Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока
Приведены результаты исследований влияния импульсного электрического тока на релаксацию напряжений, циклическую долговечность, восстановление пластичности в металлических материалах. Предложена феноменологическая модель поведения материалов при релаксации напряжений под действием электрического т...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2002 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2002
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46802 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока / Г.В. Степанов, А.И. Бабуцкий // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 141-148. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859518924874317824 |
|---|---|
| author | Степанов, Г.В. Бабуцкий, А.И. |
| author_facet | Степанов, Г.В. Бабуцкий, А.И. |
| citation_txt | Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока / Г.В. Степанов, А.И. Бабуцкий // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 141-148. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Приведены результаты исследований влияния импульсного электрического тока на релаксацию
напряжений, циклическую долговечность, восстановление пластичности в металлических
материалах. Предложена феноменологическая модель поведения материалов при
релаксации напряжений под действием электрического тока.
Наведено результати досліджень впливу імпульсного електричного струму
на релаксацію напружень, циклічну довговічність, відновлення пластичності
у металевих матеріалах. Запропоновано феноменологічну модель поведінки
матеріалів при релаксації напружень під дією електричного струму.
We present results of investigation of pulse electric current effect on stress relaxation, cyclic durability, and recovery of plasticity in metallic materials. A phenomenological model of the material behavior during strain relaxation under the action of electric flow is proposed.
|
| first_indexed | 2025-11-25T20:53:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 620.172.24
И зм енение м ехани ческ и х хар ак тер и сти к м еталлических
материалов под действием импульсного электрического тока
Г. В. Степанов, А. И. Бабуцкий
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Приведены результаты исследований влияния импульсного электрического тока на релакса
цию напряжений, циклическую долговечность, восстановление пластичности в металли
ческих материалах. Предложена феноменологическая модель поведения материалов при
релаксации напряжений под действием электрического тока.
Ключевые слова: релаксация напряжений, циклическая долговечность, вос
становление пластичности, импульсный электрический ток.
Введение. Использование пластифицирующего действия импульсного
электрического тока в современных технологических процессах обработки
материалов и деталей машин представляется весьма перспективным. Науч
ные основы такого воздействия разработаны недостаточно. Одни авторы
полагают, что основным фактором, влияющим на пластическую деформа
цию материалов под действием электрического тока, является термический
эффект. При этом рассматривается как интегральный джоулевый разогрев,
так и локальный разогрев в области микродефектов и различных неоднород
ностей структуры материала. Другие считают, что в основе указанного
процесса лежит электронно-дислокационное взаимодействие: электрический
ток увеличивает скорость движущихся дислокаций, помогая им преодоле
вать препятствия в плоскостях скольжения.
Анализ исследований поведения ряда металлов и сплавов в условиях
действия электрического тока показал, что сопротивление материалов де
формации снижается с ростом плотности тока, при этом деформация, стиму
лированная импульсом электрического тока, больше деформации, вызванной
эквивалентным нагревом. В данной работе обобщены результаты исследо
ваний авторов, выполненные в этом направлении.
Влияние импульсного тока на релаксацию напряжений. Процесс
релаксации напряжений исследовали на образцах из пружинной стали [1]. В
качестве исследуемого материала выбрана проволока диаметром 3 мм, сви
тая в виде кольца (один виток цилиндрической пружины) с наружным
диаметром 30 мм. Для пропускания постоянного электрического тока обра
зец подсоединяли к выходу выпрямителя, испытания проводили при значе
ниях тока 100 А. Импульсный электрический ток генерировали с исполь
зованием установки, схема которой представлена на рис. 1, при этом в
процессе разряда регистрировали импульсный электрический ток, пропуска
емый через образец.
