Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор)
Обобщены опубликованные данные об основных особенностях и механизмах электромагнитного воздействия на структуру основного металла и сварных соединений.
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99414 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) / С.И. Моравецкий, Н.А. Паршенков, В.А. Сокирко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 20-26. — Бібліогр.: 45 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-99414 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-994142016-04-29T03:02:03Z Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) Моравецкий, С.И. Паршенков, Н.А. Сокирко, В.А. Научно-технический раздел Обобщены опубликованные данные об основных особенностях и механизмах электромагнитного воздействия на структуру основного металла и сварных соединений. Data on the main features and mechanisms of electromagnetic action on the structure of the base metal and welded joints are described. 2007 Article Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) / С.И. Моравецкий, Н.А. Паршенков, В.А. Сокирко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 20-26. — Бібліогр.: 45 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99414 621.791.09:621.785.375 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Моравецкий, С.И. Паршенков, Н.А. Сокирко, В.А. Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) Автоматическая сварка |
| description |
Обобщены опубликованные данные об основных особенностях и механизмах электромагнитного воздействия на структуру основного металла и сварных соединений. |
| format |
Article |
| author |
Моравецкий, С.И. Паршенков, Н.А. Сокирко, В.А. |
| author_facet |
Моравецкий, С.И. Паршенков, Н.А. Сокирко, В.А. |
| author_sort |
Моравецкий, С.И. |
| title |
Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) |
| title_short |
Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) |
| title_full |
Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) |
| title_fullStr |
Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) |
| title_full_unstemmed |
Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) |
| title_sort |
особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (обзор) |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99414 |
| citation_txt |
Особенности электромагнитных воздействий на металлы и их сварные соединения (Обзор) / С.И. Моравецкий, Н.А. Паршенков, В.А. Сокирко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 20-26. — Бібліогр.: 45 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT moraveckijsi osobennostiélektromagnitnyhvozdejstvijnametallyiihsvarnyesoedineniâobzor AT paršenkovna osobennostiélektromagnitnyhvozdejstvijnametallyiihsvarnyesoedineniâobzor AT sokirkova osobennostiélektromagnitnyhvozdejstvijnametallyiihsvarnyesoedineniâobzor |
| first_indexed |
2025-07-07T07:57:43Z |
| last_indexed |
2025-07-07T07:57:43Z |
| _version_ |
1836974147140321280 |
| fulltext |
УДК 621.791.09:621.785.375
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
НА МЕТАЛЛЫ И ИХ СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (Обзор)
С. И. МОРАВЕЦКИЙ, инж., Н. А. ПАРШЕНКОВ, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины),
В. А. СОКИРКО, канд. техн. наук (НПК ООО «ДС», г. Николаев)
Обобщены опубликованные данные об основных особенностях и механизмах электромагнитного воздействия на
структуру основного металла и сварных соединений.
К л ю ч е в ы е с л о в а : металлические материалы, сварные
соединения, обработка, электромагнитные воздействия,
пластическая деформация, механические свойства, оста-
точные сварочные напряжения
При изготовлении ответственных сварных конс-
трукций выдвигаются требования к повышению
пластических свойств металла шва и зоны тер-
мического влияния, претерпевших термодеформа-
ционный цикл сварки (ТДЦС), а также к снятию
остаточных сварочных напряжений (ОСН). Сущ-
ность любого способа послесварочной обработки
для удовлетворения этим требованиям сводится
к способу передачи энергии в объем металла, ее
виду и роли. Под влиянием послесварочной обра-
ботки происходит релаксация упругой энергии, на-
копленной во время ТДЦС, путем протекания плас-
тической деформации на разных масштабных
уровнях металла. Последняя, протекая на уровне
макроскопического металлического тела, обуслов-
ливает возможность снижения ОСН I рода, а на
уровнях зерен, субзерен и кристаллической решетки
металла является одним из ключевых факторов, вли-
яющих на остаточные механические свойства ме-
талла сварных соединений. В известных к насто-
ящему времени способах обработки металла
используются такие виды энергии, как тепловая,
химическая и механическая (энергия взрыва).
В силу объективных и субъективных обстоя-
тельств до настоящего времени остается практи-
чески неизученным влияние электромагнитных
воздействий (ЭМВ) на физико-механические
свойства металла сварного соединения и уровень
ОСН. Между тем многочисленные работы в об-
ласти технической физики показывают, что энер-
гия электромагнитного происхождения может
оказывать весьма существенное влияние на про-
текание пластической деформации, напряженное
состояние металлического тела и заметно изме-
нять его механические характеристики. В связи
с этим проведенные впервые в середине XIX в.
[1] исследования такого рода начиная с 1950–
1960-х гг. приобрели систематический характер.
В настоящее время исследуется изменение
свойств и механическое поведение большой но-
менклатуры металлических материалов и неме-
таллов как без нагрузки, так и под активным наг-
ружением, процесс ползучести или релаксации
напряжений под воздействием импульсных и пос-
тоянных электрических (ЭП) и магнитных (МП)
полей, а также электрического тока (ЭТ) широкого
диапазона значений в интервале температур от
4,2 до 1⋅103 К. Параллельно с получением опыт-
ных данных разрабатываются теории механизмов
влияния ЭМВ, накопленные в этой области знания
получили отражение в монографиях и обзорах [1–
6]. Результаты некоторых работ приобрели прик-
ладное значение, благодаря им созданы различ-
ные промышленные способы обработки металла
с использованием ЭМВ, нашедшие широкое прак-
тическое применение.
