Характер изменений термоЭДС при малой упругой деформации углеродистой стали

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.7.08

Кочкин Ю.П., Солнцев А.Ю.

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЙ ТЕРМОЭДС ПРИ МАЛОЙ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Аннотация. ТермоЭДС может служить источником информации о свойствах сплавов на основе железа. Деформационные напряжения возникают в процессе эксплуатации и могут быть проанализированы с помощью термоэлектрических свойств.

Ключевые слова: термоЭДС, упругая деформация, железосодержащие сплавы.

Неоднократно в разных работах было показано [1, 2, 4, 5], что термоэлектродвижущая сила металлов и сплавов может быть использована для анализа происходящих в них физических процессов: упругой и пластической деформации, фазовых переходов, деформационного упрочнения, накопления дефектов и др. Поэтому представляется достаточно актуальным расширение информации в этой области, в особенности для сталей и сплавов на основе железа, т.к. именно они имеют самое широкое практическое применение.

В данной работе приведены результаты исследований изменений термоЭДС стальных проволок, происходящих на самых ранних этапах деформации растяжением. В качестве исследуемых образцов использовались:

1) Проволока из стали 10 диаметром 0,65 мм в хорошо отожженном состоянии. Цементит такой стали с содержанием 1,5% имеет глобулярную форму и практически не влияет на развитие и протекание деформационных процессов в объеме ферритных зерен; плотность дислокаций в феррите в начальном состоянии до начала деформации очень мала.

2) Проволока из стали 80 диаметром 0,70 мм после патентирования и волочения. Цементит этой стали при общем содержании ~12% имеет пластинчатую форму, пластины цементита преимущественно ориентированы вдоль оси проволоки, ферритная фаза имеет высокую концентрацию дислокаций и вакансий (особенно на границах цементита и феррита).

Принципиальная схема установки, которая использовалась в данной работе для экспериментальных измерений деформации и изменения термоЭДС проволочных образцов, приведена на рис. 1.

Рабочая часть АВ исследуемого образца ДВАС закреплялась в зажимах А и В; зажим А неподвижен, зажим В подвергается растягивающей нагрузке с усилием F. Концы образца С и D подключались непосредственно в контактам потенциометра П (Р363) и имели (так же, как и зажим В) комнатную температуру. Усилие растяжения F измерялось тензодатчиком Т, по которому при обработке экспериментальных

© Кочкин Ю.П., Солнцев А.Ю., 2016

данных рассчитывались механические напряжения образца о = F/S, где S - площадь поперечного сечения образца. Удлинение образцов при растяжении Д£ фиксировалось датчиком перемещения ДП с ценой деления 0.01 мм; относительная деформация образца рассчитывалась как е = Д£/£о, где 1о - длина начальная длина рабочей части образца (в данных экспериментах 550-600 мм).

¿<2.

Bf-дп i

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

Для создания разности температур по длине исследуемого образца верхний контакт А (см. рис.1) нагревался печью электросопротивления или охлаждался жидким азотом. Температуры контактов А, В, С, D контролировались хромель-алюмелевыми тер-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

мопарами. При исследовании изменений термоЭДС в зависимости от величины упругой или пластической деформации разность температур ДТ между горячим А и холодным В контактами составляла ~30 К. Измерение возникающей в цепи DВАС термоэлектродвижущей силы Е производилось с точность до 0,1 мкВ. Таким образом, возникающая при деформации термоЭДС Е измерялась в паре «недеформированный образец - деформированный образец» одной марки стали, т.е. все изменения термоЭДС, возникающие при растяжении образцов, фиксировались относительно недеформированного состояния.

Экспериментальные измерения на описанной установке проводились в следующей последовательности. Исследуемый образец закреплялся в зажимах А и В, устанавливалась нагревающая контакт А печь. После достижения равновесного распределения температуры по длине образца АВ образец нагружается с усилием F, в этом состоянии измеряется его абсолютное удлинение Д1 и интегральная термоЭДС Е. Затем нагрузка F снимается и измеряется остаточная (пластическая) деформация Д1пл и термоЭДС в этом состоянии Еост. По разности Д£ - ДСост определяется величина упругой деформации бупр и термоЭДС Еупр = Е - Еост, обусловленная упругой деформацией (дифференциальная термоЭДС Syпp = Еупр/ДТ). В процессе эксперимента нагрузка F постепенно увеличивалась до заметного перехода деформации образца в пластическую. Таким образом, в целом в эксперименте образец растягивается циклически с постоянно возрастающей силой деформации.

На рис. 2 приведены графики изменения дифференциальной термоЭДС SУПР от величины упругой деформации еуш. Установлено, что эта зависимость имеет четко выраженный линейный характер. Кроме того, выявляются некоторые особенности этой зависимости.