Для регистрации кинетики нагрева и охлаждения образца применяли
хромель-алюмелевую термопару и электрический потенциометр, с помощью
которого определяли прирост температуры образца ДГ, вызванный тепло
© Г. В. СТЕПАНОВ, А. И. БАБУЦКИЙ, 2002
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 3 141
Г. В. Степанов, Л. И. Бабуцкий
вым действием электрического тока. Чтобы создать в образце напряжения,
релаксирующие при пропускании тока, разрезанное кольцо с разведенными
в исходном состоянии концами на величину И закрепляли в струбцине
(рис. 2). В результате образец приобретал осадку Л = И - й, где й -
диаметр проволоки. При таком защемлении образец испытывает одно
временно кручение, сдвиг и изгиб (превалируют сдвиговые напряжения,
вызванные кручением).
Рис. 1. С хем а установки для генерации импульсного тока: 1 - источник вы сокого напря
жения; 2 - осциллограф; С - батарея конденсаторов; В - разрядник; V - вольтметр; КБ - пояс
Роговского; 5 - образец; К - балластное сопротивление.
Рис. 2. С хем а закрепления образца при пропускании тока: 1 - струбцина; 2 - изоляция; 3
образец; 4 - подводящ ая шина.
Степень релаксации напряжений в образце оценивали исходя из изме-
*рений величины Н в исходном состоянии и Н в состоянии после одно
кратного воздействия электрическим током. В этом случае эффективность
воздействия можно установить из соотношения
5 = ер/е0 = [Н - й - (Н* - й)]/(Н - й) = (Н - Н*)/Л.
Для изучения действия электрического тока на материал обработали
серию образцов путем однократного пропускания импульса тока, изменяя от
образца к образцу уровень запасаемой в батарее конденсаторов энергии и
регистрируя кинетику нагрева каждого образца. В другой серии через обра
зец пропускали постоянный ток с различной длительностью. Результаты
142 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
Изменение механических характеристик
действия электрического тока на образцы показаны на рис. 3. При различ
ных режимах обработки образцы нагревались за разные промежутки вре
мени: десятки секунд - при постоянном токе и миллисекунды (длительность
разряда) - при импульсном токе. Твердость образцов, нагретых до одной
температуры, вне зависимости от режимов обработки практически совпадала.
Рис. 3. Релаксация напряж ений (а) и твердость (б) в зависим ости от тем пературы нагрева: 1 -
постоянны й ток 100 А; 2 - им пульсный ток (до 200 кА).
Проанализируем процессы релаксации в металлическом материале под
действием электрического тока [2].
Действие тока на металл связано с повышением энергии колебаний
узлов кристаллической решетки вследствие взаимодействия с ними потока
электронов. Скорость дрейфа электронов определяется напряженностью
электрического поля. При этом средний импульс, действующий на узлы
решетки (по направлению дрейфа электронов), в результате их упругого
взаимодействия определяется следующим образом:
1е = те¥е = еЕге,
где те и е - масса и заряд электрона; ге - время свободного пробега
электрона между последовательными столкновениями; Е = г/Я - напряжен
ность электрического поля; г - плотность электрического тока; Я - прово
димость; ¥е - средняя скорость дрейфа электронов.
Общий импульс за время г составляет
I _ = ( Пе1е/1е )г = ( те¥епе/1е )г,
где пе - объемная плотность свободных электронов в металле.
Этот импульс уравновешивается противоположно направленным им
пульсом сил электрического поля на положительные ионы в узлах решетки:
I + = I _ = еЕп+г,
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 143
Г. В. Степанов, Л. И. Бабуцкий
что обеспечивает отсутствие движения проводника при пропускании по
нему тока (п+ - объемная плотность ионов в металле).
Можно показать [2], что повышение энергии поляризованных коле
баний дислокационного участка (в пределах активируемого объема) влияет
на скорость перемещения дислокации, что может быть сопоставлено с
изменением эффективного сопротивления кристаллической решетки при
пропускании тока на до в,
и = и о — у [о — (о, + до е)],или
и = и о — 12/( Ху ) — у[о — о, ],
т.е.
до е = — ̂ 2/( Хуу (1)
где и о - высота потенциального барьера у точки закрепления при нулевом уровне внешней нагрузки; у - структурный параметр; о3 - эффективное
сопротивление решетки; V - частота колебаний узла решетки (или группы
узлов, например дислокационной линии между точками закрепления).