В настоящее время среди публикаций по ука-
занной тематике довольно малo работ по иссле-
дованию влияния ЭМВ на металл сварного сое-
динения. Известно, что во время ТДЦС в металле
свариваемых деталей протекают процессы термо-
механического возбуждения и сопутствующие, но
некомпенсирующие их процессы релаксации. При
этом происходят упругие, диффузионные и плас-
тические деформации. Имеет место большая не-
равномерность пространственного распределения
последних как в макро-, так и в микрообъемах
металла, приводящая к появлению очагов разру-
шения. Соединение после сварки представляет со-
бой неравновесную систему с высоким уровнем
накопленной упругой энергии, до 98 % которой
приходится на внутренние напряжения III рода.
Авторы не претендуют на полноту обзора и
исчерпывающую глубину понимания физической
сути ЭМВ. Тем не менее представляется необ-
ходимым составить общую характеристику ЭМВ
как потенциального инструмента для оказания
влияния на сварочные процессы и процессы, ле-
жащие в основе различных послесварочных обра-
боток, и возможного создания новых самостоятель-© С. И. Моравецкий, Н. А. Паршенков, В. А. Сокирко, 2007
20 6/2007
ных и комбинированных способов обработки
сварных соединений. Небезынтересны, вероятно,
и сложившиеся к настоящему времени представ-
ления о механизмах указанного влияния. Прак-
тическая полезность такого обзора состоит не
столько в анализе фундаментальных физических
обобщений, сколько в освещении и осмыслении
прикладного значения фактов, полученных иссле-
дователями в различных областях физики метал-
лов и изложенных в литературных источниках.
Далее кратко излагаются основные особенности
влияния ЭМВ на механические свойства матери-
алов и их поведение под нагрузкой исходя из из-
вестных результатов исследований.
Влияние электромагнитных воздействий на
механическое поведение и свойства материалов.
В качестве критериев для оценки уровня ЭМВ мож-
но принять классификацию МП, представленную
в работе [1], согласно которой МП по напряжен-
ности Н делят на сверхслабые (1⋅10–5…1⋅102), сла-
бые (1⋅102…1⋅105), средние (1⋅105…5⋅106), силь-
ные (5⋅106…80⋅106) и сверхсильные (более 80⋅106
А/м). ЭТ можно оценивать в рамках той же клас-
сификации по напряженности создаваемого им
МП, максимум которого в случае прямолинейного
бесконечного проводника круглого сечения при-
ходится на его поверхность и вычисляется просто.
В многочисленных работах В. И. Спицина,
О. А. Троицкого, В. И. Сташенко и других ис-
следователей импульсы ЭТ плотностью j ~
1⋅102…1⋅103 А/мм2, длительностью τ ~ 1⋅10–4 с
приводили к многократному увеличению дефор-
мации, накопленной образцом из цинка с попе-
речным сечением приблизительно 1 мм2 за время
испытания в режиме ползучести при температуре
78 К. При воздействии импульсного МП (Н ~
~ 1⋅105 А/м), а также переменного, постоянного
и импульсного ЭТ при равной эффективной плот-
ности 102…103 А/мм2 происходит заметное
(5…130 %) увеличение скорости деформации из
образцов индия, свинца, олова и цинка, нагру-
жаемых в режиме ползучести [7]. Под воздейс-
твием импульсов на диаграммах растяжения об-
разцов наблюдаются синхронные сбросы растя-
гивающего усилия [1, 2], что, по мнению иссле-
дователей [2], свидетельствует о разупрочнении
металла в момент импульса.
С помощью сильных ЭМВ в некоторых слу-
чаях можно интенсивно пластически деформиро-
вать металлические образцы без приложения к
ним механической нагрузки. Так, импульсами МП
вызывали остаточную деформацию образцов из
сплавов меди [1, 8] и алюминия [9], а импульсами
ЭТ (500…7000 А/мм2) существенно изменяли
рельеф полированной поверхности фольг из меди
за счет выхода на нее дислокаций и перегруп-
пировки исходных неровностей [10].
Заметное влияние на механическое поведение
материалов оказывают также слабые ЭМВ. При
испытаниях таких металлов, как алюминий, ко-
бальт, медь, железо, никель и титан, а также спла-
вов Д16, ХН77ТЮ, Х18Н10Т и других, на пол-
зучесть при T = 20…1150 °С отмечен многок-
ратный рост скорости ползучести при наложении
ЭП (напряженность электрического поля E =
= 10 В/мм), МП (H = 1,6…40 кА/м) и протекании
постоянного ЭТ (j = 0,15 А/мм2). Степень про-
явления эффекта указанных воздействий была
максимальной в первые несколько минут после
их начала, c течением времени она уменьшалась,
и приблизительно через 0,5 ч деформирования в
условиях ЭМВ скорость ползучести снижалась
примерно до своего исходного значения [11–14].
