Ползучесть поликристаллического al в постоянном магнитном поле

Вестник Челябинского государственного университета. 2009. № 24 (162). Физика. Вып. 5. С. 49-53.

КРИСТАЛЛОФИЗИКА

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

ползучесть ПОЛИКРИСТАЛЛИчЕСКОГО Л1 В ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния слабого постоянного магнитного поля (0 < В < 300 мТл) на ползучесть алюминия при комнатной температуре. Показана зависимость скорости ползучести от магнитного воздействия.

Ключевые слова: магнитное поле, ползучесть, алюминий.

Введение. Влияние магнитного поля на свойства ферромагнитных материалов известно несколько тысяч лет и объясняется теорией квантового 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 [2; 3]. Тем не менее роль слабого магнитного поля, являющегося одним из факторов окружающей среды, которое непрерывно воздействует на все процессы, 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, №аС1, В1, №а№02, Хп, А1, С60, и получены зависимости, характеризующие установленные закономерности [4-14]. Однако исследований, посвященных анализу влияния магнитного поля на процесс пластической деформации немагнитных металлов в поликристаллическом состоянии, значительно меньше.

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 большое 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 Со, Си, N1 и А1, которое показывает, что магнитное поле ускоряет процесс ползучести. Однако данные о зависимости скорости ползучести от индукции магнитного поля отсутствуют.

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является исследование влияния слабого магнитного поля на кинетику процесса ползучести поликристаллическо-го А1 и скорость ползучести, определяемую на установившейся стадии процесса. Данная работа является продолжением исследований, выполненных нами в [16].

Материал и методика экспериментов. Испытания на ползучесть при постоянном растягивающем напряжении а = 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]. Все детали, находящиеся в области действия магнитного поля, были изготовлены из немагнитных материалов. Магнитное поле создавалось постоянным магнитом и действовало во время всего эксперимента: от момента приложения нагрузки до разрушения образца (в отличие от нашей работы [16]). Магнитное поле было направлено перпендикулярно оси растяжения. Индукцию магнитного поля изменяли в пределах от 0 до 300 мТл с точностью до 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

е(%Г

о --------------1-----------1------------

0 2 4 6

на рис. 1. Они 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 от времени эксперимента с действием поля и без него.

Как следует из рис. 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 рис. 1 видно, что магнитное поле практически не влияет на величину деформации до разрушения.

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

<8 >

б

-I-----------------1-----------------1-----------------1----^

8 10 12 14 £|ч)

Рис. 1. Типичные кривые ползучести Al без (а) и при воздействии (б) магнитного поля с индукцией 300 мТл

Рис. 2. Характерные зависимости скорости ползучести А1 от времени испытания без

где < 8> и <8 > — значения скорости

ползучести при воздействии магнитным полем и без него, усредненные по 20 экспериментальным данным.

Из представленной на рис. 3 зависимости £(В) следует, что эффект влияния магнитного поля не однозначен: происходит как возрастание скорости ползучести с достижением максимального значения £ = 0,54 (наблюдается при В = 71 мТл), так и ее замедление с достижением минимального £ = -0,56 (при В = 300 мТл).

Полученные результаты качественно подобны зависимостям, установленным в работе [7], где исследованы обратимые и необратимые изменения пластических свойств кристаллов №С1, вызванные действием магнитного поля. Причину немонотонного изменения микротвердости авторы связали с влиянием магнитного поля на поведение точечных дефектов. По их мнению, существуют различные способы влияния магнитного поля на состояние точечных дефектов. Один из них — слабополевой — вызывает

Рис. 3. Зависимость относительного изменения скорости ползучести £ от индукции магнитного поля В

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 £(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 прецизионные исследования, например методами просвечивающей электронной микроскопии.

Считаем своим приятным долгом выразить признательность доктору физикоматематических наук, профессору Ю. И. Головину за обсуждение результатов эксперимента и критические замечания.

Список литературы

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

2. Головин, Ю. И. Магнитопластичность твердых тел. М. : Машиностроение-1, 2003. 108 с.

3. Головин, Ю. И. Магнитопластичность твердых тел // Физика твердого тела. 2004. № 5. С. 769-803.

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

5. Альшиц, В. А. Электростимуляция маг-нитопластичности и магнитоупрочнения в

кристаллах / В. А. Альшиц, Е. В. Даринская, М. В. Колдаева [и др.] // Письма в Журн. эксперимент. и теорет. физики. 2008. № 7. С. 500507.

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

7. Головин, Ю. И. Обратимые и необратимые изменения пластических свойств кристаллов №С1, вызванные действием магнитного поля / Ю. И. Головин, Р Б. Моргунов, Д. В. Лопатин [и др.] // Физика твердого тела. 1998. № 11. С. 2065-2068.

8. Моргунов, Р Б. Корреляция между возникновением магнитопластического эффекта и изменениями спектров электронного парамагнитного резонанса после закаливания монокристаллов №С1: Ей / Р Б. Моргунов,

A. А. Баскаков // Физика твердого тела. 2003. № 1. С. 91-94.

9. Пинчук, А. И. Магнитопластический эффект в случае двойникования кристаллов висмута под воздействием сосредоточенной нагрузки / А. И. Пинчук, С. Д. Шаврей // Физика твердого тела. 2001. № 1. С. 39-41.

10. Смирнов, Б. И. Магнитопластический эффект в сегнетоэлектрических кристаллах №N0 / Б. И. Смирнов, Н. Н. Песчанская,

B. И. Николаев // Физика твердого тела. 2001. № 12. С. 2154-2156.

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

12. Альшиц, В. А. О природе влияния электрического тока на магнито-стимулиро-ванную микропластичность монокристаллов А1 / В. А. Альшиц, Е. В. Даринская, Е. Ю. Ми-хина [и др.] // Письма в Журн. эксперимент. и теорет. физики. 1998. № 10. С. 788-793.

13. Смирнов, Б. И. Блияние магнитного поля на скорость микропластической деформации монокристаллов C6G I Б. И. Смирнов, Б. Б. Шпейзман, Н. Н. Песчанская [и др.] II Физика твердого тела. 2GG2. № 1G. С. 1915-1918.

14. Дунин-Барковский, Л. P Блияние постоянного магнитного поля до 15Т на эффект Портевена - Ле Шателье в кристаллах NaCl: Eu I Л. P. Дунин-Барковский, P. Б. Моргунов, Y. Tanimoto II Физика твердого тела. 2GG5. № 7. С. 1241-1246.

15. Клыпин, А. А. О влиянии магнитного и электрического полей на ползучесть I

А. А. Клыпин II Металловедение и термич. обработка металлов. 1973. № 8. С. 2-6.

16. Загуляев, Д. Б. Блияние воздействия слабого магнитного поля на скорость пол-

зучести металлов / Д. В. Загуляев, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Изв. высш. учеб. заведений. Черная металлургия. 2009. № 2. С. 35-37.

17. Коновалов, С. В. Автоматизированная установка для регистрации и анализа ползучести металлов и сплавов / С. В. Коновалов,

B. И. Данилов, Л. Б. Зуев [и др.] // Завод. лаборатория. Диагностика материалов. 2007. № 8.

C. 64-66.

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

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