В соответствии с моделью термоактивируемого движения дислокаций
[3] имеем
в = (х —х 8)/л; 1/ л = 2уЬЬу/( скТ)ехр(и 0/кТ), (2)
где л - коэффициент вязкости; Ь - вектор Бюргерса; Ь - плотность дисло
каций; с - концентрация точек закрепления на пути движения дислокации;
к - постоянная Больцмана; Т - температура; х и х 3 - уровень действующих
напряжений и сопротивление кристаллической решетки.
Поскольку пропускание электрического тока вызывает нагрев и, следо
вательно, уменьшение величины х з, уравнение течения (2) может быть
представлено в виде
ер = [х — х 3(Т) + 12/( ХуУ)]/л. (3)
Общий уровень деформаций при релаксации напряжений поддержива
ется без изменений, изменяется только соотношение между упругой и плас
тической компонентами деформации:
во = х/0 + ер = хо/О , (4)
где х о - исходный (до релаксации) уровень сдвиговых напряжений; О -
упругий модуль сдвига; вр - пластическая деформация.
Интегрируя уравнение течения (3) по времени с учетом (4), можно
получить
Я = вр/во = Овр/х о = [1— ехр(- °?р/л)][(1— х з/х о) + 12/( Хух о)] +
+ [1 — ехр(— О( г— гр /л)](х / / х о — х,/х о); (5)
х// х о = [1 — ехр(— Огр/ л)][1 — х х о + 12/( Хух о)],
144 ТЯЯМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
Изменение механических характеристик
где - длительность импульса тока; г ̂ - окончательный (после релакса
ции) уровень сдвиговых напряжений. Приняв ряд допущений [2], уравнение
(5) можно упростить:
5 = ер Iе0 = вер/г 0 = [1 - ехР(- Ыр/Р )][(1 - г з /г 0 ) + а1 Vг 0 ]
и, пользуясь экспериментальными данными для базовых точек, определить
значения входящих в него параметров: Б/р = 5,6-10- 2 с; гз/г0 = 0,88;
а/г0 = 1,8-10—5 Ом/м. Отметим, что вязкость р при этом составляет
121,4-10 Па - с, что не противоречит известным данным.
Рост пластической деформации во времени при релаксации может быть
представлен в виде зависимостей, показанных на рис. 4. Релаксация напря
жений с повышением температуры Т и Т2 (Т < Т2) сопровождается
увеличением неупругой составляющей деформации, более быстрым для
более высокой температуры (кривые 1 и 2). Наложение электрического поля
приводит к росту скорости релаксации напряжений в течение периода дейст
вия тока, причем с повышением плотности тока (при том же повышении
температуры вследствие теплового эффекта действия тока, т.е. Т2 = Т3 =
= Т4) скорость релаксации после прекращения действия тока снижается
(кривые 3 и 4 соответствуют импульсу тока 13 и 14,14 > 13 ).
4 3 2
Рис. 4. Зависимость степени релаксации напряж ений (роста пластической составляю щ ей
деформ ации) от времени.
Приведенный анализ показывает, что влияние импульсного электри
ческого тока на процесс релаксации значительно превышает тепловой эф
фект тока, вызывающий снижение сопротивления решетки и пластическое
течение после окончания действия импульса тока.
Влияние импульсного электрического тока на циклическую долго
вечность образца с концентратором. Эксперименты выполняли на плос
ких стальных образцов из стали Ст. 3 толщиной 2,5 мм и шириной 30 мм с
концентратором (отверстие диаметром 6 мм у края образца) в условиях
симметричного консольного изгиба [4].
Механическое нагружение осуществлялось отклонением конца рычага,
жестко связанного с образцом. В силу однозначного соответствия между
отклонением I конца рычага и уровнем напряжений у поверхности кон
центратора (места зарождения усталостной трещины) представим экспери
ментальные данные в координатах I — Ы, где N - число циклов нагружения.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 145
Г. В. Степанов, Л. И. Бабуцкий
В экспериментах зарождение усталостной трещины и ее распростра
нение в направлении, перпендикулярном оси образца, наблюдали с помо
щью микроскопа. Поскольку момент зарождения трещины не мог быть
зафиксирован с достаточной точностью, в качестве характеристики долго
вечности принимали число циклов до момента, соответствующего подраста
нию трещины до заданной длины - 1,0 мм.
