Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях
При давлениях 5 - 50 ГПа изучены барические зависимости термоэдс и релаксационные процессы, сопровождающие структурные изменения в чистых металлах (железо, платина и свинец). Показано, что при обработке давлением происходят изменения термоэдс с характерным временем до 1000 с. При тиску 5–50 GPa вивч...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69143 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях / О.В. Савина, А.Н. Бабушкин, И.В. Суханов, Г.В. Суханова // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 1. — С. 55-62. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69143 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Савина, О.В. Бабушкин, А.Н. Суханов, И.В. Суханова, Г.В. 2014-10-06T18:09:06Z 2014-10-06T18:09:06Z 2009 Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях / О.В. Савина, А.Н. Бабушкин, И.В. Суханов, Г.В. Суханова // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 1. — С. 55-62. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 07.35.+k, 68.18.Jk, 73.50.Lw https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69143 При давлениях 5 - 50 ГПа изучены барические зависимости термоэдс и релаксационные процессы, сопровождающие структурные изменения в чистых металлах (железо, платина и свинец). Показано, что при обработке давлением происходят изменения термоэдс с характерным временем до 1000 с. При тиску 5–50 GPa вивчено баричні залежності термоедс і релаксаційні процеси, які супроводжують структурні зміни в чистих металах (залізо, платина і свинець). Показано, що при обробці тиском відбуваються зміни термоедс з характерним часом до 1000 s. Baric dependences of thermoemf and relaxation processes accompanying structural changes in pure metals (iron, platinum and lead) have been studied at pressures of 5–50 GPa. It is shown that under pressure treatment the thermoemf changes typically within the time to 1000 s. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях Термоелектричні властивості чистих металів при високих пластичних деформаціях Thermoelectric properties of pure metals under high plastic deformations Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях |
| spellingShingle |
Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях Савина, О.В. Бабушкин, А.Н. Суханов, И.В. Суханова, Г.В. |
| title_short |
Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях |
| title_full |
Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях |
| title_fullStr |
Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях |
| title_full_unstemmed |
Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях |
| title_sort |
термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях |
| author |
Савина, О.В. Бабушкин, А.Н. Суханов, И.В. Суханова, Г.В. |
| author_facet |
Савина, О.В. Бабушкин, А.Н. Суханов, И.В. Суханова, Г.В. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Термоелектричні властивості чистих металів при високих пластичних деформаціях Thermoelectric properties of pure metals under high plastic deformations |
| description |
При давлениях 5 - 50 ГПа изучены барические зависимости термоэдс и релаксационные процессы, сопровождающие структурные изменения в чистых металлах (железо, платина и свинец). Показано, что при обработке давлением происходят изменения термоэдс с характерным временем до 1000 с.
При тиску 5–50 GPa вивчено баричні залежності термоедс і релаксаційні процеси, які супроводжують структурні зміни в чистих металах (залізо, платина і свинець). Показано, що при обробці тиском відбуваються зміни термоедс з характерним часом до 1000 s.
