Введение к работе
Актуальность работы.
Фундаментальные и прикладные проблемы современного материаловедения по повышению эффективности производства, и повышению его технологического уровня определяются необходимостью создания комплекса высоких физико-механических свойств материалов в экстремальных физических условиях с высокими служебными характеристиками. Основными видами пластической деформации кристаллических тел являются скольжение и двойникование. Несмотря на то, что двойникование относится к основным видам деформирования кристаллов, в отличии от скольжения, данный вид пластической деформации изучен .недостаточно полно, в то же время экспериментальные результаты по изучению двойникования подтверждаются открытием все новых явлений. Деформирование металлов в условиях низких температур и больших скоростей нагружения часто приводит к хрупкому разрушению из-за того, что процессы пластической деформации не успевают реализоваться. Поэтому изучение кинетики пластической деформации двойникованием является актуальной задачей, как в научном, так и в прикладном плане.
В настоящее время внимание многих исследователей обращено на рассмотрение дислокационных механизмов при модификации физических свойств кристаллов. Это вызвано тем, что у подавляющего большинства материалов пластические свойства реализуются путем эволюции в них скоплений дислокаций. В то же время имеется ряд материалов, таких как, например, альфа-железо, кремнистое железо, цинк, бериллий, ил\д., пластическая деформация которых протекает путем реализации процесса двойникования. Недостаточное изучение данного вида деформации металлов не оправдано, так как сужается круг материалов, применяемых в производстве из-за отсутствия возможности программирования их физических свойств.
В большей степени процесс двойникования исследовался на стадии образования упругих двойников в ионных кристаллах. Имеются также экспериментальные данные, описывающие поведения единичных двойниковых прослоек в металлических кристаллах на стадии утолщения прослоек. Работ, же посвященных изучению двойникования,, на стадии развития остаточных двойников клиновидной формы недостаточно. Вместе с тем информация о данном процессе важна, так как развитие клиновидных двойников часто сопровождается хрупким разрушением материала. Практическая важность этого вопроса требовала поиска способов стимулирования процесса двойникования металла на начальных стадиях развития с целью предотвращения хрупкого разрушения материала.
Реализация двойникования осуществляется в случае ориентационного запрета для обычного дислокационного } С(ЗДЬЖрщ{| q даіЯЙГСЯ рри больших
БИБЛИОТЕКА I
J Ctlettjftrpr (.у \
5 рэ tooywry*. -
скоростях нагружения и при низких температурах. Источниками генерирования двойникующих дислокаций являются концентраторы напряжений. Развитие двойников осуществляется с большими скоростями и последующие деформационные процессы на границах двойников часто приводят к разрушению материала. В связи с этим намечается путь управление кинетикой контролируемого двойникования, для создания равномерной дислокационной структуры на границах двойников с целью снижения концентрации напряжений, что предоставляет реальную возможность использовать двойникование как резерв повышения пластичности материала. С другой стороны системы тонких двойников при последующей деформации будут создавать естественные препятствия для полных дислокаций, в связи с этим созданием в материале двойниковой структуры возможно эффективное упрочнение материала, что является самостоятельным способом и каналом упрочнения двойнихующихся металлов.
До настоящего времени подобная задача не ставилась из-за дефицита знаний основных закономерностей развития двойникования в металлах, включая деформирование металла с током и при других видах энергетических воздействий. Имеющиеся к настоящему времени работы, посвященные электропластическому эффекту, получены на материалах, пластическая деформация которых осуществляется скольжением. Для скольжения выявлены основные закономерности развития электропластической деформации, хотя механизм эффекта также до конца не изучен.
Влияние импульсов тока на двойникование металлических кристаллов, или для краткости электропластический эффект (ЭПЭ) при двойниковании было обнаружено автором в 1978 году в работе /Ї/. Это послужило определенным толчком в изучении электропластического эффекта при двойниковании, так как двойникование, как и скольжение, ответственно за реализацию пластической деформации металла. Важное научное и практическое значение имеет также исследование по изучению влияния ионной имплантации, легирования и электронного облучения на физико-механические свойства материалов, так как они во многом определяют эксплуатационные характеристики материалов. С практической точки зрения актуальными представляются исследования совместного влияния ионного облучения и электрического поля на деформационные процессы в металлах Известно, что указанные виды энергетических воздействий являются эффективными способами влияния на конденсированную систему металла, которые в определенных условиях улучшают и модифицируют ее физические характеристики.