на наблюдается у всех других образцов стали 80, подвергнутых отжигу при разных температурах для получения некоторого «разбега» в механических свойствах. То есть упругая деформация на фоне развивающейся пластической деформации оказывает большее влияние на термоЭДС, чем начальная в упругой области. Перегиб линейной зависимости Syпp(еyпp) наблюдается и для стали 10, причем еще более выра-женно: на ~40% при еУПР =0,15%.

На следующем этапе исследований были проведены измерения зависимости термоЭДС, обусловленной упругой деформацией, от разности температур по длине деформируемого образца. При этом контакт А рабочей (нагружаемой) части образца (см. рис. 1) сначала охлаждался жидким азотом, затем нагревался естественным теплообменом до комнатной температуры и нагревательной печью до температуры ~2500С. В результате в эксперименте удалось реализовать температурный интервал от ~90 до ~500 К. С учетом полученной информации по зависимости SУПР(еУПР) в процессе нагрева исследуемые образцы деформировались с постоянной нагрузкой, соответствующей упругой деформации 0,11% для стали 10 и 0,25% для стали 80, т.е. в чисто упругой области деформации этих образцов (см. рис. 2). Полученные таким образом экспериментальные данные, пересчитанные на 1 % деформации, приведены на рис. 3.

Рис. 2. Графики зависимости дифференциальной термоЭДС Syпp, обусловленной упругой деформацией, от величины деформации еупр

У патентированной стали 80 наклон зависимости Syпp(еyпp) немного возрастает (на ~22%) при переходе деформации от чисто упругой к пластической, т.е. на пределе упругости (на рис. 2 это соответствует упругой деформации еупр =0,3%) . Причем такая же карти-

Рис. 3. Графики зависимости Еупр от температуры Т контакта А образца

Анализ полученных зависимостей ЕУПР от Т показывает, что они имеют квадратический характер. Поэтому дифференциальная термоЭДС, обусловлен-

dE

ная упругой деформацией SШР = —УП— , линейно

dT

зависит от температуры (рис. 4).

Как следует из рис. 4, наклоны графиков незначительно отличаются, но термоЭДС стали 80 заметно меньше, чем термоЭДС стали 10 во всем интервале температур, реализованном в данном эксперименте. Скорее всего, это объясняется разницей энергии Ферми электронов в стали 10 (с точки зрения деформации это практически технически чистое железо) и в патен-

№1 (18). 2016

55

Раздел 6

тированной стали 80, в которой фазовые составляющие и структурное состояние существенно другие.

100 ю 400 500

Температура Т, К

Рис. 4. Графики зависимости дифференциальной термоЭДС, обусловленной упругой деформацией, от температуры

Отметим, что полученные результаты, совпадают с известными данными [3, 6] о линейной зависимости дифференциальной термоЭДС, обусловленной рассеянием электронах на фононах и примесных атомах.

Список литературы

1. Лухвич А.А. Влияние дефектов на электрические свойства металлов. - Минск: Наука и техника, 1976. 104 с.

2. Сурин В.И., Евтюхин Н.А. Электрофизические методы неразрушающего контроля и исследования реакторных материалов: учеб. пособие. М.: Наука, 2008.

3. Термоэлектродвижущая сила металлов: [пер. с англ] / Ф.Дж. Блатт, П.А. Шредер, К.Л. Фойлз, Д. Грей. М.: Металлургия, 1980. 248 с.

4. Солнцев А.Ю. Анализ возможности модернизации исследовательской установки по измерению термоЭДС // Моделирование и развитие процессов оМд. 2011. № 1. С. 218220.

5. Кочкин Ю.П., Чернега А.Х., Шевченко С.Г. Изменение термоэлектродвижущей силы, обусловленной упругой деформацией стальной проволоки при растяжении // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2006. № 3. С. 49-50.

6. Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Сплавы для термопар. М.: Металлургия, 1983. 360 с.

Сведения об авторах

Кочкин Юрий Павлович - канд. техн. наук, доц. кафедры физики, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова», Магнитогорск, Россия.

Солнцев Александр Юрьевич - ст. преп. кафедры физики, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова», Магнитогорск, Россия.

INFORMA TION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

NATURE OF THE CHANGE OF THERMAL EMF AT A SMALL ELASTIC DEFORMATION OF CARBON STEEL

Kochkin Yuri Pavlovich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.

Solntsev Aleksander Yurievich - Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.

Abstract. Thermal emf. could provide information on the properties of iron-based alloys. Deformational stresses occur during operation and can be analyzed using the thermoelectric properties. Keywords: thermal emf., elastic deformation, iron-based alloys.

♦ ♦ ♦