Baric dependences of thermoemf and relaxation processes accompanying structural changes in pure metals (iron, platinum and lead) have been studied at pressures of 5–50 GPa. It is shown that under pressure treatment the thermoemf changes typically within the time to 1000 s.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69143 |
| citation_txt |
Термоэлектрические свойства чистых металлов при высоких пластических деформациях / О.В. Савина, А.Н. Бабушкин, И.В. Суханов, Г.В. Суханова // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 1. — С. 55-62. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT savinaov termoélektričeskiesvoistvačistyhmetallovprivysokihplastičeskihdeformaciâh AT babuškinan termoélektričeskiesvoistvačistyhmetallovprivysokihplastičeskihdeformaciâh AT suhanoviv termoélektričeskiesvoistvačistyhmetallovprivysokihplastičeskihdeformaciâh AT suhanovagv termoélektričeskiesvoistvačistyhmetallovprivysokihplastičeskihdeformaciâh AT savinaov termoelektričnívlastivostíčistihmetalívprivisokihplastičnihdeformacíâh AT babuškinan termoelektričnívlastivostíčistihmetalívprivisokihplastičnihdeformacíâh AT suhanoviv termoelektričnívlastivostíčistihmetalívprivisokihplastičnihdeformacíâh AT suhanovagv termoelektričnívlastivostíčistihmetalívprivisokihplastičnihdeformacíâh AT savinaov thermoelectricpropertiesofpuremetalsunderhighplasticdeformations AT babuškinan thermoelectricpropertiesofpuremetalsunderhighplasticdeformations AT suhanoviv thermoelectricpropertiesofpuremetalsunderhighplasticdeformations AT suhanovagv thermoelectricpropertiesofpuremetalsunderhighplasticdeformations |
| first_indexed |
2025-11-25T11:40:14Z |
| last_indexed |
2025-11-25T11:40:14Z |
| _version_ |
1850511572962639872 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
55
PACS: 07.35.+k, 68.18.Jk, 73.50.Lw
О.В. Савина, А.Н. Бабушкин, И.В. Суханов, Г.В. Суханова
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ
ПРИ ВЫСОКИХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЯХ
Уральский государственный университет им. А.М. Горького
пр. Ленина, 51, г. Екатеринбург, 620083, Россия
При давлениях 5–50 GPa изучены барические зависимости термоэдс и релаксаци-
онные процессы, сопровождающие структурные изменения в чистых металлах
(железо, платина и свинец). Показано, что при обработке давлением происходят
изменения термоэдс с характерным временем до 1000 s.
Введение
Цель работы – исследование влияния высоких давлений на формирование
метастабильных состояний непосредственно в процессе высоких пластиче-
ских деформаций на примере платины, железа и свинца.
Для повышения механических свойств металлов их термически или ме-
ханически упрочняют, т.е. изменяют микроструктуру. Возникающие струк-
туры метастабильны, со временем стремятся к равновесному состоянию, и
металл теряет свои прочностные характеристики. Чем больше различие ме-
жду метастабильным и равновесным состояниями, тем заметнее со време-
нем будет изменение свойств металла.
Известно, что 10–20% энергии, затрачиваемой на деформацию, идет
на увеличение внутренней энергии дефектов кристаллической решетки.
Совмещение пластической деформации и фазовых (структурных) пре-
вращений или их сочетание в определенной последовательности вызы-
вают повышение плотности дислокаций, изменяют наличие вакансий и
дефектов упаковки и могут быть использованы для создания оптималь-
ной структуры металла и формирования важнейших свойств – прочно-
сти и вязкости.
Термоэдс является структурно-чувствительной характеристикой метал-
лов. Исследование ее непосредственно в процессе высоких пластических
деформаций позволяет выявить изменение микроструктуры, формирование
метастабильного состояния и кинетику этого процесса.
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
56
Методика эксперимента
Для создания высоких давлений использована камера высокого давления
с синтетическими поликристаллическими алмазами типа «карбонадо», по-
зволяющая исследовать электрические характеристики образцов непосред-
ственно в процессе воздействия сверхвысоких давлений [1]. Установка по-
зволяет одновременно регистрировать создаваемое усилие, температуры на-
ковален и электрический сигнал от образца.
В качестве образцов использованы фольги платины, железа и свинца (тол-
щина исходного материала около 0.1 mm). После обработки давлением область,
подверженная сжатию, имеет диаметр 0.2 mm и толщину около 20 μm. При
первоначальных исследованиях было обнаружено необратимое изменение тер-
моэдс железа и свинца после обработки давлением. Поэтому измерения термо-
эдс проводили двумя способами неоднократно на разных образцах. В одной
точке можно осуществлять несколько измерений с повышением давления. Из-
мерив термоэдс при P ~ 0, увеличивали давление до некоторого значения и
вновь измеряли термоэдс. Затем снижали нагрузку до P ~ 0 и снова измеряли
термоэдс. Предельные значения давления для каждого цикла последовательно
увеличивали (или снижали) на 0.5–2 GPa. При каждом шаге снимали зависи-
мость термоэдс до установления постоянного значения (рис. 1, кривая 1).