Экспозиция материалов (LiF, NaCl, кремния и
алюминия) в слабом МП или во время протекания
через проводящие твердые тела ЭТ (j < 0,3 А/мм2)
при некоторых условиях позволяет увеличить от
нескольких десятков до нескольких сотен процен-
тов пробег дислокаций за фиксированное время
нагружения образцов [6, 15–17]. Эффект увели-
чения подвижности дислокаций наблюдается не
только при совмещении ЭМВ с нагружением, но
и после завершения пятичасовой экспозиции
кремния в слабом МП он сохранялся практически
неизменным первые 150 ч и уменьшился вдвое
через 400 ч [16]. Постэффекты наблюдались также
и при сильных ЭМВ [2].
Применение рентгеновских и электронных ме-
тодов исследования позволяет выявить в микрос-
труктуре материалов широкую гамму изменений,
вызываемых ЭМВ [2]. Так, изучалось влияние об-
работки импульсами тока с чередующейся поляр-
ностью (j = 6,0…16,4 А/мм2; τ = 2,0…2,5 с при
паузе 4…10 с) образцов из высокопрочной стали
АК-25, имитирующих соединения, полученные
электронно-лучевой сваркой. Рентгеноструктур-
ным анализом установлено снижение плотности
дислокаций и напряжений II рода в металле об-
разцов, полученных электронно-лучевой сваркой,
после обработки [18]. При этом также наблюда-
лись заметные изменения структурно зависимых
магнитных характеристик материала. В целом из-
менения микроструктуры, вызываемые ЭМВ,
весьма разнообразны, и их исследования могли
бы стать предметом отдельной статьи. Для нас
целесообразнее рассмотреть изменение структу-
рно зависимых механических свойств материалов,
подвергшихся ЭМВ.
Механические свойства оцениваются как после
завершения ЭМВ (остаточные), так и во время
ЭМВ. Во втором случае ЭМВ имеют место в те-
чение всего времени испытания или на опреде-
ленных его стадиях, например, по достижении за-
данного значения деформации или напряжения,
на стадии неустановившейся ползучести и пр.
6/2007 21
Электромагнитная обработка несколькими им-
пульсами тока (τ ~ 10–2…10–1 с, j ~ 102 А/мм2),
не исключающая теплового воздействия, обеспе-
чивает высокие остаточные пластические свойс-
тва сплавов титана и алюминия [19, 20]. Авторы
этих работ сообщают о повышении относитель-
ного остаточного удлинения на 30…60 %, ударной
вязкости на 20…50 % и снижении предела теку-
чести на 30…50 % по сравнению с исходным сос-
тоянием сплавов с заданным наклепом. При этом
ударная вязкость и характеристики трещиностой-
кости сплавов алюминия на 10…15 % превышают
уровень, который обеспечивается традиционным
отпуском этих сплавов в течение 1 ч, а временное
сопротивление σв может как возрастать на
5…30 %, так и значительно снижаться.
ЭМВ оказывают влияние при циклическом
нагружении материалов. Электромагнитной обра-
боткой (в том числе постоянным ЭТ, j ~ 0,1 А/мм2,
совмещенным с усталостными испытаниями) в
2…3 раза увеличивали долговечность армко-же-
леза, сталей и сплавов титана [21–23].
Изменение механических свойств материалов
при совмещении ЭМВ с процессом испытаний
весьма разнообразно, но не всегда благоприятно
с точки зрения практических потребностей и за-
висит от многих факторов (природы и исходного
состояния материала, вида и параметров элект-
ромагнитного воздействия, внешней среды, тем-
пературы, скорости деформации и др.). Оно ис-
следовалось в основном для коррозионностойких
сталей, сплавов титана, алюминия и меди [1], но
есть также данные о высокочистом и техническом
железе [11].
В работах М. Л. Бернштейна, В. Н. Пустовойта
[4] и других авторов показана высокая эффектив-
ность совмещения операций термообработки и
ЭМВ, которая выражается в появлении под вли-
янием слабых и сильных МП полезных для прак-
тики устойчивых изменений в структуре, фазовом
составе и механических свойствах сталей различ-
ных классов.
Воздействие МП позволяет полнее реализовать
механизмы упрочнения углеродистых и легиро-
ванных конструкционных сталей при закалке на
мартенсит. Так, σв сталей 45Х и 30ХГСА, зака-
ленных с наложением МП (Н ~ 106 А/м), оказалось
в 1,5 раза выше, чем после закалки без МП. Изу-
чение характеристик изломов и диаграмм растя-
жения показало при закалке в МП наличие плас-
тической деформации, предшествовавшей разру-
шению, и позволило определить условный предел
текучести, что было бы невозможным при закалке
без МП.
Наложение МП на процесс бейнитного прев-
ращения низколегированных сталей может при-
водить как к разупрочнению сталей (1…3 % для
30ХГСА и 45Х), так и к их упрочнению (3…8 %
для 65Г и 14Х2ГМР), но при этом во всех случаях
имело место увеличение ударной вязкости КСU
на 11…87 %. Наложение МП на перлитное прев-
ращение заэвтектоидных углеродистых сталей
приводит к упрочнению с некоторым снижением
пластичности и ударной вязкости. Доэвтектоид-
ные стали, претерпевшие перлитное превращение
в МП, существенно разупрочняются и имеют за-
метно увеличенное относительное остаточное уд-
линение при несколько меньшем относительном
остаточном сужении по сравнению со сталями,
прошедшими превращение без МП [4].
