Critical Parameters of the Athermal Electroplastic Effect in Metallic Materials

全文:

Введение

Прохождение электрического тока по проводнику вызывает ряд хорошо известных эффектов, например, тепловой нагрев по закону Джоуля-Ленца [1], а также атермические скин- и пинч-эффекты [2] в случае импульсного тока. При совместном действии электрического тока и пластической деформации возникают дополнительные эффекты, обусловленные наличием в кристаллических телах структурных особенностей: границ зерен, тройных стыков, подвижных дефектов, например, дислокаций и вакансий. К таким эффектам относятся электропластический (ЭПЭ) [3–5] и магнитопластический [6] эффекты.

Проявление ЭПЭ хорошо изучено экспериментально и теоретически во многих металлических системах. При введении одиночных импульсов тока на кривой растяжения/сжатия появляются скачки напряжения вниз/вверх [5]. Мерой интенсивности эффекта в данном материале является амплитуда скачков, которая зависит от плотности тока, длительности импульса и частоты [7]. В меньшей степени используется такой важный параметр, как скважность, которая связывает между собой длительность и частоту импульсов [8]. Однако при введении многоимпульсного или постоянного тока скачки отсутствуют, а мерой эффекта становится общее снижение напряжений течения [9]. При этом повышается тепловой вклад тока, возникают связанные с ним изменения структуры и механических свойств проводников.

Целью статьи является определение критических параметров импульсного тока, обеспечивающих атермический электропластический эффект в металлических материалах.

Обзор литературы

Установлено, что структура, свойства материала, а также мода и параметры электрического тока являются определяющими при анализе особенностей деформационного поведения материалов в сопровождении электрического тока [10]. Предложено несколько физических механизмов, феноменологически объясняющих возникновение ЭПЭ, которые включают электронный ветер [11], локальный нагрев на границах зерен [12], разблокировку дислокаций на препятствиях [7], подавление двойникования и магнитные эффекты [13]. Поскольку ЭПЭ проявляется в заметном снижении сопротивления деформации и повышении технологической пластичности, то потенциально он может использоваться в обработке металлов давлением [14; 15]. Многие прикладные и теоретические аспекты электропластического эффекта представлены в недавнем обзоре [15]. Теоретической и практической проблемой является нагрев проводника при воздействии тока, который затрудняет экспериментальную оценку вклада каждого из сопутствующих эффектов, а также является препятствием при необходимости осуществления технологических процессов без нагрева. Для снижения теплового вклада от тока были выполнены растяжение в жидком азоте [1; 2], а также охлаждение воздухом [16]. Другим возможным подходом может быть выбор таких параметров электрического тока, при которых тепловой эффект минимален или отсутствует. В литературе их часто называют пороговыми или критическими. Проведенный анализ источников позволил выделить основные параметры импульсного тока, влияющие на деформационное поведение проводниковых материалов и тепловой эффект при прохождении импульсов тока, и установить их пороговые значения.

Материалы и методы

Объектами исследования были выбраны две группы материалов с отличающимся уровнем удельного электросопротивления. Среди хорошо проводящих материалов использовались: чистая медь М1 / Cu; медные сплавы – оловянная бронза (БрОЖ6.5-0.15 / Sn bronze), алюминиевая бронза (БрАЖ9-4-4 / Al bronze); алюминиевые сплавы – Al₂Cu₂Mn и АМг2. Среди слабо проводящих материалов применялись сплавы на основе титана (ВТ1-00, Grade 4, ВТ6). Материалы были исследованы в отожженном крупнозернистом (КЗ) состоянии. Для сравнения сплав Grade 4 применялся также и в ультрамелкозернистом (УМЗ) состоянии, полученном при помощи интенсивной пластической деформации методом РКУП Конформ [17; 18].

Механические испытания с током и без тока выполняли на горизонтальной машине ИМ-5081 при скорости растяжения 0,8 мм/мин (1.3х10⁻³с⁻¹) на плоских образцах c размерами 1 × 2 × 10 мм³. Варьируемыми параметрами импульсного тока были плотность тока j = 100 – 4 000 А/мм² и скважность импульсов Q = T/τ = 10 – 20 000, где T и τ – период и длительность импульса.

Длительность импульса во всех опытах была постоянной и соответствовала τ = 1 000 мкс. Выбранные параметры позволяли уверенно наблюдать проявление ЭПЭ в виде скачков напряжения Ds вниз или снижения напряжений течения величиной не менее 5 МПа.

Фрактографические изображения поверхностей разрушения после испытаний на растяжение были получены с помощью сканирующей электронной микроскопии на приборе Tescan Mira 3 LMU.

Результаты исследования

Влияние скважности. Рассмотрим влияние скважности на деформационное поведение при относительно малых значениях 10 ≤ Q ≤ 100 в сравнении с растяжением без тока на примере бронзы БрАЖ9-4-4 (рис. 1a).

