depends only on time of magnetic field action and does not depend on the value of induction. Dependence of magnetic effects creep speed is established is revealed.

Key words: magnetic field; creep; polycrystalline copper; microhardness; processing time; deformation; plasticity; durability.

1766