Воздействие постоянным МП (Н = 66 кА/м)
во время отпуска стали 40Х при температуре
550 °С позволило избежать отпускного охрупчи-
вания, вызванного диффузией серы и фосфора к
границам зерен. В этом случае сталь после ука-
занной обработки имела ударную вязкость в 3 раза
выше, чем после отпуска без МП при равной твер-
дости [24].
Представления о механизмах электромаг-
нитных воздействий. Накоплен значительный
массив экспериментальных данных, свидетель-
ствующих о том, что с применением различного
вида ЭМВ с легко измеряемыми или рассчиты-
ваемыми параметрами связано то или иное из-
менение механических свойств материалов, кото-
рые также несложно определить. Однако проме-
жуточные звенья этой причинно-следственной це-
пи до сих пор остаются вне поля зрения иссле-
дователей в силу сложностей непосредственного
наблюдения процессов на микроуровне вещества.
В то же время физической науке известно много-
образие проявлений взаимодействия электромаг-
нитного поля и вещества.
Такое положение дел пока не позволило объяс-
нить все экспериментально наблюдаемые эффек-
ты с позиций одной универсальной теории. Вмес-
то этого отдельными исследователями и физичес-
кими школами в качестве механизмов ЭМВ об-
суждаются представления и гипотезы о связи яв-
лений на малоизученных структурных уровнях
твердого тела с видимым изменением его меха-
нических характеристик [1–6, 25].
При объяснении влияния мощного импульсно-
го ЭТ на механическое поведение высокочистых
монокристаллов и технических сплавов ключевая
роль нередко отводится явлению электрон-дисло-
кационного взаимодействия (ЭДВ) [1, 3, 26]. Кван-
тово-механическому описанию ЭДВ посвящены
работы В. Я. Кравченко, аналитически предска-
завшего это явление, а также ряда других иссле-
дователей [27–29]. При характеристике ЭДВ ис-
пользуют аналогию между динамическим дейс-
твием обычного ветра на неподвижные предметы
и воздействием электронов проводимости, обра-
зующих ЭТ «электронный ветер», на дислокации,
предполагая, что электронный газ, как и всякий
22 6/2007
газ, отличается определенной вязкостью [26]. В
силу указанного воздействия электронного газа
имеет место ускорение скользящих дислокаций
и облегчение срыва со стопоров закрепленных
дислокаций, что и является причиной интенси-
фикации пластической деформации и снижения
сопротивления металла деформированию.
Рассчитано напряжение σ(j), характеризующее
механический эквивалент воздействия электрон-
ного ветра, на скользящие и неподвижные дис-
локации, которое зависит от плотности тока и
квантово-механических характеристик решетки
металла. Вычислен также порядок плотности тока
(1⋅103…1⋅105 А/мм2), при котором будет проис-
ходить размножение дислокаций в результате ра-
боты источников Франка–Рида без внешней ме-
ханической нагрузки.
Обсуждаемое взаимодействие обратимо: нап-
равленный поток любых структурных дефектов
приводит к возмущению электронной подсистемы
кристалла и появлению электрического поля или
тока [27, 28, 30], что и подтверждается в ходе
наблюдений при сварке давлением [31].
Результаты многочисленных эксперименталь-
ных и теоретических исследований Ю. И. Голо-
вина, В. М. Финкеля, А. А. Слеткова и других
ученых показали, что вершины макро- и микрот-
рещин, неметаллические включения и другие не-
однородности структуры металла при прохож-
дении по нему импульса ЭТ большой плотности
являются концентраторами электромагнитного и
температурного полей.
В зависимости от параметров ЭТ и вида не-
однородностей температура, до которой нагрева-
ются смежные с этими дефектами малые локаль-
ные объемы металла, может достигать значений
температуры его рекристаллизации и даже плав-
ления. При этом температура за пределами этих
объемов не превышает своих значений, заметно
влияющих на исходную структуру. Эти явления
оказывают влияние на рост развивающейся тре-
щины, ускоряя и подавляя его [32].
В работе [19] принято обоснованное резуль-
татами экспериментов и опытов Ю. И. Головина
с сотрудниками положение о том, что если в ме-
талл вводится удельная энергия, равная прибли-
зительно 1⋅108…1⋅1010 Дж/м3, за время τ, меньшее
чем время τ* выхода температурного поля в ус-
тановившийся режим (τ* ~ ρcλ–1l2, где ρ — плот-
ность; c — удельная теплоемкость; λ — теплоп-
роводность материала; l — характерный струк-
турный размер материала, принятый приблизи-
тельно 1⋅10–4 м), то вводимая энергия будет рас-
сеиваться преимущественно в микрообъемах метал-
ла с электрической проводимостью ниже матричной
(структурные неоднородности, микро- и субмикро-
дефекты), вызывая там значительный нагрев. Для
металлов расчет τ* дает порядок 1⋅10–4 с. При t <
< τ* понятие общего нагрева макрообъема метал-
ла теряет смысл, поскольку температурное поле
за время τ не успевает выравняться между зонами
преимущественного тепловыделения и остальным
объемом металла, т. е. имеет локально-неодно-
родный (мозаичный) характер. Повышение оста-
точных пластических свойств металлов, обрабо-
танных мощными электрическими импульсами,
авторы указанной выше работы объясняют дейс-
твием в локальных объемах электромагнитных и
термоупругих усилий, вызывающих микропласти-
ческую деформацию, способствующую процессам
рекристаллизации и «залечивания» микродефек-
тов структуры. Снижение же сопротивления ме-
таллов деформированию в момент импульса сог-
ласно данной научной школы обусловлено нас-
туплением «состояния динамической (высокоско-
ростной) сверхпластичности» [19].
