научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МОРФОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МЕДИ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МОРФОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МЕДИ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 99-103

УДК 53.098

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МОРФОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МЕДИ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ

© 2015 г. Д. В. Загуляев1, *, С. В. Коновалов1, Н. Г. Ярополова1, Ю. Ф. Иванов23,

И. А. Комиссарова1, В. Е. Громов1

1Сибирский государственный индустриальный университет, 654007Новокузнецк, Россия 2Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия 3Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634034 Томск, Россия

*Е-таИ: zagulyaev_dv@physics.sibsiu.ru Поступила в редакцию 15.05.2014 г.

Методами растровой электронной микроскопии проведены исследования фрактографии меди, разрушенной в условиях ползучести в магнитном поле 0.35 Тл. Выявлено качественное подобие морфологии поверхности при разрушении, формирующейся в магнитном поле и без него. Показано, что в магнитном поле формирующийся рельеф поверхности при разрушении в волокнистой зоне обладает меньшими, а в радиальной зоне большими средними размерами, чем в соответствующих зонах материала, деформированного в отсутствие поля. Выявлено, что воздействие магнитного поля в процессе деформации при ползучести приводит к расширению диапазона размеров ямок в волокнистой зоне и сужению — в радиальной зоне. Установлено, что наложение магнитного поля оказывает влияние на скорость накопления и аннигиляции, механизмы зарождения и схему перестройки дефектной субструктуры объема и приповерхностного слоя медных образцов.

Ключевые слова: морфология поверхности, разрушение меди при ползучести, магнитное поле, растровая электронная микроскопия.

БО1: 10.7868/80207352815010187

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие техники и современных технологий приводят к созданию мощных энергетических установок, формирующих вокруг себя магнитные и электрические поля. Поскольку большинство конструкций механизмов работают в условиях механических нагрузок (например, ползучести), приводящих к разрушению, для анализа ресурса их работы необходимо изучение поведения металлов в условиях внешних энергетических воздействий.

В последнее десятилетие проведено большое количество исследований и установлено, что даже энергетически слабое магнитное поле с индукцией до 1 Тл, воздействующее на твердые тела, подвергаемые деформированию, способно существенно изменять как кинетику протекания процесса, так и интегральные прочностные и пластические характеристики [1—4].

С другой стороны, одной из первостепенных задач физического материаловедения является управление свойствами материалов, подвергнутых процессу пластической деформации, путем изменения их тонкой структуры при различных внешних энергетических воздействиях [5, 6].

Представляемая работа является продолжением научных исследований, общая цель которых — выявление физических механизмов, ответственных за изменение деформационного поведения пара- и диамагнитных материалов в условиях воздействия магнитных полей [7—9].

Цель настоящей работы состоит в исследовании структуры поверхности при разрушении меди и выявлении ее особенностей, формирующихся при ползучести во внешнем магнитном поле с индукцией 0.35 Тл и без него.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Исходную структуру материала получали следующим образом. Образцы в виде проволоки деформировали в процессе прокатки при комнатной температуре. Степень деформации составляла ~83% (исходный диаметр проволоки ~2.76 мм, конечная толщина ~0.46 мм, четыре прохода) и отжигали два часа при 700°С с последующим охлаждением в воде, которое необходимо для снятия окалины, возникающей при отжиге [10]. Образцы испытывали на ползучесть при нагрузке 130 МПа до разрушения при температуре 300 К. Длина рабочей части образцов при испытаниях

99

7*

Рис. 1. Фрактограммы поверхности разрушения меди: а — ползучесть в условиях магнитного поля; б — ползучесть без магнитного поля.

на ползучесть составляла 150 мм. Половина из них деформировалась в условиях внешнего магнитного поля с индукцией 0.35 Тл. Магнитное поле было направлено перпендикулярно оси растяжения.

Исследования поверхности при разрушении осуществляли методами растровой электронной микроскопии с помощью прибора SEM 515 Philips. Параметры поверхности определяли, используя методы стереологии [11].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При анализе поверхности изломов гладких образцов, испытанных на растяжение, как правило, выделяют три зоны, называемые волокнистой, радиальной и зоной среза [12]. Волокнистая зона расположена в центре излома и окружает очаг разрушения, который обычно находится на оси растяжения или рядом с ней. Она отвечает области медленного роста трещины. Эта зона состоит из области случайно расположенных волокон. Распространение трещины в волокнистой зоне

происходит в результате слияния микропор при разрушении перемычек между ними. Очаг излома расположен в центре волокнистой зоны. При переходе от медленного роста трещины к быстрому или нестабильному ее распространению образуются радиальные рубцы, которые совпадают с общим направлением распространения трещины. Зона среза состоит из участка, смежного со свободной поверхностью образца.