Для изучения зависимости термоэдс от времени измерения проводили сле-
дующим образом. Установив некоторое значение давления, измеряли зависи-
мость термоэдс от времени. Далее уменьшали давление до ∼ 0 и вновь измеря-
ли термоэдс. Затем снова увеличивали давление до величины большей, чем в
предыдущем случае, вновь уменьшали до 0 и проводили те же измерения тер-
моэдс от времени. И так до значения давления ~ 50 GPa. Затем проводили ана-
логичные измерения, уменьшая давление с тем же шагом, что и при повыше-
нии нагрузки (рис. 1, кривая 2).
Зависимость термоэдс от времени (рис. 2) описывается экспоненциальной
функцией (коэффициент корреляции ~ 0.95) вида:
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
10
20
30
40
P,
a
rb
. u
ni
ts
Number of experiment
0 50 100 150
0
10
20
30
40
50
V
ar
ia
tio
n
of
te
rm
oe
m
f,
%
t, s
34.2 GPa
~ 023.5 GPa
~ 0
Рис. 1. Методы измерения: 1 – –■–, 2 – –●–
Рис. 2. Зависимость термоэдс от времени при снижении давления
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
57
S = S(P) + Aexp(–t/t1), (1)
где t1 – время релаксации, А – коэффициент, показывающий вклад вариатив-
ной части термоэдс при фиксированном давлении.
Полученные результаты и их обсуждение
Платина. Выбор материала обусловлен тем, что платина и сплавы на ее
основе сохраняют высокую пластичность в широком диапазоне давлений,
температур и деформаций.
При повышении нагрузки термоэдс платины монотонно возрастает, при
снижении – уменьшается. Имеется небольшой гистерезис при вводе-выводе
давления (рис. 3), который не связан с выдержкой под давлением, так как
время выдержки было заведомо больше времени релаксации термоэдс. Гис-
терезис связан с предысторией нагружения образца. Величина гистерезиса
не постоянна и изменяется с повышением предельной нагрузки. Время ре-
лаксации термоэдс практически не меняется с увеличением давления и со-
ставляет ~ 20 s.
Железо. Изучению фазового состава железа при статических давлениях и
ударных нагрузках посвящено значительное число работ [2–12]. В прове-
денных исследованиях величины давления переходов различны, что объяс-
няется степенью чистоты материала и методическими особенностями на-
гружения.
Например, начало прямого α–ε-превращения по разным данным наблю-
дается при давлениях от 8 до 15 GPa, а общепринятым для перехода счита-
ется давление в диапазоне 11–11.5 GPa [13]. Кроме того, имеются сведения о
существовании дополнительных фаз высокого давления в железе [3,4]. В бо-
лее поздних работах дополнительных фаз высокого давления не обнаружено
[7,8]. Это противоречие экспериментальных данных оставляет открытым
вопрос о существовании дополнительных фаз высокого давления. В связи с
этим изучение фазовых превращений в железе новыми экспериментальными
методами и получение какой-либо новой информации о физических свойст-
вах различных фаз представляет большой интерес.
В результате исследований обнаружено, что термоэдс армко-железа зави-
сит от приложенного давления, причем в разных барических интервалах зави-
симости термоэдс существенно различаются. На рис. 4 представлены бариче-
ские зависимости термоэдс и электросопротивления [14]. Выявлено три об-
ласти с различным поведением термоэдс. Первая (давления до 12 GPa) соот-
ветствует области стабильности ОЦК α-фазы железа; вторая (12–20 GPa) – α–
ε-переходу и характеризуется незначительным изменением термоэдс при
увеличении давления по сравнению с первой областью; третья (20–35 GPa)
соответствует ГПУ ε-фазе железа. Такое поведение термоэдс хорошо соот-
ветствует данным по барической зависимости сопротивления армко-железа
при ударном нагружении [14].
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
58
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1.0
1.5
2.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
ε-phaseα−εα-phase
R/
R 0
S/
S 0
P, GPa
Рис. 3. Барические зави-
симости термоэдс пла-
тины: а – Pmax = 12.6 GPa,
б – 20, в – 23.5, г – 27, д –
31.5, е – 34.6, ж – 40, з –
47
Рис. 4. Барические зависимости
термоэдс и электросопротивле-
ния [14] армко-железа в относи-
тельных единицах (S0 – термо-
эдс при атмосферном давлении)
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
59
Анализ барических зависимостей коэффициента A из формулы (1) дает
дополнительную информацию о величине вклада нестабильных дефектов в
термоэдс, т.е. дефектов, время жизни которых сравнимо со временем релак-
сации термоэдс. На рис. 5 можно выделить области «равновесного» состоя-
ния и резкие скачки перехода при вводе давления. Если предположить, что
определенному времени релаксации соответствует преимущественно один
тип дефектов, то величина коэффициента A соответствует количеству де-
фектов данного типа. Можно предположить, что при определенных давле-
ниях скачкообразно изменяется количество дефектов. В железе происходит
постепенное накопление дефектов, которое заканчивается резким сбросом с
переходом к «стационарному» состоянию (●). При выводе давления наблю-
дается гладкая кривая, т.к. дефекты закреплены более высоким давлением.