Специфические процессы в ферромагнетиках
под воздействием внешнего МП оказывают вли-
яние на структуру, фазовый состав и микроплас-
тическую деформацию соответствующих сталей.
Они способствуют измельчению продуктов прев-
ращения γ→α, а также более раннему и полному
его протеканию. Как следует из работы [4], ос-
новное влияние оказывают следующие факторы:
изменение магнитного состояния аустенита выше
точки Кюри, приводящее к самопроизвольному
появлению малых однодоменных ферромагнит-
ных областей, возникающих и аннигилирующих
в парамагнитной γ-матрице по статистическим за-
конам; снижение термодинамического потенциала
ферромагнитных фаз сталей; появление магнитос-
трикционных локальных напряжений; анизотро-
пия смещений атомов кристаллической решетки,
нарушающая структурную эквивалентность окта-
эдрических пустот и меняющая ход диффузион-
ных процессов.
В частности, смещения доменных границ в
ферромагнитных кристаллах при намагничивании
способствуют откреплению дислокаций от стопо-
ров и вызывают скольжение незакрепленных дис-
локаций на расстояния приблизительно 1⋅10–6 м
[33, 34].
Рассматривают и такой фактор интенсифи-
кации пластической деформации с помощью ЭТ
и МП, как пондеромоторное действие — элект-
родинамическое действие электрических и маг-
нитных полей, вызывающее объемную силу F,
сжимающую материал проводника в радиальном
направлении (пинч-эффект). В работах [1, 9, 25]
утверждается, что пинч-эффект в условиях им-
пульсных МП при сильно выраженном скин-эф-
фекте может оказать доминирующий вклад в плас-
тическое деформирование металлов. Степень его
проявления зависит от напряженности МП, глу-
6/2007 23
бины его проникновения в материал и природы
материала проводника. В различных работах
вклад пинч-эффекта при протекании через про-
водник ЭТ оценивают по формулам, которые сво-
дятся к известному выражению:
F = jB, (1)
где j — вектор плотности тока; B — вектор маг-
нитной индукции, создаваемой этим током.
Проведены эксперименты [7, 35] по выяснению
роли пинч-эффекта, в которых последний созда-
вался изолированно от ЭДВ. Из результатов эк-
спериментов и расчетов по (1) вытекает, что нап-
ряжения, вызываемые пинч-эффектом, пренебре-
жимо малы даже при значительной плотности то-
ка. Однако следует отметить, что используемые
методики [7, 35] не безупречны с точки зрения
соответствия характера, специально создаваемого
МП в материале образца при прохождении через
него ЭТ. Вывод о малости рассчитанного по (1)
значения объемного усилия может быть применим
к диа- и парамагнетикам. Однако в случае фер-
ромагнетиков индукция B внутри материала мо-
жет быть представлена как B = B0 + Bj (здесь
B0 — вектор индукции внешнего МП, Bj — вектор
индукции, обусловленной намагниченностью са-
мого тела). При намагничивании ферромагнетика
Bj может меняться в широких пределах и при
определенных условиях достигать значений нап-
ряжений поля Вейсса [36]. Это поле обусловлено
обменным взаимодействием электронов незапол-
ненных d- и f-подуровней атомов переходных фер-
ро- и антиферромагнитных металлов и имеет мес-
то внутри их доменов. Напряженность поля Вейс-
са составляет 1⋅108…1⋅109 А/м [37], что соответ-
ствует плотности тока 1⋅104…1⋅105 А/мм2. Кроме
того, изменения магнитной проницаемости µ и
плотности γ ферромагнетиков, помещенных во
внешнее МП, также влияют на F.
На этом основании объемная радиальная сила
пинч-эффекта для проводника из ферромагнитно-
го материала должна определяться из выражения
[38]:
F = jB – 1/2H2grad µ + 1/2grad (H2γ∂µ/∂γ), (2)
где первое слагаемое представляет собой силу,
сжимающую проводник с током в МП, второе —
усилие, обусловленное пространственным изме-
нением магнитной проницаемости, третье — уси-
лие, вызванное зависимостью магнитной прони-
цаемости от плотности ферромагнетика. Сос-
тавляющие F могут меняться в широких пределах.
Так, начальная магнитная проницаемость µн маг-
нитомягких и магнитотвердых материалов состав-
ляет 40…35000 ед. При определенном значении
внешнего МП µн снижается до единицы, следо-
вательно, ее изменение может составлять
1⋅10…1⋅104 раз.
