IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

 В работе установлено, что импульсное магнитное поле понижает микротвердость алюминиевого спалава. Выявлена зависимость относительного изменения микротвердости от импульсного воздействия магнитного поля и степени деформации  образца, зависимость времени релаксации от степени деформации. Предложена физическая интерпретация наблюдаемых явлений.

Импульсное магнитное поле, микротвердость, дислокации, степень деформации, всесторонняя ковка, 3D-осадка.

Введение. В настоящее 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. Для ее успешного применения актуальным является установление оптимальных режимов обработки. Из [1] установлена зависимость изменения значения микротвердости от числа импульсов магнитного поля и показано, что один импульс магнитного поля приводит к уменьшению значения микротвердости на 8%, а последующие не приводят к усилению эффекта [2].

Материалы и методика. В данной работе впервые, проведены исследования влияния импульсного магнитного поля на микротвердость сплава Al-1,6%Mn (рис 3), после предварительной 3D-осадки (циклическое равноканальное сжатие). 3D-осадка (Рис. 1) - процесс деформации объемных метал­лических заготовок, широко используемый с целью улучшения физико-механических свойств изделия, посредством измельчения микроструктуры до субмикро- и наноразмерного состояния. Последовательное одноосное трехмерное сжатие, - один цикл обработки.

Было подготовлено 3 образца, которые поочередно подвергались 3D-осадке и тем самым имели различные степени деформации, согласно [3]. На Рис. 2 показан химический состав образца.

Исследования на микротвёрдость проведены по методу Виккерса на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,01 Н в течение 10 секунд. При подготовке образцов, поврежденный поверхностный слой удаляли при помощи шлифовки на наждачной бумаге и алмазной пасте с размером абразива 1 мкм. Перед испытанием на микротвёрдость образцы подвергли химическому травлению в специальном растворе Дикса и Кейта (0,5 мл 40%-ной HF; 100 мл H₂O) при  температуре 20°С в течение 5 - 7 секунд.

Из рисунка 3 видно, что микротвёрдость сплава увеличивается, пропорционально степени деформации.

Далее, подвергнем каждый образец воздействию импульсного магнитного поля и повторим измерение микротвердости. В качестве источника импульсного магнитного поля служит магнито-импульсная установка, принцип действия которой состоит в разряде предварительно заряженной батареи конденсаторов на индикатор [4].

Те же 4 образца в форме параллелепипеда размерами 1,3 х 0,7 см, предварительно отжигались при 673 К в течение 3ч. Измерения проводили в следующей последовательности: в исходном состоянии, сразу после импульса магнитного поля и после определенных интервалов времени. Полученные результаты статистически обрабатывались в соответствии с [5].

Количество эффектов влияния магнитного поля характеризуется относительным изменением микротвердости , где - значение микротвердости образца, подвергнутого импульсу магнитного поля, - исходное значение микротвердости.

Экспериментальные результаты и их обсуждение. Полученные в работе экспериментальные данные показывают уменьшение микротвердости сплава после импульсной обработки магнитным полем (В = 1 Тл). Характерные зависимости относительного изменения микротвердости от времени, прошедшего после обработки магнитным полем представлены ниже (Рис. 1). Образец №1, это исходный образец, который не подвергался 3D-осадке.

Из [1,2] следует, что эффект влияния импульсного магнитного поля носит обратимый характер, причем закон, по которому происходит релаксация для различных значений индукции магнитного поля, остается неизменным: ~ , где  - время, прошедшее после импульсной обработки образца магнитным полем,  - постоянная, зависящая от количества импульсов и характеризующая начальный эффект влияния импульсного магнитного поля,  - коэффициент, характеризующий время релаксации, т.е. время, за которое микротвердость достигает своего начального значения.

Так же из [2] следует, что время полной релаксации зависит от начального эффекта влияния магнитного поля линейно, согласно уравнению . Выполнение при различных температурах исследования влияния магнитного поля свидетельствуют о неизменности закона релаксации. Релаксация микротвердости при повышенной температуре происходит за время, в два раза меньшее.

Все вышесказанное позволяет предположить стимулирование магнитным полем движения дислокаций [1]. Это может происходить за счет открепления дислокаций от точечных препятствий под действием импульсного магнитного поля. Данное явление происходит в результате спин - зависимых переходов в системе «точечный дефект - ядро дислокации» с последующим движением дислокаций в поле дальнодействующих внутренних напряжений в кристалле. При повышенных температурах релаксация происходит быстрее в связи с «зависанием» дислокаций на атомах примесей. Если предположить, что дислокация обладает собственным магнитным моментом, то при помещении образца в магнитное поле при взаимодействии магнитного момента дислокации с ним изменяется энергия дислокации. В результате этого происходит понижение локальных барьеров за некоторое характерное время, а число дислокаций n, способных их преодолеть, возрастает и становится равным

где  - магнитный момент дислокации;  - константы;  - индукция магнитного поля;  - потенциальный барьер,  - магнитная проницаемость среды,  - магнитная постоянная. Это приводит к перераспределению и изменению локальной плотности дислокаций и, следовательно, изменению микротвердости.

Так к же из [1] следует, что 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 и может быть объяснен релаксационный характер выявленной зависимости.

Как было сказано выше, один импульс магнитного поля (В = 1Тл) приводит к максимальному уменьшению значения микротвердости, в нашем случае, учитывая различную степень деформации каждого образца, была выявлена зависимость относительного изменения микротвердости от степени деформации, при ее максимальном значении, т.е. t = 0, B = 1 Тл, количество импульсов N = 1 (рис. 5).

Так же в ходе исследований, было обнаружено различное время релаксации, для образцов с разной степенью деформации (рис. 6). Измерения микротвердости проводились с интервалом в 1 час, с момента воздействия на образец импульсным магнитным полем в течение 5 часов. График построен по последним значениям микротвердости, для образцов с различной степенью деформации t = 5 часов.

Таким образом, было установлено, что импульсное магнитное поле понижает микротвердость алюминиевого сплава Al-1.6%Mn, так же выявлена зависимость относительного изменения микротвердости от импульсного воздействия магнитного поля при различной степени деформации  образца и зависимость времени релаксации от степени деформации. Полученные результаты свидетельствуют о препятствии интенсивной пластической деформации восстановления материала после магнито-импульсного воздействия.

 

Список литературы

• 1. 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
• 2. Коновалов С.В., Загуляев Д.В., Громов В.Е., Влияние импульсного магнитного поля на микротвердость алюминия // Вестник поморского университета, 2010 с. 90-93
• 3. Утяшев Ф.З. «Современные методы интенсивной пластической деформации» 2008. Уфа: УГАТУ. 313 с.
• 4. Поверхностное упрочнение металлических материалов с помощью магнитно-импульсной установки / Новые металлические материалы и процессы / В. В. Гайдук, В. Р. Роккель, Д. В. Гайдук, В. Л. Володин, Т. В. Володин // Сталь : Международный научно-технический и производственный журнал / . - 15/07/2004 . - N 7 . - с. 87-89 .
• 5. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М., 1978.

Код для цитирования: Скопировать