Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач научно-технического 13ВИТИЯ является создание и внедрение качественно новых технологиче-;их процессов, в том числе с использованием интенсивных энергетических «действий в процессе пластического формоизменения. Эксперименталь-Зіе исследования электрических токов большой плотности и сильных элек-)ических полей на электропроводящие материалы привели уже к создало целого ряда высокопроизводительных технологических методов обра-этки материалов. Однако их использование опирается, главным образом, і эмпирические закономерности. В связи с этим одной из важнейших за-14 становится выявление основных физических механизмов процессов, дотекающих в материалах при внешних электрических воздействиях, и, в 1СТНОСТИ, силовых механизмов действия электрических полей и токов на еталлические материалы. Несмотря на растущее использование импульсах токовых воздействий, надежно установленные экспериментальные и :оретические представления о процессах пластической деформации при іких воздействиях недостаточны, а физическая природа эффекта пласти-икации металлов при воздействии импульсных токов не раскрыта в ползи мере. С другой стороны, электропластическая деформация (ЭПД) ме-шлов представляет собой комплексное явление, включающее целый ряд изнческнх эффектов из различных областей физики твердого тела, состав-іющих в совокупности самостоятельную систему представлений о сило->м действии электрического тока на металл, нуждающуюся в последова-льной всесторонней разработке. Работа выполнена в рамках госбюджет-лх НИР ГБ 91.13 Динамика дефектов в конденсированных средах и опе-ггорные уравнения и ГБ 96.13 Математическое моделирование физиче-их процессов в твердых телах и операторные уравнения.
В связи с изложенным цель работы заключалась в установлении роли ізличньїх механизмов силового действия электрического тока и электри-:ского поля в интенсификации пластической деформации металлов и эрмулировки на ее основе физической теории электропластичности.
В этой связи в работе решались следующие задачи:
анализ влияния электрических и магнитных полей на параметры, іределякйцие термоактивируемую пластическую деформацию металлов;
развитие физической теории электропластичности на основе кон-:пции деструкции полей внутренних напряжений при токовом воздейст-1и на металл;
анализ энергетических условий зарождения носителей пластической формации от поверхности металла во внешнем электростатическом поле.
Научная новизна.
Найдена функция экранированной электронной реакции металла в іковом состоянии, с помощью которой проанализировано изменение
энергии взаимодействия дислокации с локальным стопором в присутстві тока высокой плотности.
В рамках электронной теории металлов построена микроскопическ теория динамического пинч-эффекта в металлах и проанализированы об словленные им эффекты механического воздействия на металл, в том чис полярного характера.
Проведен всесторонний анализ эффектов электродинамического да ления магнитного поля, возбуждаемого импульсным электрическим токо в проводниках различной формы.
Установлена многостадийность процесса формирования температу ных напряжений в условиях разогрева металла импульсным током. Пок зано, что в регулярном режиме уровень термоупругих напряжений в и пульсе тока не зависит от формы и длительности импульса, а в нерегуля ном режиме может значительно превышать пинч-действие тока.
В квантово-механическом подходе получено общее выражение д силы электрон-фононного увлечения дефектов, на основании которо проанализированы вклады фононного, электронного и электро фононного механизмов увлечения в силу, вызываемую потоком тепла электрическим полем. Показано, что силовое действие потока тепла опр деляется, в основном, фононным механизмом.
Установлено, что для дислокаций и границ раздела сила со сторої термоупругих напряжений значительно превосходит силу фононного уві чения, тогда как для точечных дефектов имеет место противоположное с отношение. Рассчитан коэффициент фононного увлечения точечных дефе тов.
Показано, что силовое действие электрического тока на точечные ^ фекты и границы раздела определяется электронным механизмом увле* ния, тогда как для дислокаций доминирующей может быть сила, обуслс ленная эффектом электрон-фононного увлечения.
Сформулирована дислокационная модель деструкции полей внутре них напряжений под действием импульсов тока, учитывающая динами1 ские свойства застопоренного плоского скопления дислокаций.
Сформулировано эволюционое уравнение движения дефектной стр> туры, записанное в терминах эффективных напряжений, на основе котор го получено и решено кинетическое уравнение для упруго-пластическо кручения стержней произвольного сечения.