Импульс тока через образец пропускали, когда он был в свободном
(ненагруженном) состоянии, амплитуда тока 35 кА была одинакова во всех
случаях.
Результаты экспериментов, приведенные на рис. 5, свидетельствуют о
возможности стабилизирующего действия импульсного электрического тока
на механические характеристики металлических материалов.
1, мм
Рис. 5. Зависимость циклической долговечности образца от величины отклонения рычага: 1 -
без электрического тока; 2 - при наличии тока.
Изменение пластичности деформационно упрочненной стали под
действием импульса электрического тока. В экспериментах [5] исполь
зовали образцы (рис. 6,а), изготовленные из стали Ст. 3 в состоянии по
ставки. Предварительное деформационное упрочнение достигали путем ста
тического сжатия рабочей части образца между плоскими наковальнями,
при этом его толщина уменьшалась на 15%, ширина и длина рабочей части
увеличивались на 12...13% и 4...5% соответственно.
Импульс электрического тока с амплитудой 125 кА пропускали через
предварительно упрочненный образец.
Термический эффект импульсного тока оценивали по повышению тем
пературы рабочей части образца, которое согласно результатам регистрации
достигало 340оС.
Влияние двухкратного пропускания импульса тока на характеристики
пластичности материала определяли по данным испытаний на статическое
растяжение образцов. Поскольку значения относительной деформации по
длине рабочей части образца после его разрушения распределяются нерав
номерно, в качестве характеристик пластичности принимали изменение
поперечного сечения образца в области разрушения и на различном удале
нии от нее. Деформации по толщине и ширине в рабочей части образца не
совпадают, поэтому для анализа использовали отношения изменений тол
щины или ширины рабочей части образца к их первоначальным значениям.
Результаты испытаний нескольких серий образцов приведены на рис. 6.
146 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
Изменение механических характеристик
<5 а , д ь , %
Рис. 6. С хем а образца (а) и зависим ости относительного ум еньш ения его толщ ины (сплош
ные линии) и ш ирины (ш триховы е линии) от расстояния до м еста разруш ения (б): 1 -
исходны й материал; 2 - деф орм ационно упрочненны й; 3 - деформ ационно упрочненны й
после пропускания импульсного электрического тока; 4 - деф орм ационно упрочненны й
после нагрева в печи.
Заметим, что растяжение образцов из исходного материала (без упроч
нения) и таких же образцов, но после пропускания импульсного тока харак
теризуется идентичным распределением деформации вдоль оси образца, т.е.
электрический ток не изменяет состояние исходного материала (данные на
рис. 6 не приведены).
Возможное влияние теплового эффекта пропускания тока на пластич
ность упрочненного материала определяли путем испытания образцов, под
вергнутых после деформационного упрочнения нагреву в печи до темпе
ратуры выше комнатной на 340оС (соответствует максимальному повыше
нию температуры при пропускании электрического тока). Такая термическая
обработка не вызвала заметного изменения в распределении деформаций по
образцу в сравнении с деформационно упрочненными образцами без терми
ческой обработки. При пропускании тока действие повышенной темпера
туры более кратковременно, следовательно, влияние термического эффекта
от импульса тока на свойства деформационно упрочненного материала мож
но считать пренебрежимо малым.
Обработка импульсами тока упрочненного образца привела к росту
деформаций, вызванных его растяжением до разрушения. После такой обра
ботки значения относительных деформаций по толщине и ширине не совпа
дают, что свидетельствует о возникновении анизотропии свойств, незамет
ной в упрочненном образце. Следует отметить, что влияние импульса тока
на деформации в области разрушения меньше, чем на удалении от нее.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 147
Г. В. Степанов, Л. И. Бабуцкий
Из экспериментов видно, что воздействие импульсов тока высокой
плотности приводит к частичному восстановлению пластичности материала,
пониженной в результате предыдущего деформационного упрочнения; вос
становление пластичности деформационно упрочненного материала не свя
зано с повышением усредненной температуры рабочей части образца, вы
званным пропусканием тока.