 

Рис. 1. Влияние скважности тока на деформационное поведение (a) и температуру образца (b): 1 – без тока; 2 – Q = 100, j =200 А/мм²; 3 – Q = 20, j = 200 А/мм²; 4 – Q = 10, j = 200 А/мм²

Fig. 1.  Influence of duty cycle on deformation behavior (a) and sample temperature (b): 1 – no current; 2 – Q = 100, j = 200 A/mm²; 3 – Q = 20, j = 200 A/mm²; 4 – Q = 10, j = 200 A/mm²

Источник: рисунки 1–5 составлены автором статьи.

Source: the diagrams 1–5 were drawn up by the author of the article.

 

Растяжение без тока (кривая 1) характеризуется максимальной прочностью и относительным удлинением бронзы, а также отсутствием скачков напряжения [19]. Введение импульсного тока снижает напряжения течения и относительное удлинение до разрушения и влияет на характер механического поведения. Деформационное упрочнение при скважности Q = 100 и 20 (кривые 2 и 3) сменяется деформационным разупрочнением при скважности Q = 10 (кривая 4). Кроме того, снижение скважности повышает температуру образцов, особенно сильно в слабо проводящем титане Grade 4, по сравнению с бронзой БрАЖ 9-4-4 (рис. 1b). Видно, что для достижения комнатной температуры (атермического ЭПЭ) необходимо повышать скважность более 1 000 и 5 000, соответственно для бронзы.

Рассмотрим влияние скважности на деформационное поведение при более высоких значениях 1 000 ≤  Q ≤ 20 000. На рисунке 2 приведены кривые напряжение/деформация для медного сплава БрАЖ9-4-4, полученные при различных комбинациях скважности и плотности тока. Введение одиночных импульсов тока при постоянной длительности импульса вызывает появление скачков напряжения вниз разной амплитуды (от 10 до 120 МПа), зависящей от плотности и скважности тока. При высокой плотности тока 1 600 А/мм² уменьшение скважности от 20 000 до 15 000 практически не влияет на амплитуду скачка (кривые 2 и 3), но снижает относительное удлинение и повышает температуру образца с 70 до 80 °С.

 

Рис. 2.  Кривые напряжение/деформация для БрАЖ 9-4-4 при τ = 1 000 мкс: 1 – без тока; 2 – j = 1 600 А/мм², Q = 20 000; 3 – j = 1 600 А/мм², Q = 15 000; 4 – Q = 20 000, j = 450 А/мм²; 5 – Q = 100, j =400 А/мм². Кривые 4 и 5 сдвинуты вверх на 50 МПа по оси Y, чтобы избежать наложения

Fig. 2.  Stress/strain curves for Al bronze at τ = 1 000 μs: 1 – no current; 2 – j = 1 600 А/mm², Q = 20 000; 3 – j = 1 600 А/mm², Q = 15 000; 4 – Q = 20 000, j = 450 А/mm²; 5 – Q = 100, j = 400 А/mm². Curves 4 and 5 are shifted up on 50 MPa along the Y axis to avoid overlap

 

При более низкой плотности тока 400–450 А/мм² скачки напряжения уменьшаются по амплитуде и даже исчезают со снижением скважности от 20 000 до 100 (кривые 4 и 5). В этом случае также происходит повышение температуры образца, но более значимое (на 40 °С).

 

Рис. 3. Влияние скважности на форму и амплитуды скачка напряжений при j = 1 600 А/мм2 и τ = 1 000 мкс: а) Q = 5 000; b) Q = 20 000

Рис. 3. Влияние скважности на форму и амплитуды скачка напряжений при j = 1 600 А/мм² и τ = 1 000 мкс: а) Q = 5 000; b) Q = 20 000

Fig. 3. Influence of duty cycle on shape and stress jump amplitude at j = 1 600 A/mm² and τ = 1 000 μs: a) Q = 5 000; b) Q = 20 000

Отметим, что в данной статье наблюдающиеся скачки в упругой области не рассматриваются, поскольку их появление является следствием теплового расширения образца и не связано с ЭПЭ.

На рисунке 3 иллюстрируется влияние скважности при одинаковой плотности тока и длительности импульса на взаимное расположение скачков напряжения, а также их форму и амплитуду в бронзе БрАЖ9-4-4. Четырехкратное повышение скважности с 5 000 до 20 000 привело к слабому увеличению амплитуды скачка напряжений с 110 до 120 МПа и действующих напряжений течения. Независимо от скважности форма скачка напряжений является ассиметричной. Снижение напряжения в скачке (левая часть) происходит почти на порядок быстрее, чем его восстановление (правая часть).

Можно заключить, что скважность является критическим параметром ЭПЭ, регулирующим его проявление и влияющим на тепловой эффект тока.

