Введение к работе
Актуальность. Экспериментальные исследования пластических и прочностных свойств металлов помимо методов активной деформации и ползучести предусматривают метод релаксации напряжений. Изучение релаксации напряжений важно не только с научной, но и с практической точки зрения. В условиях релаксации напряжений работают все напряженные механические соединения и упруго-напряженные детали. В ряде случаев, при расчетах на прочность, критерии релаксации напряжений становятся решающими. В этой связи актуальной проблемой физики конденсированного состояния и физического материаловедения является разработка способов управления релаксацией напряжений. Одним из таких способов являются внешние энергетические воздействия. Однако для разработки способов управления пластической деформацией с помощью этих воздействий необходимо изучение физической природы влияния этих воздействий.
К настоящему времени установлено, что обработка токовыми импульсами, сильные электрические и магнитные поля, а также радиационные воздействия оказывают существенное влияние на процессы пластической деформации. Несмотря на большие успехи в этой области, остаются практически не изученными вопросы, связанные с влиянием слабых электрических воздействий, к числу которых относится воздействие слабыми электрическими потенциалами. До сих пор это воздействие исследовалось применительно к деформации ползучести. Релаксация напряжений в условиях приложения электрических потенциалов практически не исследовалась.
Цель работы: выявление закономерностей влияния слабых электрических потенциалов и контактной разности потенциалов на характеристики релаксации напряжений технически чистого алюминия и изменение дислокационной субструктуры.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
Установить закономерности изменения характеристик процесса релаксации напряжений при влиянии электрического потенциала и контактной разности потенциалов.
Проанализировать эволюцию дислокационной субструктуры алюминия при релаксации напряжений как в обычных условиях, так и при воздействии электрического потенциала.
Выявить механизм влияния слабых электрических потенциалов и контактной разности потенциалов на релаксацию напряжений.
Научная новизна. Впервые проведены исследования влияния слабых электрических потенциалов на процесс релаксации напряжений в алюминии. Установлено, что при подключении к образцам технически чистого алюминия электрического потенциала от стабилизированного источника питания средняя скорость релаксации напряжений увеличивается, а активационные параметры снижаются. При подключении металлов с иной, чем у алюминия, работой выхода наблюдается немонотонное изменение средней скорости релаксации.
Исследования дислокационной подсистемы материала показали, что в образцах, испытанных на релаксацию напряжений при воздействии электрического потенциала, происходит увеличение объемных долей дислокационных субструктур и скалярной плотности дислокаций.
Предложен механизм влияния слабых электрических потенциалов на релаксацию напряжений, который заключается в том, что при подключении электрического потенциала происходит перераспределение электронной плотности в поверхностных слоях материала, которое приводит к изменению условий самоорганизации дислокационных субструктур, что проявляется в изменении их объемных долей.
Научная и практическая значимость исследования заключается в том, что его результаты способствуют более глубокому пониманию природы влияния слабых энергетических воздействий на структуру и свойства материалов, что позволит разработать принципы управления релаксацией напряжений в деталях ответственного назначения. Сформированный в работе банк экспериментальных данных об изменении параметров процесса релаксации позволит провести математическое моделирование процесса релаксации напряжений в условиях слабых энергетических воздействий.
Полученные в работе данные о влиянии электрического потенциала на процесс релаксации напряжений могут быть использованы для разработки способов регулирования эффектов упругого механического последействия и эффекта Баушингера при операциях обработки металлов давлением. Рассмотренное внешнее воздействие может быть использовано в качестве способа снижения остаточных напряжений в сварных узлах после сварки проводников при производстве различных электромеханических устройств ответственного назначения.
Результаты работы могут быть использованы при разработке учебных программ и курсов лекций по физике конденсированного состояния и физическому материаловедению.
Реализация результатов. Установленные закономерности изменения параметров процесса релаксации напряжений при воздействии слабых электрических потенциалов реализованы: в ОАО «НИИ Электромеханических приборов» при отработке режимов термоэлектрической тренировки тонкопленочных наборов резисторов и гибридных интегральных схем; в Институте проблем прочности им. Г.С. Писаренко HAH Украины при расчете и анализе напряженно-деформированного состояния деталей, работающих в условиях релаксации напряжений; в НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета при изучении механических свойств сплавов на основе алюминия, обладающих прерывистой текучестью; в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН при изучении электрических свойств материалов для датчиков, чувствительных к слабым электрическим полям; в НИТУ «Московский институт сталей и сплавов» при разработке тестовых механических испытаний на упругое последействие; в ООО «Сибирские промышленные технологии» при отработке операции заневоливания пружин подвески; в 000 «Ремкомплект» при отработке технологий операций листовой штамповки.
Личный вклад состоит в проведении экспериментов по установлению влияния слабых электрических потенциалов на процесс релаксации напряжений, в обработке полученных результатов, формулировке положений, выносимых на защиту, и основных выводов, а также в написании статей, тезисов докладов и подготовке их к публикации.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью поставленных задач исследования, большим объемом экспериментальных данных и привлечением статистических методов их обработки, анализом литературных данных и критическим
сопоставлением установленных в работе закономерностей с результатами других авторов, а также справками об использовании результатов. Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Закономерности изменения характеристик релаксации напряжений при слабых
электрических воздействиях, заключающиеся:
в увеличении глубины релаксации, средней скорости релаксации и снижении активационного объема вне зависимости от знака подключаемого потенциала;
в обнаружении немонотонной зависимости средней скорости релаксации напряжений и активационного объема от контактной разности потенциалов при подключении металлов с отличной от алюминия работой выхода.
Совокупность экспериментальных данных, показывающих влияние слабых электрических потенциалов на характеристики дислокационной субструктуры алюминия, которая позволяет установить закономерности изменения этой субструктуры в условиях данных воздействий.
Механизм влияния слабых электрических потенциалов, заключающийся в том, что при изменении электрического потенциала поверхности происходит изменение поверхностной энергии, меняющее условия самоорганизации дислокационной субструктуры в поверхностных слоях материала и, соответственно, скорость релаксации напряжений.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы доложены на следующих научных мероприятиях: 3-й Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2009; IV научной школе «Физическое материаловедение», Тольятти, 2009; Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, Технологии, Инновации», Новосибирск, 2009; V Научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2009; Всероссийской Байкальской конференции по наноструктурным материалам: «Байкал-Нано», Иркутск, 2009; X Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2009; VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2010; XVIII республиканской конференции «ФКС - 18», Гродно, 2010; 6-й Международной конференции: «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2010; Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов, 2010; XXII международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах». Воронеж, 2010; Международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии», Комсомольск на Амуре, 2010; 50-м международном симпозиуме «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2010; VII Всероссийской конференции «Физико-химия неорганических материалов», Москва, 2010; 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2011; V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2011; XVII Международной конференции «Современная техника и технологии», Томск, 2011; V Международной научной школе «Физическое материаловедение», Тольятти, 2011; VI Научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011; II Московских чтениях по проблемам прочности, Черноголовка, 2011.
Работа выполнена в рамках грантов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.г.» (гос. контракт № П411) и РФФИ (проекты 10-07-00172-а; 11-08-90712 - мобст).
По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 8 статей в журналах, включенных в Перечень ВАК.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 - Физика конденсированного состояния (технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, приложения и списка цитируемой литературы, включающего 159 наименований. Диссертация включает 136 страниц, 63 рисунка, 18 таблиц.