Заключение. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о
существенном влиянии импульсного электрического тока на механические
характеристики металлических материалов, в частности, на релаксацию
напряжений и восстановление пластичности. При этом такое влияние в
большей степени связано не с термическим действием электрического тока,
а с прямым его воздействием на дислокационную структуру материалов.
Р е з ю м е
Наведено результати досліджень впливу імпульсного електричного струму
на релаксацію напружень, циклічну довговічність, відновлення пластичності
у металевих матеріалах. Запропоновано феноменологічну модель поведінки
матеріалів при релаксації напружень під дією електричного струму.
1. С т е п а н о в Г . В ., Б а б у ц к и й Л. И . Релаксация напряжений в стали при
пропускании электрического тока большой плотности // Пробл. проч
ности. - 1993. - № 9. - С. 89 - 91.
2. С т е п а н о в Г . В., Б а б у ц к и й Л. И . Воздействие электрического тока на
релаксацию напряжений в металле // Там же. - 1996. - № 2. - С. 68 - 72.
3. С т е п а н о в Г . В . Упруго-пластическое деформирование и разрушение
материалов при импульсном нагружении. - Киев: Наук. думка, 1991. -
288 с.
4. С т е п а н о в Г . В., Б а б у ц к и й Л. И . Влияние импульсного тока высокой
плотности на усталостную долговечность стального образца с концент
ратором // Пробл. прочности. - 1995. - № 5-6. - С. 74 - 78.
5. С т е п а н о в Г . В., Б а б у ц к и й Л. И., Б о л в а н о ви ч С. Н . Изменение пластич
ности деформационно-упрочненной стали при пропускании электри
ческого тока высокой плотности // Там же. - С. 132 - 135.
П оступила 14. 11. 2001
148 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46802 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-25T20:53:05Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Степанов, Г.В. Бабуцкий, А.И. 2013-07-06T19:34:56Z 2013-07-06T19:34:56Z 2002 Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока / Г.В. Степанов, А.И. Бабуцкий // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 141-148. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46802 620.172.24 Приведены результаты исследований влияния импульсного электрического тока на релаксацию напряжений, циклическую долговечность, восстановление пластичности в металлических материалах. Предложена феноменологическая модель поведения материалов при релаксации напряжений под действием электрического тока. Наведено результати досліджень впливу імпульсного електричного струму на релаксацію напружень, циклічну довговічність, відновлення пластичності у металевих матеріалах. Запропоновано феноменологічну модель поведінки матеріалів при релаксації напружень під дією електричного струму. We present results of investigation of pulse electric current effect on stress relaxation, cyclic durability, and recovery of plasticity in metallic materials. A phenomenological model of the material behavior during strain relaxation under the action of electric flow is proposed. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока Pulse Electric Current Effect on Mechanical Characteristics of Metallic Materials Article published earlier |
| spellingShingle | Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока Степанов, Г.В. Бабуцкий, А.И. Научно-технический раздел |
| title | Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока |
| title_alt | Pulse Electric Current Effect on Mechanical Characteristics of Metallic Materials |
| title_full | Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока |
| title_fullStr | Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока |
| title_full_unstemmed | Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока |
| title_short | Изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока |
| title_sort | изменение механических характеристик металлических материалов под действием импульсного электрического тока |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46802 |
| work_keys_str_mv | AT stepanovgv izmeneniemehaničeskihharakteristikmetalličeskihmaterialovpoddeistviemimpulʹsnogoélektričeskogotoka AT babuckiiai izmeneniemehaničeskihharakteristikmetalličeskihmaterialovpoddeistviemimpulʹsnogoélektričeskogotoka AT stepanovgv pulseelectriccurrenteffectonmechanicalcharacteristicsofmetallicmaterials AT babuckiiai pulseelectriccurrenteffectonmechanicalcharacteristicsofmetallicmaterials |