Поведение коэффициента A коррелирует с графиком немонотонного дефор-
мационного поведения (рис. 6) на сверхвысоких уровнях пластической де-
формации с некоторым деформационным периодом Δε >> δε [15].
0 10 20 30 40 50
–3.5
–3.0
–2.5
–2.0
–1.5
–1.0
–0.5
0
A,
μ
V
/K
P, GPa
ε-phaseα−εα-phase
Рис. 5. Барическая зависимость вариативной части термоэдс при повышении (■) и
снижении (●) давления
Рис. 6. Основные типы деформационных кривых при высоких степенях деформации для
материалов с пределами текучести σ1 > σ2 > σ3 при температурах T2 > T1 ≈ 300 K [15]
Барическая зависимость времени релаксации коррелирует с особенностя-
ми коэффициента A при повышении давления (рис. 7). При давлении выше
35 GPa время релаксации при выводе давления больше, чем при вводе давле-
ния, т.е. время существования данного состояния превышает время его уста-
новления, что свидетельствует о наличии метастабильного состояния.
Свинец. Свинец кристаллизуется в ГЦК-фазу при нормальных условиях.
Переходы к новой ГПУ-фазе при P ~ 13 GPa обнаружены более сорока лет
назад. Свинец исследовали также при давлениях свыше 50 GPa, и было обна-
ружено наличие фазового перехода ГПУ–ОЦК при давлениях около 87 GPa.
В области давлений 10–15 GPa заметны особенности (в пределах по-
грешности) в поведении термоэдс. При увеличении нагрузки до P ~ 20 GPa
значение термоэдс резко изменяется и меняет знак при 22–27 GPa (рис. 8).
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
60
10 15 20 25 30 35 40
0
40
80
120
R
el
ax
at
io
n
tim
e,
s
P , GPa
α α−ε
ε
0 10 20 30 40 50
S,
a
rb
. u
ni
ts
P, GPa
0.6
0.4
0.2
0
–0.2
–0.4
Рис. 7. Барическая зависимость времени релаксации армко-железа
Рис. 8. Барическая зависимость термоэдс свинца
При давлениях 30–45 GPa термоэдс
остается постоянной при повышении
и снижении нагрузки. При снижении
давления до 22–27 GPa термоэдс
вновь меняет знак на противополож-
ный и возвращается к исходному зна-
чению.
При P ≈ 11, 28 и 37 GPa (рис. 9)
времена релаксации возрастают в не-
сколько раз. Данные по времени ре-
лаксации коррелируют с полученны-
ми результатами по барическим зави-
симостям термоэдс.
Наши исследования показали, что вероятные структурные превращения в
свинце существуют в области давлений ≈ 13 и 30 GPa.
Заключение
Показано, что термоэдс является структурно-чувствительной величиной и
позволяет выявить образование метастабильных состояний, а также влияние
высоких пластических деформаций не только на возникновение новых
структурных состояний, но и на динамику этих превращений.
Обнаружено, что при обработке давлением происходят изменения термо-
эдс с характерными временами до 1000 s, причем времена релаксации чувст-
вительны к структурным превращениям.
Термоэдс металлов при высоких давлениях зависит от предыстории на-
гружения образцов. Платину используют в качестве стандарта метрологиче-
ской оценки высоких давлений, но даже в ней можно наблюдать релаксаци-
онные процессы, которые могут быть связаны с дефектами кристаллической
решетки или же с релаксацией ее параметров. В других материалах (железо
и свинец) релаксационные процессы выражены сильнее. Это связано с су-
Рис. 9. Барическая зависимость вре-
мени релаксации термоэдс свинца
0 10 20 30 40 50
0
100
200
300
400
500
R
el
ax
at
io
n
tim
e,
s
P, GPa
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
61
ществованием фазовых переходов при высоких давлениях, сопровождаю-
щихся значительным увеличением времени релаксации.