На основе концепции деструкции полей внутренних напряжений m действием импульсного электрического тока сформулирована систеї уравнений физической теории пластичности в условиях токового воздеш вия, решение которой позволило объяснить основные особенности ЭЛ( тропластической деформации металлов в различных режимах.
Разработан общий метод вычисления изменения энергии электрост тического поля при изменении геометрии поверхности металла в результа его пластического деформирования.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Закономерности формирования внутренних напряжений, обусловленных электродинамическим действием импульсного электрического тока.
-
Эффект электрон-фоношюго увлечения дислокации под действием электрического тока.
-
Дислокационная модель деструкции полей внутренних напряжений и сформулированная на ее основе физическая теория электропластичности.
-
Совокупность механизмов силового действия внешнего электростатического поля на пластическую деформацию металлов.
Научная и практическая значимость результатов диссертации заключается прежде всего в том, что они составляют теоретический базис для объяснения и понимания движущих сил и кинетики процессов пластической деформации при электрическом воздействии на металл. Совокупность полученных зависимостей силового воздействия на проводник электрическим током и полем большой величины может быть использована как основа для моделирования физических процессов при электростимулированной обработке материалов. Результаты и выводы диссертации были использованы в интерпретации экспериментальных данных, получеїшьіх при изучении подвижности индивидуальных дислокаций под действием импульсного тока (проф. В.Е.Громов) и пластической деформации металлических материалов в сильном электрическом поле (проф. Ю.В.Баранов).
Достоверность полученных результатов определяется использованием современных методов кваїгтовой теории твердых тел, механики сплошной среды и физической теории дефектов. На всех этапах работы обсуждаются пределы применимости результатов теории и проводится сопоставление с экспериментом.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных собраниях, таких как:
Всесоюзный семинар «Термодинамика и кинетика пластической деформации» (Томск, 1985), 3 Всесоюзная школа-семинар по физике сегнетоэласти-ков (Харьков, 1985), Всесоюзные школы по физике пластичности и прочности (Харьков, 1987, 1990), Всесоюзное совещание по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствам сплавов (Тула, 1988), Всесоюзная конференция «Металлофизика сверхпроводников» (Киев, 1986), Всесоюзные и Международные конференции «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов» (Куйбышев; 1986, 1989; Самара, 1992, 1995), Всесоюзный семинар «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Свердловск, 1987), Всесоюзные конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов» (Юрмала, 1987, 1990), Научный семинар «Кинетика и термодинамика пластической деформации» (Барнаул, 1988), Всесоюзные конференции по
. 4
тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (Каунас, 1989; Воронеж, 1992), Всесоюзная школа-семинар «Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических материалов» (Николаев, 1990), Научный семинар «Методы механики сплошной среды в теории фазовых переходов» (Киев, 1990), Всесоюзная школа-семинар «Электромагнитные воздействия и структура материалов» (Николаев, 1991), Научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 1990), Всесоюзный семинар «Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (Новокузнецк, 1991, 1994, 1997), Всесоюзная школа «Современные методы в теории краевых задач» (Воронеж, 1992), Школа-семинар «Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов» (Воронеж,1992), Всесоюзная школа «Теория функций. Дифференциальные уравнения в математическом моделировании» (Воронеж, 1993), Всесоюзная и Международная школы-семинары «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1993, 1995, 1999), Международные научно-практические конференции «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (Николаев, 1993; Новокузнецк, 1995), Международные конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 1994, 1996), Всесоюзная школа «Современные проблемы механики и математической физики» (Воронеж, 1994), Воронежская зимняя математическая школа «Современные методы теории функции и смежные проблемы прикладной математики и механики» (Воронеж, 1995), Воронежские весенние математические школы «Понтрягинские чтения. Современные методы в теории краевых задач» (Воронеж, 1993, 1997, 1998), Международная конференция «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (Новокузнецк, 1997), Международная конференция «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1997), Meiedzynarodowe Seminarium «Inzynieria Powierzchni'97 Technologie-Urzadzenia-Badania» (Warsza-wa, 1997), Воронежская школа «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 1998), Всероссийский семинар «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 1999).
Публикации результатов диссертации. По материалам диссертации опубликовано 60 работ и 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 320 наименований. Диссертация содержит 27 рисунков и 3 таблицы.