Файл: Немкевич, А. С. Конструирование и расчет печатающих механизмов-1.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 84
Скачиваний: 0
ментации зерен. При этом значительно проявляется рельеф гра ниц зерен, связанный с линейными смещениями и разориентировкой границ.
Неравномерность распределения деформационного микро рельефа й соответственно запасенной энтальпии деформации в раз ных точках вызывает значительную деформационную микроэлектрохимическую гетерогенность вмасштабах как одного зерна так и всей поверхности вследствие действия кристаллографиче ского фактора. На электрохимическую неоднородность, обусло вленную различиями в кристаллографической ориентации зерен, вышедших на поверхность металла, накладывается деформацион ная микроэлектрохимическая неоднородность, вызванная неравно мерным распределением деформации внутри зерен и между раз личными зернами, имеющими различную ориентацию относи тельно направления приложенного напряжения.
На рис. 61 приведена схема, иллюстрирующая рассмотренное положение. В зерне А произошли сдвиги в ограниченной системе
плоскостей скольжения, что привело к значительному уменьше нию стандартного электродного потенциала в области выхода на поверхность группы линий скольжения. В зерне В сдвиги
произошли в наиболее слабых местах, и локальный потенциал их также изменился в сторону отрицательных значений. Зерно Б
неблагоприятно ориентировано относительно оси образца (и на правления а), поэтому фактор ориентации cos0coscp слишком1
Рис. 61. Схема образования мнкроэлектрохимнческой гетерогенно сти деформируемого поликристаллического металла
1 Уместнее здесь было бы употребить термин «субмикроэлектрохимическая гетерогенность»,
173
мал и в зерне сдвигов совсем не было. Скачки потенциала при переходе от зерна к зерну обусловлены различной кристаллогра фической ориентацией поверхностей этих зерен. Таким образом, вследствие неравенства
cos 0Л cos срл > cos 0д cos фв > cos 0В cos ф5
возникла значительная микроэлектрохимическая гетерогенность деформированного поликристаллического металла (как в мас штабе одного зерна, так и в масштабе всей поверхности).
Для экспериментального выявления неоднородности, связан ной с различной ориентацией граней кристаллитов, был выбран химически однородный металл — армко-железо (электроннолу чевой выплавки и обычной выплавки), отожженное в вакууме (при 920° С) с целью получения зерен максимального размера. Перед измерениями рабочий шлиф подвергали слабому тра влению (2% H N 03 в этиловом спирте) для выявления границ зерен.
Измерения выполняли по микроэлектродной методике (размер |
||
среза |
микрокапилляра 0,5— 1,0 |
мкм), подробно описанной в ра |
боте |
[123]. Для исследования |
экспериментально был подобран |
электролит состава 0,009-н. НС1 + 0,08% Н 20 2 + |
0,0001 %К2Сг20 7. |
Этот электролит оказался оптимальным для выявления микро- |
|
электрохимической гетерогенности, обусловленной кристалло |
|
графической ориентацией: измеряемая разность потенциалов |
|
между отдельными зернами максимально приближалась к началь |
|
ной разности потенциалов. Доказательством является отсутствие |
|
зависимости измеряемой разности потенциалов |
от расстояния |
между исследуемыми зернами на поверхности шлифа (что ука зывает на отсутствие «макропар» в таком электролите) и наличие зависимости только от интенсивности растворения зерен, опре деляемой по внешнему виду в поле микроскопа. На рис. 62 пока зана поверхность шлифа, прокорродировавшего в разбавленном электролите; видны светлые (медленно растворявшиеся) и потем невшие (быстро растворявшиеся) зерна, образующие «микро пары».
На рис. 63 и 64 приведены результаты исследования микроэлектрохимической гетерогенности шлифа из отожженного армкожелеза электроннолучевого переплава. При измерениях микро электрод последовательно перемещали по прямой линии с шагом 0,05 мм. Сплошные кривые на обоих рисунках характеризуют распределение потенциалов, полученных усреднением в преде лах зерен, границы и потемнение которых обозначены на оси абс цисс. Максимальная величина Дф достигает 25 мВ и примерно в два раза превышает значение Дф, измеренное на образцах обыч ной выплавки (рис. 65). Следовательно, кристаллографическая ориентация граней зерен проявляется в микроэлектро/имической гетерогенности сильнее в случае более чистых материалов.
Локализация деформационного сдвига потенциала нулевого заряда и изменения работы выхода
Выше рассматривался потенциал деформации для одной дисло кации или одного дислокационного скопления из п дислокаций.
Вместе с тем на практике всегда измеряют заряд поверхности или работу выхода электрона для макроскопического куска металла. Поэтому важно установить соотношение между локальными и нелокальными процессами, доступными наблюдению.
Основные методы измерения поверхностного заряда твердого металла и работы выхода электрона — соответственно метод дифференциальной емкости и метод контактной разности потен циалов (КРП). Эти методы интегральные, т. е. с их помощью измеряют величину электрического тока со всей поверхности об разца: в случае метода дифференциальной емкости — тока реак тивной проводимости, а в случае КРП — тока термоионной эмис сии г.