Макроскопический вид поверхности плоских образцов технически чистой меди, разрушенных при ползучести в условиях растяжения, приведен на рис. 1. Независимо от условий, в которых проводились испытания на ползучесть, выявляются три зоны (рис. 2). Основную площадь поверхности занимает волокнистая зона, сформированная ямками, представляющими собой половину микропоры, через которую прошло разрушение. Радиальная зона и зона среза занимают меньшую часть поверхности.

Типичным элементом структуры поверхности при разрушении испытанных образцов (независимо от условий, в которых проводились испытания на ползучесть) являются ямки (рис. 3). Вблизи ямок и на их внутренних поверхностях видны волнистые тонкие линии (на рис. 3б линии указаны стрелками). Это свидетельствует о том, что рост ямок происходит путем скольжения материала по многим действующим системам. Следовательно, независимо от методики испытания на ползучесть, поверхность при разрушении технически чистой меди является вязкой с большой плотностью полос скольжения и глубокими ямками, свидетельствующими о высокой локальной пластичности материала.

Ямки разрушения, как правило, разделяют на три группы — равноосные, ямки сдвига и ямки отрыва [12—14]. Зона боковых скосов часто содержит систему овальных ямок, вытянутых в одном и

■.........

1 i

■ь . 1

(а) 10 мкм | 1 1

Рис. 2. Зоны излома, формирующиеся при ползучести меди без магнитного поля (а) и в магнитном поле (б): 1 — волокнистая зона; 2 — радиальная зона; 3 — зона среза.

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МОРФОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТИ

101

Рис. 3. Структура поверхности, формирующаяся при ползучести меди.

том же направлении — направлении сдвига (это ямки сдвига) (рис. 4а). Ямки отрыва формируются в условиях внецентрального напряженного состояния, присущего, например, образцам с надрезом, испытываемым в условиях плоской деформации.

В этих условиях образуются вытянутые ямки, имеющие вид парабол, развернутых в направлении зарождения трещины (рис. 4б, стрелкой указано направление зарождения трещины).

Следует отметить, что в проводимых экспериментах ямки отрыва наиболее отчетливо наблюдались на поверхности образцов меди, деформированных при ползучести в магнитном поле. Равноосные (квазиравноосные) ямки разрушения в исследуемых образцах наблюдались преимущественно в волокнистой зоне в центральной области излома (рис. 4в, г).

На ямках разрушения часто видны признаки деформации в виде серпантинного скольжения и волнистости (рис. 3, 4), а также зоны вытяжки (рис. 5). Возникновение зоны вытяжки, т.е. сравнительно безрельефной поверхности, обусловлено так называемой вытяжкой, когда в процессе длительной деформации по существу стираются детали рельефа. Иногда в качестве причины образования таких областей рассматривается декоге-зия материала по плоскости скольжения или вязкий скол. Следует отметить, что ямки с элементами вытяжки присутствуют преимущественно в

Рис. 4. Ямки разрушения, формирующиеся при ползучести меди: а — ямки сдвига; б — ямки отрыва; в, г — равноосные ямки. Стрелкой указано направление зарождения трещины.

Щ

>У<£ /г]

Рис. 5. Структура волокнистой зоны, формирующаяся при ползучести меди в магнитном поле. Стрелками указаны участки вытяжки меди.

образцах меди, разрушенной при наложении магнитного поля.

Испытания меди при наложении магнитного поля приводят к формированию ямок разрушения с элементами вытяжки. Полагая, что возникновение зоны вытяжки обусловлено вязким сколом, можно предположить, что наложение магнитного поля способствует охрупчиванию меди.

Результаты статистического анализа структуры поверхности при разрушении образцов меди представлены в таблице. Анализ результатов, приведенных в таблице, показал, что средний размер (диаметр) ямок вязкого разрушения меди при ползучести зависит от условий проведения эксперимента. А именно, при ползучести без наложения магнитного поля средний размер ямок вязкого излома в волокнистой зоне несколько больше, а в радиальной зоне несколько меньше, чем в соответствующих зонах образцов меди, деформированных в условиях наложения магнит-

ного поля. Одновременно с этим наложение магнитного поля приводит к расширению диапазона размеров ямок в волокнистой зоне и к сужению в радиальной зоне по отношению к образцам, разрушенным без наложения магнитного поля.

Считается, что размер ямок (диаметр и глубина) зависит от числа мест зарождения микропор и относительной пластичности матрицы [13, 14]. Чем больше мест зарождения, тем меньше размер ямок. Следовательно, воздействие магнитного поля приводит к некоторому увеличению мест зарождения ямок вязкого излома (микропор) в зоне волокнистого излома и уменьшению мест зарождения ямок вязкого излома (микропор) в радиальной зоне при ползучести меди. Местами зарождения ямок вязкого излома являются частицы вторых фаз, внутрифазные (границы раздела зерен) и межфазные (границы раздела частица/матрица) границы раздела, внутризеренные дефекты (субзе

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»