ISSN 2225-7551

Г.К. Харченко, д-р техн. наук

М.М. Руденко, ст. викладач

М.О. Хоменко, канд. техн. наук

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

Ю.В. Фальченко, канд. техн. наук,

А.І. Устінов, д-р фіз.-мат. наук

Ін-т Електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, м. Київ, Україна

ВИНИКНЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНоГО ПОТЕНЦІАЛУ НА ПОВЕРХНі
МЕТАЛЕВих ЗРАЗКів ПРИ ВиСОКОТЕМПЕРАТУРНОМу СИНТЕЗі,
ЩО САМОПоШиРЮється, в наношарУВАТИХ фольгах

Отримано осцилограми електричного потенціалу в металевих зразках під час динамічного впливу на поверхні деталей, що контактують з багатошаровою фольгою, під час протікання у ній СВС реакції. Встановлено залежність характеру електричного потенціалу від складу та властивостей багатошарової фольги.

Ключові слова: багатошарові фольги, реакція високотемпературного синтезу, імпульс, електрична напруга.

Аналіз досліджень та публікацій. У роботах [1–3] показана перспективність застосування багатошарових фольг (БФ) як проміжного прошарку під час дифузійного зварювання композитів та інтерметалідів. Встановлено, що під час використання БФ має місце аномальне прискорення дифузійних процесів у приконтактних об’ємах зразків, що контактують [4]. Такий ефект прискорення масопереносу можливий при імпульсній деформації зони контакту [5]. Розрахункове оцінювання деформованого стану поверхневих шарів зразків, які контактують, під час проходження реакції високотемпературного синтезу, що саморозповсюджується (СВС) у багатошаровій фользі показала, що в поверхневих шарах (~20 мкм) з’являються напруження стиску, що різко переходять у напруження розтягу [6].

Мета статті. Метою цієї роботи було встановлення експериментальних фактів, що підтверджують динамічний вплив реакції СВС у БФ на поверхні, що контактують.

Виклад основного матеріалу. У роботах [7; 8] вивчена поява електричної напруги в металах, які імпульсно ударно навантажують за відсутності зовнішнього електричного поля. Появу електричної напруги в металах автори [7; 8] пояснюють утворенням та рухом дислокацій.

Під час проходження реакції СВС у БФ іде хвиля «горіння» зі швидкістю до 5 м/с і температурою на гребені хвилі до 1300 ºС. Відбувається імпульсне термічне розширення поверхневого шару зразка, виникають механічні напруги, які приводять до генерації та незворотного розмноження лінійних дефектів-дислокацій, які зумовлюють виникнення в зразку електричного потенціалу. Такий ефект повинен проявлятися як при пружному, так і при пластичному деформуванні матеріалу.

Схема експерименту наведена на рисунку 1. Модельний експеримент проводили на зразках Ст3 розміром 20х20х6 мм. Зразки контактували через проміжний шар БФ. Невеликий вантаж забезпечував стиск зразків, які попередньо нагрівали до температури на 100 … 150 °С нижче температури початку процесу СВС. Після проходження реакції СВС зразки пластично не деформувалися й вільно роз'єднувалися. Підпал фольг здійснювали на повітрі й у вакуумі за допомогою розпеченої спіралі. Застосовували БФ складу Ti/Al і Ni/Al, товщиною 20 … 100 мкм. Вимірювання електричної напруги проводили за допомогою цифрового осцилографа Tetronix TDS 220.

На рисунку 2 представлений характерний вид осцилограм імпульсу електричної напруги в зразках при СВС у фольгах Ni/Al товщиною 25, 33 і 64 мкм, а також осцилограма електричної напруги під час удару сталевої кульки вагою 20 г, що падає з висоти 10 см на зразки. У таблиці наведені характерні величини імпульсу напруги й часу його дії.

Осцилограма імпульсу електричної напруги в зразку під час падіння на нього сталевої кульки показує утворення в ньому пружної деформації. Аналогічна картина спостерігається в зразках при СВС у багатошарових фольгах, тобто СВС зумовлює появу пружних деформацій у зоні контакту поверхонь, між якими розміщалася багатошарова фольга.