Можно подсчитать, что порядок плотности ЭТ,
достаточный для пластической деформации не-
ферромагнитного образца в результате пинч-эф-
фекта, составляет 1⋅105 А/мм2 [38, 39]. При этом
возникают трудности в планировании и прове-
дении экспериментов как по выбору мощных ис-
точников тока, так и по способам интенсивного
теплоотвода, исключающего тепловое действие то-
ка. Очевидно, в случае ферромагнитного материала
трудности могут быть устранены при использо-
вании поля Вейсса, создающего объемные усилия,
достаточные для пластического деформирования
образца. Известно [40], что возбуждение поля Вейс-
са при соблюдении определенных условий воз-
можно при прохождении через ферромагнетик то-
ка плотностью всего 8…12 А/мм2.
Влияние слабых ЭМВ (магнитная индукция
B ≅ 1 Тл, j ≅ 10–1 А/мм2) на скорость ползучести,
подвижность дислокаций невозможно объяснить
их силовым или энергетическим действием по
изложенным выше механизмам, поскольку энер-
гия, сообщаемая такими ЭМВ любому структур-
ному элементу, обычно ниже порога активации
любых изменений. В этом случае пластическое
течение в материале представляют как совокуп-
ность химических реакций между межузельными
атомами, атомами из состава примесных атмосфер
— стопоров дислокаций — и атомами в составе
ядер дислокаций.
Тогда в рамках теории спин-зависимых про-
явлений в химической физике предлагается ме-
ханизм влияния слабых МП на синглет-триплет-
ные переходы (спиновую конверсию) в атомах,
составляющих комплекс взаимодействующих
дислокаций и стопора. Высота создаваемого при-
месью потенциального барьера движению дисло-
кации определяется спиновыми характеристика-
ми, радиусами и зарядами ионов, их количеством
в комплексе. МП изменяет состояние электронов,
обеспечивающих ковалентную связь в комплексе
дислокация – стопор, снимая или налагая спино-
вые запреты на те или иные термодинамически
возможные реакции. В ряде случаев это делает
возможным уменьшение доли ковалентной связи
в общей энергии взаимодействия стопора и дис-
локации, тем самым снижается высота потенци-
ального барьера, облегчается срыв дислокаций со
стопоров и уменьшается концентрация центров
примесей, способных стать эффективными сто-
порами. В работе [25] предполагается, что, кроме
ковалентной составляющей энергии взаимодейс-
твия стопора и дислокаций, МП может снижать
и долю электростатического их взаимодействия.
Указанные факторы обусловливают наблюдаемое
увеличение подвижности дислокаций. На плас-
тичность химически чистых, механически ненаг-
24 6/2007
руженных материалов, а также при высокой час-
тоте изменения МП (приблизительно 1⋅102 Гц)
слабые МП влияют неэффективно [6].
Кроме основных физических процессов, рас-
смотренных выше, изучается и обсуждается также
роль явлений на внутренних и внешних поверх-
ностях раздела [3, 14, 25], макронеоднородных
температурных полей [1, 25], роль динамической
неравновесности скоплений дислокаций [25], джо-
улевого нагрева и др.
Практическое использование электромаг-
нитных воздействий. Результаты исследований
влияния ЭМВ на протекание пластической дефор-
мации в металлах позволили предложить новые
способы обработки металлов давлением (напри-
мер, электропластическое волочение проволок и
трубок малого диаметра [2, 41], электростимули-
рованная прокатка тонких лент из ванадия и мо-
либдена, а также из сплавов [26, 42]), а также
способы обеспечения высоких эксплуатационных
свойств конструкций.
Данные работ М. А. Кривоглаза, В. Д. Садов-
ского, М. Л. Бернштейна, В. Н. Пустовойта соз-
дают предпосылки для весьма перспективного
применения термообработки, совмещенной с на-
ложением МП. Например, закалка и отпуск в МП
быстрорежущей стали обеспечивает ее фазовый
состав и механические свойства на том же уровне,
что и традиционная термообработка, т. е. закалка
и трехкратный отпуск. Вместе с тем, экспозиция
в МП сверл после традиционной обработки ма-
лоэффективна (их износостойкость заметно воз-
растает лишь при малых скоростях резания) [4],
либо вообще неэффективна [43].
В основе некоторых способов обработки металла
лежит возможность осуществления сверхбыстрого
нагрева и охлаждения его тонкого поверхностного
слоя с помощью импульсных ЭМВ [44].
В области сварочного производства широко ис-
пользуют электромагнитные воздействия на зону
сварки для управления массопереносом, кристал-
лизацией и формой шва.
Однако известны единичные попытки исполь-
зования электромагнитной энергии для обработки
металла сварных соединений. В частности, осу-
ществление процесса электрошлаковой сварки с
сопутствующей электроразрядной обработкой
позволило отказаться от нормализации соедине-
ний стали перлитного класса, а также повысить
коррозионную стойкость соединений стали
10Х18Н10Т, полученных способом электрошла-
ковой сварки с электроразрядной обработкой [45].
Имеются данные [5] о том, что обработка им-
пульсами тока оказывает благоприятное влияние
на прочностные и пластические свойства неод-
нородных материалов типа биметаллов, получен-
ных сваркой взрывом.