Влияние плотности тока. На рисунке 4а на примере крупнозернистой оловянистой бронзы представлены кривые напряжение/деформация, полученные растяжением без тока и с током разной плотности, но одинаковой скважности.

             

Рис. 4.  Кривые напряжение/деформация (а) и зависимость амплитуды скачка от плотности тока (b) бронзы БрОЖ6.5-0.15: 1 – без тока; 2 – 450 А/мм²; 3 – 800 А/мм²; 4 – 1 600 А/мм², Q = 20 000, τ = 1 000 мкс. Кривые смещены по оси Y относительно друг друга на 5–15 МПа, чтобы исключить наложение

Fig. 4.  Stress/strain curves (a) and jump amplitude on current density (b) for Al bronze: 1 – no current; 2 – 450 A/mm²; 3 – 800 A/mm²; 4 – 1 600 A/mm², Q = 20 000, τ =1 000 μs. Curves are shifted along the Y axis relative to each other by 5–15 MPa to prevent overlap

 

Поскольку кривые растяжения при многократном изменении плотности тока в реальном масштабе напряжений накладываются друг на друга, они были смещены относительно друг друга по оси Y так, чтобы можно было оценить амплитуду скачков. Типичные скачки напряжения, соответствующие ЭПЭ, появляются только при плотности тока выше j_кр  ≥ 450 А/мм² (кривая 2). Дальнейшее повышение плотности тока до 1 600 А/мм² способствовало увеличению амплитуды скачка напряжения от нескольких МПа до 40 МПа (кривые 3 и 4), снижению относительного удлинения на 10 % и практически не влияло на напряжения течения. На рисунке 4b показана зависимость амплитуды скачка напряжения от плотности тока и температуры.

Аналогичные испытания были выполнены для материалов, заметно отличающихся величиной удельного электросопротивления. Соответствующие зависимости амплитуды скачков напряжения от плотности тока показаны для сплавов на основе алюминия, меди (рис. 5а) и титана (рис. 5b). Все кривые носят экспоненциальный характер, отличающийся показателем степени. Видно, что для каждого материала существует своя критическая (пороговая) плотность тока j_кр, ниже которой ЭПЭ не проявляется, а выше этого значения амплитуда скачка повышается с увеличением плотности тока по экспоненте.

           

Рис. 5.  Влияние плотности тока на амплитуду скачка напряжения в КЗ материалах: а) сплавы на основе Al и Cu; b) титановые сплавы. Длительность импульса τ = 1 000 мкс, Q = 30 000

Fig. 5.  Current density effect on stress jump amplitude in CG materials: а) Al and Cu based alloys; b) Ti based alloys. τ = 1 000 μs, Q = 30 000

 

Значения критической плотности тока показаны в таблице. Она наименьшая в слабо проводящих титановых сплавах Grade 4, ВТ1-00, ВТ6 (90–120 А/мм²) и наибольшая в высокопроводящей меди (около 1 000 А/мм²). В сплавах на основе меди и алюминия критическая плотность тока имеет промежуточные значения.

 

Таблица. Критическая плотность тока (А/мм²) в материалах при τ = 1 000 мкс

Table. Threshold current density (A/mm²) in materials at τ = 1 000 μs

Состояние / State	ВТ1-00 / VT1-00	Grade 4	ВТ6 / VT6	Медь / Copper	БрАЖ 9 / Al bronze	БрОЖ6.5 / Sn bronze	АМг2 / Al6Mg	Al2Cu2Mn
КЗ / CG	90	100	120	1 050	450	450	300	300
УМЗ / UFG	300	250	–	–	–	–	–	–

 

 

Роль структурного измельчения материалов также оказывает некоторое влияние на представленные зависимости. Так, в титановых сплавах ВТ1-00 и Grade 4 измельчение структуры приводит к слабому повышению критической плотности тока (табл.).

Фрактография. Фрактографические исследования образцов после растяжения без тока и с током разной скважности были выполнены для разных материалов. Для большинства исследованных материалов воздействие импульсного тока высокой плотности и скважности практически не оказывает влияние на характер излома, который остается вязким и отличается присутствием чашек и ямок отрыва (рис. 6а).

 

Рис. 6. Изображения поверхности излома образца сплава АМг2: а) без тока; b) ток, Q = 10

Fig. 6. Fracture surface images in the Al₂Mg alloy: a) without current; b) current, Q = 10

Источник: рисунки получены автором с помощью микроскопа Tescan Mira 3 LMU в программе прибора и переведены в изображение в программе Paint.net.

Source: the images were made by the author using the microscope Tescan Mira 3 LMU in the device program and translated into pictures using the Paint.net program.