Использование импульсов тока высокой плотности, электрических и магнитных полей, ионной имплантации позволили интенсифицировать
пластическую деформацию металлов, тем самым, предоставляя принципиальную возможность управления пластической деформацией двойникованием с помощью сил немеханической природы, влияя на условия и характер упрочнения материала посредством контролируемого двойникования
Для постановки таких исследований послужили работы И.А.Гиндина, И.МЛившица, В.И.Старцева, В.И.Трефилова, В.В.Пустовалова, В.И.Алыпица, Ю.А.Осипьяна, Ф.ФЛаврентьева, В.Я Кравченко, В.С.Боброва, В.Д.Нацика, показавшие зависимость физико-механических характеристик металлов, от их электронной структуры. Влияние электрического тока и электромагнитного поля на процесс пластической деформации металлов скольжением наиболее полно исследовано в работах О.АТроицкого, A.M. Рощупкина, Ю.В. Баранова, И.Л. Батаронова, В.Е Громова, А.А Клыпина, Н.Н. Беклемишева, Ю.И. Головина, Л.В. Зуева, К.М. Климова, K.Okazaki, М Kagawa, Н. Conrad и др.
К настоящему времени нет установившейся точки зрения на физическую природу явления электропластичности, хотя само по себе оно- уже нашло практическое применение. В связи с этим развитие новой области физики твердого тела и материаловедения на стыке между электронной теорией металлов, физикой прочности и пластичности перспективно как в научном, так и в прикладном плане.
Следует отметить, что в зависимости от характера протекания пластической деформации, двойникование может приводить как к увеличению пластичности материала, так и к хрупкому разрушению. Образование трещин разрушения часто связано с торможением развития двойников, которые зарождаются у препятствий. Такие трещины при низких температурах и при динамических нагрузках приводят как правило к хрупкому разрушению материала.
К настоящему времени практически отсутствуют способы упрочнения двоиникующихся материалов, что сдерживает практическое использование ряда перспективных металлов и сплавов на их основе. Следовательно, изыскание способов повышения пластичности и прочности двоиникующихся материалов представляет собой важную практическую задачу. Решение этой задачи осуществлялось по трем направлениям:
- увеличением пластичности двоиникующихся материалов за счет инициирования
и развития дополнительного двойникования под влиянием внешних
энергетических воздействий.
- снижением роли двойниковых границ, как концентраторов внутренних
напряжений в металле путем их сокращения, либо модификации
- созданием в ходе электропластической деформации двойниковой структуры,
способной упрочнять материал без снижения его пластичности.
Таким образом, в настоящей работе в отличии от практикуемых
известных структурных и механико-термических воздействий на кристаллическую решетку металла предложены новые пути управления двоиникованием с помощью немеханических сил - импульсов тока большой плотности, электрических и магнитных полей, а также ионной имплантации. Связь работы с крупными научными программами, темами Научные исследования проводились в рамках тем, входящих в планы важнейших научно-исследовательских работ в области естественных наук по республиканским комплексным программам «Материал 03», «Кристаллофизика», «Электропластическая деформация технически важных материалов» per..№ 19963351, «Исследование влияния энергетических воздействий на деформационные процессы в технически важных материалах» per. №19963352, «Исследование закономерностей влияния энергетических воздействий на деформационные процессы в технически важных материалах» рег..№ 19963364, «Исследование процессов пластической деформации монокристаллов висмута при одновременном воздействии импульсной механической нагрузки и импульсного электрического поля» per. №19973482, «Физические закономерности двоиникования монокристаллов висмута в условиях внешних энергетических воздействий» per. №19981386, «Исследование влияния внешних энергетических воздействий на взаимодействие скольжения: и двоиникования в облученных ионами кристаллах с ромбоэдрической структурой» per. №19991104, «Электропластическая деформация» стали» рег.№ 19994156, «Физические закономерности реализации двоиникования. и скольжения в ионно-имплантированных кристаллах» per. №20002795, «Исследование влияния внешних воздействий: электрических и магнитных полей, ионного облучения на процессы переноса и двойникование модифицированных полуметаллических материалов» рег.№20021181, а также в рамках хозяйственно-договорных тем с предприятиями Беларуси и России. Цель и основные задачи исследования
Целью настоящей работы является выяснение физических механизмов пластической деформации металлов двоиникованием в условиях внешних энергетических воздействий электрическими и магнитными ПОЛЯМИ, ионной имплантацией, электронным облучением, создание физических основ упрочнения двойникующихся материалов и технологических приемов на основе электропластической обработки металлов давлением, в сложных полевых условиях, в частности, в скрещенных полях.