1. L.F. Vereshchagin, E.N. Yakovlev, B.V. Vinogradov, G.N. Stepanov, K.Kh. Bibaev,
T.I. Alaeva, V.P. Sakun, High Temperatures – High Pressures 6, 499 (1974)
2. F.S. Minshall, Phys. Rev. 98, 271 (1955).
3. T. Takahaski, W.A. Bassets, Science 145, 483 (1964).
4. S.K. Saxena, L.S. Dubrovinsky, P. Haggkvist et al., Science 269, 1703 (1995).
5. D. Andrault, G. Fiquet, M. Kunz, F. Visocekas, D. Häusermann, Science 278, 831
(1997).
6. J.C. Boettger, D.C. Wallace, Phys. Rev. B55, 2840 (1997).
7. G.E. Duvall, R.A. Graham, Rev. Mod. Phys. 49, 523 (1977).
8. A. Kubo, E. Ito, T. Katsura et al., Geophys. Res. Lett. 30, 1126 (2003).
9. G. Shen, H.-K. Mao, R.J. Hemley et al., Geophys. Res. Lett. 25, 373 (1998).
10. N. Funamori, T. Yagi, T. Uchida, Geophys. Res. Lett. 23, 953 (1996).
11. R. Lubbers, H.F. Grunsteudel, A.I. Chumakov, G. Wortmann, Science 287, 1250
(2000).
12. N. Funamori, T. Yagi, T. Uchida, Geophys. Res. Lett. 23, 953 (1996).
13. Е.Ю. Тонков, Фазовые превращения при высоком давлении, Т. 1, Металлургия,
Москва (1988).
14. Л.В. Альтшулер, А.А. Баканова, Успехи химии 96, № 2, (1968).
15. Б.К. Барахтин, В.И. Владимиров, С.А. Иванов, И.А. Овидько, А.Е. Романов,
ФТТ 28, 2250 (1986).
О.В. Савіна, О.М. Бабушкін, І.В. Суханов, Г.В. Суханова
ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЧИСТИХ МЕТАЛІВ
ПРИ ВИСОКИХ ПЛАСТИЧНИХ ДЕФОРМАЦІЯХ
При тиску 5–50 GPa вивчено баричні залежності термоедс і релаксаційні процеси,
які супроводжують структурні зміни в чистих металах (залізо, платина і свинець).
Показано, що при обробці тиском відбуваються зміни термоедс з характерним
часом до 1000 s.
O.V. Savina, A.N. Babushkin, I.V. Sukhanov, G.V. Sukhanova
THERMOELECTRIC PROPERTIES OF PURE METALS UNDER HIGH
PLASTIC DEFORMATIONS
Baric dependences of thermoemf and relaxation processes accompanying structural
changes in pure metals (iron, platinum and lead) have been studied at pressures of 5–50
GPa. It is shown that under pressure treatment the thermoemf changes typically within
the time to 1000 s.
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
62
Fig. 1. Methods of measurement: 1 – –■–, 2 – –●–
Fig. 2. Thermoemf as a function of time under pressure decrease
Fig. 3. Baric dependences of thermoemf for platinum: а – Pmax = 12.6 GPa, б – 20, в –
23.5, г – 27, д – 31.5, е – 34.6, ж – 40, з – 47
Fig. 4. Baric dependences of thermoemf and electrical resistance [14] for armco-iron, in
relative units (S0 – thermoemf at atmospheric pressure)
Fig. 5. Baric dependence of variable thermoemf part for pressure rise (■) and decrease (●)
Fig. 6. Baric types of deformation curves under high degrees of deformation for materials
with yield strength σ1 > σ2 > σ3 and T2 > T1 ≈ 300 K [15]
Fig. 7. Baric dependence of relaxation time for armco-iron
Fig. 8. Baric dependence of thermoemf for lead
Fig. 9. Baric dependence of thermoemf relaxation time for lead
|