Таким образом, установлено, что ввод элект-
ромагнитной энергии в металл вызывает в нем
широкую гамму сложных процессов, происходя-
щих на макро-, микро- и субмикроскопическом
уровне. Это может оказать влияние на поведение
металла, а также на его остаточные механические
свойства. Целесообразны дальнейшие исследова-
ния по оценке влияния электромагнитных воз-
действий на металл сварных соединений.
1. Стрижало В. А., Новогрудский Л. С., Воробьев Е. В.
Прочность сплавов криогенной техники при электромаг-
нитных воздействиях. — Киев: Наук. думка, 1990. —
160 с.
2. Спицин В. И., Троицкий О. А. Электропластическая де-
формация металлов. — М.: Наука, 1985. — 168 с.
3. Савенко В. С. Механическое двойникование металлов в
условиях внешних энергетических воздействий. —
Минск: Технопринт, 2000. — 212 с.
4. Бернштейн М. Л., Пустовойт В. Н. Термическая обра-
ботка стальных изделий в магнитном поле. — М.: Маши-
ностроение, 1987. — 256 с.
5. Методы оценки механических свойств металлических
материалов в условиях электрических воздействий /
А. И. Тананов, Н. Н. Беклемишев, Б. Н. Журкин и др. //
Завод. лаб. — 1983. — № 7. — С. 59–66.
6. Головин Ю. И. Магнитопластичность твердых тел // Фи-
зика твердого тела. — 2004. — 46, № 5. — С. 769–803.
7. Спицин В. И., Троицкий О. А. Влияние электрического
тока и импульсного магнитного поля на скорость ползу-
чести металла // Докл. АН СССР. — 1974. — 216, № 6.
— С. 1266–1269.
8. Стрижало В. А., Воробьев Е. В. Скачкообразная дефор-
мация металла в условиях воздействия импульсного маг-
нитного поля и криогенных температур // Пробл. проч-
ности. — 2003. — № 1. — С. 137–142.
9. Головин Ю. И., Тялин Ю. Н., Умрихин В. М. Поле меха-
нических напряжений и прочность цилиндрических про-
водников в пинчующих электромагнитных полях // I
Всесоюз. конф. «Действие электромагнитных полей на
пластичность и прочность металлов и сплавов», г. Юр-
мала, 29 сент. – 1 окт. 1987 г.: Тез. докл. — М.: Ин-т ма-
шиноведения им. А. А. Благонравова АН СССР, 1987. —
С. 37.
10. Щербаков И. П., Чураев Д. В., Светлов В. Н. Исследова-
ние изменения субмикрорельефа поверхности медных
образцов при пропускании по ним импульсов электри-
ческого тока большой плотности // Журн. техн. физики.
— 2004. — 74, № 4. — С. 139–142.
11. Каменецкая Д. С., Пилецкая И. Б., Ширяев В. И. О вли-
янии магнитного поля на пластическую деформацию же-
леза // Докл. АН СССР. — 1971. — 199, № 6. — С. 1289–
1291.
12. Кишкин С. Т., Клыпин А. А. Эффекты электрического и
магнитного воздействия на ползучесть металлов и спла-
вов // Там же. — 1973. — 211, № 2. — С. 325–327.
13. Клыпин А. А. О влиянии магнитного и электрического
полей на ползучесть // Металловедение и терм. обраб.
металлов. — 1973. — № 8. — С. 2–6.
14. Клыпин А. А. О пластической деформации металлов при
наличии электрического воздействия // Пробл. проч-
ности. — 1975. — № 7. — С. 20–25.
15. Дацко О. И., Абрамов В. С. Влияние импульсов слабого
магнитного поля на процессы микропластической де-
формации и деформационного старения // Физ. и техн.
высоких давлений. — 2003. — 13, № 1. — С. 84–90.
16. Бадылевич М. В., Иунин Ю. Л., Кведер В. В. Влияние маг-
нитного поля на стартовые напряжения и подвижность
индивидуальных дислокаций в кремнии // Журн. экспе-
рим. и теорет. физики. — 2003. — 124, № 3. — С. 664–
669.
6/2007 25
17. Дацко О. И. Дислокационное внутреннее трение матери-
ала с вакансиями в импульсах слабого магнитного поля
// Физ. твердого тела. — 2002. — 44, № 2. — С. 289–293.
18. Исследование остаточных напряжений в металле свар-
ных соединений / В. А. Сокирко, Е. Ю. Бережинская,
П. П. Дивак, Ю. Л. Надеждин // Всесоюз. науч.-техн.
конф. «Электронно-лучевая сварка в машиностроении»,
г. Николаев, 12–14 сент. 1989 г.: Тез. докл. — Николаев:
ВНИИТСМ «Сириус», 1989. — С. 104.
19. Пластичность и прочность металлических материалов
при импульсном воздействии высокоэнергетического
электромагнитного поля / Н. Н. Беклемишев, Н. М. Гор-
бунов, Н. И. Корягин и др. / АН СССР. Ин-т пробл. меха-
ники. — Препр. — М., 1989. — 56 с.
20. Валеев И. Ш., Барыкин Н. П., Трифонов В. Г. Изменение
структуры и механических свойств алюминиевого спла-
ва АМг6 при воздействии мощными импульсами тока //
Физ. мет. и металловедение. — 2003. — 96, № 4. —
С. 85–89.
