Электропластичность

Электропластичность описывает улучшенное пластическое поведение. ^{[ который? ]} твердого материала под действием электрического поля . ^{[ 1 ]} Это электрическое поле может быть внутренним, приводящим к протеканию тока в проводящих материалах, или внешним. Влияние электрического поля на механические свойства варьируется от простого повышения существующей пластичности , например, уменьшения напряжения течения в уже пластичных металлах, до повышения пластичности хрупкой керамики . Точные механизмы, контролирующие электропластичность, различаются в зависимости от материала и конкретных условий (например, температуры , скорости деформации, размера зерна и т. д.). Повышение пластичности материалов представляет большой практический интерес, поскольку пластическая деформация обеспечивает эффективный способ превращения сырья в конечную продукцию. Использование электропластичности для улучшения обработки материалов известно как электромеханическое производство.

История

Электропластичность была впервые обнаружена Юджином С. Махлином , который сообщил в 1959 году, что применение электрического поля делает NaCl более слабым и более пластичным. ^{[ 2 ]} С тех пор влияние электрических полей на пластичность изучалось во многих системах материалов, включая металл , керамику и полупроводники . Для объяснения электропластических эффектов и их зависимости от свойств материалов и внешних условий были предложены различные механизмы. Для большинства материалов электропластический эффект возникает в результате сочетания нескольких механизмов. Это не должно быть таким уж удивительным, учитывая, что электрические поля напрямую влияют на электроны , которые определяют связь в материалах и, следовательно, на все явления более высокого уровня, такие как движение дислокаций, напряжение течения, диффузия вакансий и т. д.

Электропластичность металлов

применение электрических полей постоянного тока Известно, что снижает напряжение течения металлов и металлических сплавов , одновременно увеличивая деформацию разрушения. ^{[ 3 ]} Для объяснения этого эффекта было предложено несколько механизмов, включая джоулев нагрев , силу электронного ветра, растворение металлических связей и раскрепление дислокаций из-за индукции магнитных полей. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Ни один из этих механизмов сам по себе не может в полной мере объяснить степень электропластичности металлов. Показано, что применение электрических полей усиливает эффект сверхпластичности , возникающий в поликристаллических металлах при высоких гомологичных температурах (Т>0,5Тм). Вероятно, это связано с тем, что электрическое поле уменьшает кавитацию , что может привести к преждевременному разрушению, и рост зерен, который может предотвратить сверхпластическое течение из-за зернограничного скольжения, а также уменьшить энергию активации зернограничного скольжения. ^{[ 4 ]} Сила электропластического эффекта зависит от величины приложенного электрического поля, превышающей некоторое пороговое значение. Хотя применение электрического поля обычно повышает пластичность металлов, существуют системы сплавов, которые демонстрируют снижение пластичности. Конрад и Ли обнаружили, что энергия активации зернограничного скольжения в Zn -5 мас.% Al увеличивается почти на 20% при применении 2 ${\ce {kV cm^{-1}}}$ Электрическое поле постоянного тока, что приводит к более сложной деформации. ^{[ 5 ]}

Электропластичность в керамике

Применение электрических полей к керамике может привести к пластичности материалов, которые традиционно не проявляют пластической деформации. Однако для достижения значительной пластической деформации керамических материалов обычно необходимы высокие гомологичные температуры. Пластическая деформация керамических оксидов была обнаружена Конрадом и др. происходить при относительно небольших напряженностях электрического поля (0,02-0,32 ${\ce {kV cm^{-1}}}$ ). ^{[ 4 ]} Дефекты, вызывающие деформацию, такие как вакансии и дислокации, имеют тенденцию заряжаться в керамических материалах из-за ионной или ковалентной природы связи. Таким образом, движение электронов может оказывать прямое влияние на подвижность этих дефектов в керамике и последующую пластическую деформацию. Основной эффект электрического поля при деформации мелкозернистых керамических оксидов заключается в смещении пути диффузии от объемной диффузии к зернограничной диффузии, что приводит к большей диффузии и облегчению зернограничного скольжения. ^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}

