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]
/Я
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.