Надані матеріали свідчать про те, що величина імпульсу електричної напруги знижується під час збільшення товщини БФ, а тривалість імпульсу зростає. Експерименти показали, що попередня термообробка (старіння) БФ і повна ізоляція зразків зумовлюють зниження величини імпульсу електричної напруги.

Таблиця 1

Результати вимірювань імпульсів напруги

№ фольги

d, мкм

U, мВ

t, мс

удар шарика

130 … 150

0,3 … 0,5

337

15

70 … 80

10 … 15

344

33

60 … 70

20 … 30

340

64

30 … 40

150 … 170

Висновки. Встановлено, що зростання напруги для фольг Ni/Al значно вище, ніж для Ti/Al, що узгоджується з відомими даними про хід реакції СВС у цих БФ. Теплове виділення при СВС у фользі Ni/Al значно перевищує аналогічні показники для фольги Ti/Al.

Якщо НФ складається із двох частин із зазором між ними, то при СВС реакції спостерігається 2 піки електричного сигналу (при цьому візуально фіксується 2 спалахи «горіння»). На рисунку 3 представлена характерна осцилограма електричної напруги при наявності тріщини в НФ.

Описание: Схема сборки

1 – вантаж; 2 – зразки Ст3; 3 – наношарувата фольга; 4 – осцилограф;
5 – пристрій для підпалу фольги

Рис. 1. Схема експерименту

 

Описание: Импульс шарик-2

Описание: Импульс 15 мкм-2

а)

б)

Описание: Импульс 33 мкм-2

Описание: Импульс 64 мкм-2

в)

г)

Рис. 2. Осцилограми електричної напруги при ударі кулькою по зразках (а), при СВС
в наношарових фольгах Ni/Al товщиною 15 мкм (б), 33 мкм (в) та 64 мкм (г)

Описание: Импульс трещина-2

Рис. 3. Осцилограма імпульсу електричної напруги при СВС у фользі Ti/Al товщиною
20 мкм з тріщиною

Список використаних джерел

1. Многослойные фольги Ti/Al: способы получения, свойства и применение при сварке давлением / А. И. Устинов, Ю. В. Фальченко, Т. В. Мельниченко и др. // Современная электрометаллургия. – 2012. – №1. – С. 30-37.

2. Дифузійне зварювання сплаву TiAl / Г. К. Харченко, А. І. Устінов, Ю. В. Фальченко та ін. // Вісник ЧДТУ. Серія “Технічні науки”. 2008. № 36. С. 94-99.

3. Диффузионная сварка микродисперсного композита АМг5 + 27% Al2O3 с применением нанослойной фольги Ni/Al / А. Я. Ищенко, Ю. В. Фальченко, А. И. Устинов и др. // Автоматическая сварка. – 2007. – № 7. – С. 5-9.

4. Дослідження дифузійних процесів у зварних з’єднаннях алюмініду титану (TiAl) / Г. К. Харченко, В. Ф. Мазанко, А. І. Устінов та ін. // Вісник ЧДТУ. Серія “Технічні науки”. 2009. №37. С. 117-119.

5. Мазанко В. Ф. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций / В. Ф. Мазанко, А. В. Покоев, В. М. Миронов и др. – М.: Машиностроение-1, 2006. – 319 с.

6. Температурні напруження, що виникають під час миттєвого нагрівання контактуючих поверхонь / І. О. Прибитько, Л. В. Петрушинец, Г. К. Харченко та ін. // Вісник ЧДТУ. Серія “Технічні науки”. 2011. № 47. С. 55-61.

7. Електричні явища при швидкісному деформуванні металів та сплавів / В.Ф. Мазанко, В.П. Бевз, С.П. Ворона та ін. // Вісник ЧДТУ. Серія технічні науки. 2008. №34. С. 125-132.

8. Аномальный массоперенос и возникновение ЭДС в металлах при импульсном ударном нагружении / В. П. Бевз, В. Ф. Мазанко, О. В. Филатов и др. // Металлофизика и новейшие технологи. 2006. Т. 28 (специальный выпуск). С. 271-277.