 

Однако снижение скважности импульсного тока приводит к увеличению доли чашек и появлению пор. Для примера на рисунке 6 показаны изображения изломов в растровом микроскопе для алюминиевого сплава АМг2. Видно, что введение импульсного тока низкой скважности способствует увеличению количества и размеров чашек в изломе, тогда как доля ямок заметно снижается (рис. 6b).

Обсуждение и заключение

Одним из важных результатов выполненного исследования является демонстрация влияния скважности импульсного тока на деформационное поведение и тепловой эффект. Было показано, что при вариации скважности в широком интервале значений в бронзе реализуется либо преимущественно тепловой электропластический эффект без скачков напряжения: 10 ≤  Q  ≤  100 (рис. 1), либо атермический электропластический эффект со скачками напряжения: Q ≥ 1 000 (рис. 2). При высокой скважности тока (Q ≥ 20 000) деформационное поведение и механические характеристики прочности и пластичности приближаются к таковым для растяжения без тока. Преимущественно этот факт связан с отсутствием значительного повышения температуры образца. Другой возможной причиной может быть действие механизма электронного ветра, которое способствует релаксации напряжений за счет аннигиляции возникающих при деформации новых дислокаций. Фактически скважность как характеристика тока является критическим параметром. Качественно близкие результаты были получены ранее для чистого титана [20] и алюминия [21].

Влияние плотности тока на амплитуду скачка напряжений и температуру образца носит экспоненциальный характер и свидетельствует о термоактивационных процессах в материалах (рис. 4b). Пороговый характер этого параметра в разных металлах был замечен ранее. Автор работы [22] показал, что критическая плотность тока возрастала с увеличением электропроводности материалов. Однако эти эксперименты были выполнены при ползучести под током и только для чистых металлов. Авторы недавнего исследования электропластического эффекта при растяжении титановых сплавов установили, что критическая плотность импульсного тока зависит от чистоты материала. Так, в технически чистом титане Grade 4 критическая плотность оказалась в два раза выше, чем в легированном титановом сплаве ВТ6 [23]. Результаты данного исследования подтверждают существование порогового значения плотности тока при квазистационарном растяжении, которое распространяется на группы сплавов с разной электропроводностью (рис. 5). Чем выше электропроводность и меньше размер зерен, тем выше пороговое значение плотности тока. Это наблюдение полезно для обоснования механизма электронного ветра и практического применения при обработке материалов давлением.

Параметры тока, исследованные выше, представляют собой важные и разные характеристики импульсного тока. Плотность тока связана с энергетической составляющей внешнего воздействия, тогда как скважность тока характеризует частотную составляющую импульсного тока. Оба параметра вместе определяют интенсивность распределения энергии импульса во времени. По своему воздействию на механическое поведение материалов они являются независимыми, но каждая из них влияет на температуру образца, по которому идет ток. Регулируя оба параметра, можно создавать условия, при которых тепловой эффект тока будет максимальным или отсутствовать. В большинстве случаев на практике используется режим, при котором происходит значительный нагрев деформируемого материала, что позволяет заменять термическую обработку обработкой током. В исследовательских целях часто появляется необходимость снижать тепловой эффект тока, чтобы определить вклад атермического (истинного) электропластического эффекта. В этой связи знание зависимостей температуры и деформационного поведения от указанных параметров становится актуальным.

Анализ формы скачков напряжения показал, что их профиль имеет асимметричность во времени (рис. 3). Асимметричность связана с разной скоростью теплопередачи при мгновенном объемном нагреве от импульса тока и замедленном поверхностном охлаждением образца. Подобные наблюдения подробно обсуждаются в работах [23; 24] и хорошо согласуются с асимметричным температурным профилем скачка [7]. Жесткость испытательной машины тоже может вносить определенный вклад в асимметрию формы скачка [25], которая в «мягких» машинах замедляет восстановление напряжения.

Полученные результаты исследования влияния параметров импульсного тока на особенности проявления электропластического эффекта в различных проводниковых материалах позволяют сделать следующие выводы:

1. Среди многих параметров импульсного тока, сопровождающих пластическую деформацию растяжением, скважность и плотность тока являются пороговыми. Это означает, что при превышении/снижении их критических значений электропластический эффект может появляться/исчезать или изменять атермический механизм на тепловой;
2. Пороговые значения обоих критических параметров тока зависят от электропроводности и микроструктуры материалов. С увеличением электропроводности и уменьшением размера зерен критическая плотность тока повышается. Атермический механизм электропластического эффекта в материалах с высокой электропроводностью достигается при меньших значениях скважности.

作者简介

Vladimir Stolyarov

Mechanical Engineering Research Institute Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: vlstol@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7604-3961
Scopus 作者 ID: 7005641592
Researcher ID: A-1928-2014

Dr.Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher 

4 Maly Kharitonievsky Lane, Moscow 101000, Russian Federation

参考

补充文件