Для достижения указанных основных целей ставились следующие частные задачи:
установление общих закономерностей стимулирования импульсами тока и другими энергетическими воздействиями процесса двоиникования металла на стадии развитой пластической деформации;
изучение кинетики двойникования в модифицированных кристаллах
висмута в условиях внешних энергетических воздействий;
выявление особенностей электропластической деформации
двойникованием в условиях приложения к образцам постоянного магнитного поля с одновременным возбуждением электронной подсистемы металла импульсами электрического тока
разработка способов контролируемого двойникования и управления пластической деформацией' металла двойникованием с помощью электромагнитных воздействий и ионной имплантации; разработка комбинированных воздействий на деформируемые металлы в скрещенных электромагнитных полях и создание на этой основе новых интенсивных технологий обработки металлов давлением (волочением, прокаткой, штамповкой, вытяжкой, правкой, гибкой, обтяжкой, а также плющением) Объекты и методы исследования.
Объектами исследования были выбраны: монокристаллы висмута как модельный материал для изучения процессов пластической деформации двойникованием, а также монокристаллы сурьмы, бериллия и технически важные материалы — сталь и медь для изучения процессов электропластической деформации металлов. Экспериментальные исследования проводились с использованием металлографических, рентгено-структурных и электронных методов. При этом использовались стандартные и оригинальные разработанные автором методики деформирования металла в условиях действия электромагнитных полей и последующих физико-механических исследований и испытаний.
В теоретических исследованиях применялись: классические теории пластичности, упругости и прочности металлов, а при анализе и обработке экспериментальных данных - методы математической статистики и компьютерная обработка результатов. Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в следующем: впервые экспериментально установлен и теоретически обоснован электропластический эффект (ЭПЭ) при двойниковании металлических кристаллов;
установлены количественные характеристики ЭПЭ при двойниковании и основные закономерности процесса двойникования в различных металлах в зависимости от параметров и условий энергетических воздействий; исследовано влияние структурных изменений в модифицированных металлах от легирования, ионной имплантации, внешнего облучения, температуры при электропластической деформации двойникованием;
обнаружены новые каналы реализации механического двойникования в
условиях внешнего энергетического воздействия;
впервые показана принципиальная возможность программированного
управления процессами пластической деформации металла
двойникованием;
предложен способ расчета полей напряжений у некогерентной
двойниковой границы и механизмы развития клиновидных двойников в
облученных ионами кристаллах висмута;
установлено влияние и предложен механизм изменения поверхностной
электронной плотности заряда образцов за счет Холловской поляризации
при действии скрещенных полей (F\ R) на процесс пластической
деформации металлов.
определена геометрия приложения скрещенных электромагнитных полей
по отношению к деформируемому металлу для интенсификации
технологических процессов обработки металлов давлением при прокатке,
волочении, штамповке и плющении в условиях сложных полевых
воздействий.
установлено, что одновременное наложение полей Е и В снижает плотность электромагнитной энергии для реализации электропластической деформации металлов.
Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждена многочисленными экспериментальными исследованиями автора, сопоставлением полученных научно-технических решений и их результатов с соответствующими данными других авторов, опубликованными в различных литературных источниках, а также с результатами испытаний в производственных условиях.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:
обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований
по ЭПЭ при двойниковании, что позволило сформулировать
технологические аспекты повышения пластичности и прочности
двойникующихся материалов под влиянием электромагнитных полей,
импульсного тока, ионной имплантации и создание на этой основе новых
интенсивных технологий обработки металлов давлением,
исследование влияния на процесс двойникования металлов в
сложнонапряженном состоянии, легирования и ионной имплантации, а также внешнего облучения и температуры позволили установить новые каналы технологического применения различных внешних энергетических воздействий на деформацию двойникующихся материалов;
разработан и запатентован способ повышения пластичности изделий при обработке металлов давлением в ортогональных электромагнитных полях, который позволил предложить новые интенсивные технологии повышения электропластичности металла в процессе электропластической прокатки, волочения, штамповки, и плющения металла, а также ультразвукового электропластического плющения наиболее трудно- деформированных металлов и сплавов;
предложенные технические решения, касающиеся электропластической деформации стали, внедрены на Мозырском заводе железобетонных изделий при электропластической деформации правкой арматурной стали, что приводит к улучшению служебных характеристик материала и возможности его применения в ответственных конструкциях, интенсификации технологического процесса;
проведены опытно-промышленные испытания и предложена технология многократного электропластического волочения медной проволоки на ПО «Беларуськабель», позволяющая- существенно улучшить физико-механические характеристики электротехнических изделий, в частности кабелей связи;
предложенные интенсивные электротехнологии и созданные на их основе промышленные установки обеспечивают широкий спектр изделий в металлообрабатывающей промышленности при обработке металлов давлением в сложных полевых условиях, что является важнейшей задачей современного машиностроения. Основные положения выносимые на защиту
-
Экспериментальные результаты и физические основы кинетики развития пластической деформации металла двойникованием в условиях действия электромагнитных полей, импульсного тока, ионной имплантации.
