Электропластическая деформация металлов

Поскольку речь идет о металлах, можно считать, что в узлах кристаллической решетки размещаются не нейтральные атомы, а положительно заряженные ионы. Электроны проводимости располагаются вокруг ионов, заполняя пространство кристаллической решетки. В этом случае говорят об электронном газе, который, кстати сказать, и обеспечивает хорошую электрическую проводимость металлов.

Наряду с электронным газом внутри кристаллической решетки движутся кванты колебаний ионов кристаллической решетки— фононы. Столкновение электрона и фонона приводит, как правило, к поглощению фонона, доказательством чего служит затухание звуковой волны, распространяющейся в кристалле. Перекачка энергии от звуковой волны к электронам проводимости, иначе говоря, поглощение электронным газом фононов, порожденных звуковой волной, вызывает ее затухание.

Перемещение дислокаций можно представить себе как совокупность плоских волн деформации, тождественных звуковым. Фононы, рождаемые волнами деформации, также поглощаются электронами решетки. Так идет процесс отбора энергии от движущейся дислокации. В результате дислокация тормозится, теряет скорость. Электронный газ здесь выступает в роли своеобразной вязкой среды, тормозящей движение дислокаций.

Наглядный пример — летящий в неподвижном воздухе самолет. Наблюдателю, находящемуся на нем, кажется, что сам самолет неподвижен, а навстречу дует сильный ветер, затрудняющий движение. Точно так же, если считать дислокацию неподвижной в процессе деформации, будет казаться, что электронный газ движется относительно нее с определенной скоростью. Иначе говоря, на дислокацию воздействует встречный электронный ветер. Именно он, создавая трение между дислокациями и электронами, тормозит движение дислокаций, затрудняет процесс пластической деформации.

А что если электронам сообщить дополнительную энергию и сделать электронный ветер «попутным», увлекающим за собой дислокации, а не препятствующим им?

Скорость того же самолета, летящего не в неподвижной воздушной среде, а с попутным ветром, увеличивается. По аналогии, электронный газ должен быть не неподвижным, а иметь дополнительную, так называемую дрейфовую, скорость. Причем необходимо, чтобы она, эта дрейфовая скорость, превышала скорость упругих волн дислокации. Вот тогда электронный ветер и станет в какой-то мере «попутным», облегчит движение дислокаций.

Как же осуществить это, как создать дополнительную дрейфовую скорость электронов? Поиск дал, на удивление, простой ответ: пропустить через деформируемый металл электрический ток. Внесение сильных возмущений в электронный энергетический спектр с помощью тока высокой плотности как раз и вызывает дополнительную дрейфовую скорость электронов, движение дислокаций облегчается. Идея, блестяще подтвердилась и в эксперименте. В процессе прокатывания и волочения изделий, на которые воздействовал электрический ток, пластичность металла повысилась.

Так родилась новая ветвь в технологии обработки металлов давлением — электропластическая деформация (ЭПД). В ней соединились воздействие на дислокации теплового эффекта, пинч-эффекта (проявляющегося, впрочем, только при импульсном токе) и электронно-пластического эффекта. Но если тепловое воздействие и влияние пинч-эффекта на механические свойства металла достаточно хорошо изучены, то электронно-пластический эффект (ЭПЭ) оказался новым, требующим тщательного исследования.

Расчеты и эксперименты показали, что ЭПЭ возникает при пропускании в зоне деформации импульсного или постоянного тока плотностью в несколько тысяч ампер на квадратный миллиметр. Выяснилось: чем более электропроводен металл, чем больше у него свободных электронов, тем ЭПЭ выше. Но при этом происходит не только повышение пластичности. В металлах, подвергнутых электропластической деформации, неоднородности структуры, внутренние напряжения, скопления дислокаций распределяются по объему более равномерно, чем при деформации традиционными способами, что значительно улучшает механические свойства получаемых новым способом изделий.

Удалось все-таки сделать союзником электронный газ! Из тормозящей среды, препятствующей деформации, он превратился в помощника, ускоряющего движение и взаимодействие дислокаций, облегчающего деформацию, улучшающего структуру металла.

16 Ноябрь 2012 Опубликовано в Мастер-класс

Комментирование закрыто.