Ссылки

^ Лахири, Арка; Шантрадж, Пратик; Ротерс, Франц (30 сентября 2019 г.). «Понимание механизмов электропластичности с точки зрения кристаллической пластичности» . Моделирование и симуляция в материаловедении и инженерии . 27 (8): 085006. arXiv : 1906.08150 . Бибкод : 2019MSMSE..27h5006L . дои : 10.1088/1361-651X/ab43fc . ISSN 0965-0393 . S2CID 195069151 .
^ Махлин, Э.С. (июль 1959 г.). «Приложенное напряжение и пластические свойства хрупкой каменной соли» . Журнал прикладной физики . 30 (7): 1109–1110. Бибкод : 1959JAP....30.1109M . дои : 10.1063/1.1776988 . ISSN 0021-8979 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Рушкевич, Брандт Дж.; Гримм, Тайлер; Рагай, Ихаб; Мирс, Лейн; Рот, Джон Т. (13 сентября 2017 г.). «Обзор электротехнического производства с упором на моделирование и понимание электропластического эффекта» . Журнал производственной науки и техники . 139 (11). дои : 10.1115/1.4036716 . ISSN 1087-1357 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Конрад, Ганс (август 2000 г.). «Электропластичность металлов и керамики» . Материаловедение и инженерия: А. 287 (2): 276–287. дои : 10.1016/s0921-5093(00)00786-3 . ISSN 0921-5093 .
^ Ли, Шичунь; Конрад, Ганс (сентябрь 1998 г.). «Усиление электрического поля при сверхпластической ползучести Zn–5 мас.% Al: отрицательный электропластический эффект» . Скрипта Материалия . 39 (7): 847–851. дои : 10.1016/s1359-6462(98)00268-1 . ISSN 1359-6462 .
^ Кэмпбелл, Дж.; Фахми, Ю.; Конрад, Х. (ноябрь 1999 г.). «Влияние электрического поля на пластическую деформацию мелкозернистого Al2O3» . Металлургические и сырьевые операции А . 30 (11): 2817–2823. Бибкод : 1999MMTA...30.2817C . дои : 10.1007/s11661-999-0119-4 . ISSN 1073-5623 . S2CID 136817773 .

[1] Лахири, Арка; Шантрадж, Пратик; Ротерс, Франц (30 сентября 2019 г.). «Понимание механизмов электропластичности с точки зрения кристаллической пластичности» . Моделирование и симуляция в материаловедении и инженерии . 27 (8): 085006. arXiv : 1906.08150 . Бибкод : 2019MSMSE..27h5006L . дои : 10.1088/1361-651X/ab43fc . ISSN 0965-0393 . S2CID 195069151 .

[2] Махлин, Э.С. (июль 1959 г.). «Приложенное напряжение и пластические свойства хрупкой каменной соли» . Журнал прикладной физики . 30 (7): 1109–1110. Бибкод : 1959JAP....30.1109M . дои : 10.1063/1.1776988 . ISSN 0021-8979 .

[:0-3] Перейти обратно: ^а ^б Рушкевич, Брандт Дж.; Гримм, Тайлер; Рагай, Ихаб; Мирс, Лейн; Рот, Джон Т. (13 сентября 2017 г.). «Обзор электротехнического производства с упором на моделирование и понимание электропластического эффекта» . Журнал производственной науки и техники . 139 (11). дои : 10.1115/1.4036716 . ISSN 1087-1357 .

[:1-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Конрад, Ганс (август 2000 г.). «Электропластичность металлов и керамики» . Материаловедение и инженерия: А. 287 (2): 276–287. дои : 10.1016/s0921-5093(00)00786-3 . ISSN 0921-5093 .

[5] Ли, Шичунь; Конрад, Ганс (сентябрь 1998 г.). «Усиление электрического поля при сверхпластической ползучести Zn–5 мас.% Al: отрицательный электропластический эффект» . Скрипта Материалия . 39 (7): 847–851. дои : 10.1016/s1359-6462(98)00268-1 . ISSN 1359-6462 .

[6] Кэмпбелл, Дж.; Фахми, Ю.; Конрад, Х. (ноябрь 1999 г.). «Влияние электрического поля на пластическую деформацию мелкозернистого Al2O3» . Металлургические и сырьевые операции А . 30 (11): 2817–2823. Бибкод : 1999MMTA...30.2817C . дои : 10.1007/s11661-999-0119-4 . ISSN 1073-5623 . S2CID 136817773 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]