21. Влияние электрического тока на малоцикловую уста-
лость стали / Г. В. Карпенко, О. А. Кузин, В. И. Ткачев,
В. П. Руденко // Докл. АН СССР. — 1976. — 227, № 1.
— С. 85–86.
22. Эволюция ферритоперлитной структуры при импуль-
сном воздействии электротока / О. В. Соснин, Ю. Ф.
Иванов, В. Е. Громов и др. // Физ. и хим. обраб. материа-
лов. — 2003. — № 4. — С. 63–69.
23. Лоскутов С. В., Левитин В. В. Влияние электроимпуль-
сной обработки на структуру и долговечность титановых
сплавов // Журн. техн. физики. — 2002. — 72, № 4. —
С. 133–135.
24. Пудов В. И., Соболев А. С. Оптимизация физико-механи-
ческих свойств поликристаллических многокомпонент-
ных ферромагнитных материалов методом термомагнит-
ной обработки. Ч. 2. Термомагнитная обработка леги-
рованных сталей // Физ. и хим. обраб. материалов. —
2004. — № 5. — С. 94–97.
25. Батаронов И. Л. Механизмы электропластичности // Со-
росовский образовательный журн. — 1999. — № 10. —
С. 93–99.
26. Климов К. М., Шнырев Г. Д., Новиков И. И. Об «элект-
ропластичности» металлов // Докл. АН СССР. — 1974.
— 219, № 2. — С. 323–324.
27. Фикс В. Б. Увлечение и торможение подвижных дефек-
тов в металлах электронами проводимости. Роль закона
дисперсии электронов // Журн. эксп. и теорет. физики.
— 1981. — 80, № 4. — С. 1539–1542.
28. Фикс В. Б. О взаимодействии электронов проводимости
с одиночными дислокациями в металлах // Там же. —
1981. — 80, № 6. — С. 2313–2316.
29. Нацик В. Д., Маковоз Д. Б. Взаимодействие плазменных
колебаний электронов проводимости металла с дислока-
циями // Физ. мет. и металловедение. — 1987. — 63, № 4.
— С. 645–653.
30. Кравченко В. Я. О возможности наблюдения движения
дислокаций в проводящих кристаллах по электрическим
эффектам // Физ. твердого тела. — 1967. — 9, № 4. —
С. 1050–1056.
31. Харченко Г. К., Фальченко Ю. В., Игнатенко А. И. О ме-
ханоэлектрическом эффекте при сварке давлением // Ав-
томат. сварка. — 1997. — № 1. — С. 50.
32. Слетков А. А. Торможение трещин импульсами электри-
ческого тока: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Воро-
неж, 1977. — 18 с.
33. Чеботкевич Л. А., Урусовская А. А., Ветер В. В. Движе-
ние дислокаций под действием магнитного поля // Крис-
таллография. — 1965. — 10, № 5. — С. 688–691.
34. Взаимодействие блоховских стенок с дислокациями в
слабых полях / Л. А. Чеботкевич, А. А. Урусовская, В. В.
Ветер, А. Д. Ершов // Физ. твердого тела. — 1967. — 9,
№ 4. — С. 1093–1097.
35. Спицин В. И., Троицкий О. А. Электропластический эф-
фект в металлах // Вест. АН СССР. — 1977. — № 11. —
С. 10–15.
36. Паршенков Н. А. Оценка влияния индуктивной составля-
ющей намагничивания ферромагнитных конструкций на
сварочные процессы // Автомат. сварка. — 1991. — № 5.
— С. 23–28.
37. Гуденаф Дж. Магнетизм и химическая связь / Пер. с
англ. — М.: Металлургия, 1963. — 325 с.
38. Шимони К. Теоретическая электротехника / Пер. с нем.
— М.: Мир, 1964. — 773 с.
39. Киттель Ч. Элементарная физика твердого тела / Пер. с
англ. — М.: Наука, 1965. — 366 с.
40. Латышев А. П. Теория размагничивания. — Л.: ВМОЛА,
1960. — 350 с.
41. Троицкий О. А. Электропластическая деформация стали
растяжением и волочением // Сталь. — 1974. — № 5. —
С. 450–453.
42. Климов К. М., Новиков И. И. О перспективах развития
методов электростимулированной прокатки металлов //
Металлы. — 2004. — № 3. — С. 45–51.
43. Структура та властивості поверхневого шару інстру-
менту з сталі Р6М5 після магнітно-абразивної обробки /
М. М. Бобіна, В. С. Майборода, Н. В. Ульяненко, А. В.
Бобін // Фізика і хімія твердого тіла. — 2002. — 3, № 4.
— С. 577–580.
44. Дудкина Н. Г., Захаров И. Н. Исследование микротвер-
дости поверхностного слоя углеродистых сталей после
электромеханической обработки // Металлы. — 2004. —
№ 4. — С. 64–70.
45. Дудко Д. А., Кузьменко А. Б. Виброимпульсное воз-
действие на кристаллизующийся металл сварочной
ванны при ЭШС // Автомат. сварка. — 1997. — № 11.
— С. 32–36.
Data on the main features and mechanisms of electromagnetic action on the structure of the base metal and welded joints
are described.
Поступила в редакцию 23.07.2006
26 6/2007
|