-
Интенсификация процесса двойникования металла в условиях возбуждения электронной структуры и решеточной подсистемы внешними энергетическими воздействиями.
-
Физические модели новых каналов реализации процесса пластификации метала и кинетики развития двойникования при:
взаимодействии винтовых двойникующих дислокаций с препятствием и
зарождении двойников на скоплениях двойникующих дислокаций;
возбуждения двойникования в области двойниковых границ и снижение
плотности двойникующих дислокаций на границах раздела механических
двойников;
ускорение процессов релаксации напряжений и снижение вероятности
хрупкого разрушения в области двойниковых границ.
4. Закономерности и механизмы интенсификации пластической деформации
металла двойникованием при одновременном действии постоянного
магнитного поля и импульсного электрического TOKa(LLfi).
Поляризационные характеристики поверхностного электрического заряда от холловской поляризации материала в скрещенных электромагнитных полях, облегчающего трансляцию двойникующих дислокаций и генерацию источников двойникующих дислокаций.
-
Механизм стимуляции электрическим током дислокационных процессов при двойниковании в ионно-имплантированных монокристаллах висмута.
-
Методы обработки металлов ионными пучками и импульсами электрического тока для получения материалов с заданными эксплуатационными характеристиками и способ повышения сопротивления двойникующего материала внешним нагрузкам в микрообъемах у концентраторов напряжений, (технологический аспект)
-
Технологии многократного электропластического волочения медной проволоки и правки арматурной стали в производственных условиях
-
Способы применения и геометрия приложения внешних полей для повышения пластичности материала при обработке металлов давлением в процессах прокатки, волочения, штамповки и ультразвукового электропластического плющения.
Личный вклад автора.
Содержание результатов исследований отражает личный вклад автора. Он заключается в постановке задач исследований, в непосредственном участии в проведении экспериментальных работ вместе с аспирантами и коллегами, в самостоятельном выполнении части экспериментальных и теоретических исследований, а также в анализе и интерпретации результатов.
Работа выполнена в основном в лаборатории физики твердого тела Мозырского государственного педагогического университета, а также в других научных центрах академии наук России и Беларуси.
Апробация работы
Основные материалы и положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
«Теор. и ядерная физика полупроводников» VI Респуб. конф. молодых ученых по физ.,- Мн.: БГУ, 1980, Респуб. конф. молодых ученых по физике - Мн:. БГУ, 1984.,Третья Всесоюзная конференция по физике пластичности и прочности.-Харьков: ФТИ АН Украины, 1984, «Пластическая деформация сплавов и порошковых материалов». .- Томск: 11 У, 1985, «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов». Всесоюз. конф..-Юрмала: ИФ АН Лат ССР, 1987, «Современные методы обработки и повышения долговечности деталей машин».. Новополоцк: НПИ, 1989 , «Достижения науки и техники в области ресурсосбережения». СССР. Междунар. конф. ГГУ, 1989,
«Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». II
Всесоюзной конф. - Юрмала: ИФ АН Лат ССР, 1990,, «Пластическая деформация
материалов в условиях внешних энергетических воздействий» II Всесоюзный
семинар. - Новокузнецк: Сиб.Мет.Ин 1991, «Электрический разряд в жидкости и
его применение в промышленности». Всесоюзная конф. - Николаев: Имаш АН
России, 1992., «Структура и прочность материалов в широком диапазоне
температур»: Всесоюзная конф- Воронеж: ВГУ, 1992, «Физика и технология
электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства
кристаллов»: школа-семинар. - Воронеж: ВГУ, 1992., «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» междунар. конф.-Николаев: ИМаш АН России 1993., «Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин» Республ. научно-технич. конф.- Новополоцк: НПИ, 1993 г., «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». Ш Междун. конф..- Воронеж: ВГУ, 1994., «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». Междунар. конф.- Воронеж: ВГУ, 1996, «Структурные основы модификаций материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-VI)», Обнинск: ИАТЭ, 2001, Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materialow і Konstrukcji, Avgustov, 2001, «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах». — Барнаул, 2001, «Действие электрических полей и магнитных полей на объекты и материалы», М.:Имаш РАН им. АА. Благонравова - 2002, . The second international conference «Materials and covers in extreme conditions: researches, application, non-polluting "know-how" and salvaging of items», Kiev - 2002, Международная конференция «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», ВГУ, Воронеж, 2003, Международная конференция "Действие электромагнитных полей и тока на материалы" ИМаш им. А.А Благонравова РАН, Москва 2003г.
Публикации
По материалам исследования опубликовано более 80 научных трудов, в том числе монографии, 45 статей в научных журналах, 4 отчета о НИР, 32 тезисов докладов на конференциях, получено авторское свидетельство и патент на изобретение.