Вследствие тождественности деформационного сдвига потен циала нулевого заряда и деформационного изменения работы, выхода электрона проанализируем нелокальные явления на при мере измерения КРП. Интенсивность потока термоионной эмиссии характеризуется формулой Ричардсона:
У = ЛГ2е х р ( - ^ ) , |
' (239) |
где Т — абсолютная температура; |
|
со„ — работа выхода электрона. |
дислока |
Величина работы выхода электрона в окрестности |
ции является функцией координат подобно величине потенциала деформации (см. гл.П):
-в**"— = АФ* (г) = Аф„ (г) = |
zFn (|хб)2 (Рх+ 2м) |
(240) |
||
бея2/-2 (Г— v)2 |
||||
Следовательно, |
локальный ток эмиссии равен: |
|
||
|
( |
Д < \ |
|
|
J |
{г) = J exp |
= |
|
|
= |
/ех р [e*Fn (цй)2 (Pi + 2u)/6enV (l — v)2kT~], |
(241) |
||
где J — интенсивность эмиссии недеформированной поверхности.
Интегрируя ток эмиссии по всей поверхности образца, опреде ляя среднее изменение работы выхода для образца в целом из соотношения / 0бр = J exp (— Aae0cp/kT) и повторяя ход рас-1
1 При измерениях экзоэмиссии в связи с изучением работы выхода также имеют дело с интегральным значением тока.
176
Суждений гл. 'П *, находим |
Для достаточно |
большой |
степени де |
формации и больших дислокационных скоплений: |
|
||
Д«обР = /гД©м — kT In п + |
kT In (ДSmN). |
|
(242) |
Здесь Асом — среднее изменение работы |
выхода |
в масштабе |
|
одной дислокации, равное |
|
|
|
-VO
(243)
Следовательно, с ростом степени деформации и числа дисло каций в скоплениях происходит локализация деформационного сдвига потенциала нулевого заряда и изменяется работа выхода электрона так, что деформационное влияние на измеряемые пара метры двойного электрохимического слоя и измеряемую работу выхода все более определяется поведением области одного дисло кационного скопления. В частности, измеряемая средняя работа выхода образца в целом приближается к локальной величине работы выхода в окрестности дислокационного скопления (не смотря на уменьшение числа «активируемых мест» на поверх ности) .
Для проверки этого положения измеряли [85 ] дифференциаль ную емкость двойного слоя на проволочных образцах стали Св-08, имеющих различную длину рабочей части, при значении потен циала —700 мВ (по 2-н. ртутно-сульфатному электроду) 1 в 0,1-н. растворе H 2SO,, (рис. 66). С увеличением степени деформации дифференциальная емкость возрастала.
Изменение потенциала Дер на всех ступенях деформации (кри
вая 3, рис. 66) происходило в сторону отрицательных |
значений |
и составляло 70— 100 мВ. |
до 10 мм |
При увеличении длины рабочей части образцов с 2 |
(т. е. при увеличении площади ее поверхности в пять раз) общий характер зависимости дифференциальной емкости от степени де формации е сохраняется при уменьшении величины АС, однако характер и величина изменения потенциала резко меняются (кри вая 4, рис. 66), причем наблюдается большой разброс значений
Для разных образцов. Бесспорным является то, что с увеличением площади поверхности в пять раз абсолютная величина Дф резко уменьшилась.
Сопоставим кривые С = / (е) для образцов с длиной рабочей
части 2 и 10 мм, откладывая по оси ординат емкость, отнесенную
* После усреднения модели нелинейного расширения по азимутальной ко ординате в формуле (241) фигурирует лишь расстояние г от оси дислокации, что
в |
геометрическом |
отношении эквивалентно |
осесимметричной модели (гл. II) |
с |
координатой х, |
тождественной координате |
г. |
1 Анодная поляризация (в области активного растворения железа) подав ляла катодные процессы и исключала наводороживание металла.
12 Э. М. Гутман |
' 177 |
С, МкФ
Рис. GG. Зависимость дифференциаль ной емкости С и изменения потен циала Дф от степени деформации е (в условиях анодной поляризации):
/, 2 — дифференциальная емкость при потенциале—700 мВ и приоста навливающемся после деформации значении потенциала соответственно; 3 , 4 — изменение потенциала образца при длине его рабочей части 2 и !0 мм
■Рис. 67. Зависимость диффе ренциальной емкости С, отне сенной ко всей рабочей по верхности образца, от дефор мации (в условиях анодной поляризации):
/ — потенциал—700 мВ, обра зец с длиной рабочей части 2 мм; 2 — то же, при длине рабочей части 10 мм; 3 — ус танавливающийся потенциал; образец с длиной рабочей ча сти 2 мм; 4 — то же, при дли не рабочей части 10 мм
ко всей рабочей поверхности (рис. 67). Кривые 1 и 3 рис. 67 соответствуют кривым I и 2 рис. 66, а кривые 2, 4 построены по
результатам опыта, в котором изменение Дер характеризуется кривой 4 рис. 66 (длина рабочей части образца 10 мм).
Изменение рабочей площади' недеформированных образцов не влияет на величину емкости, отнесенную к единице поверх ности. Разница в значениях полной дифференциальной емкости образцов до деформации соответствует разнице в площадях ра бочей поверхности (рис. 67). Однако с увеличением степени де формации различие в емкости исчезает (кривые сближаются), что указывает на электрохимическую гетерогенность поверхности.
С этой точки зрения двойной слой реальной поверхности ме талла в электролите следует рассматривать как систему парал лельно соединенных «конденсаторов», каждый из которых соот ветствует отдельному микроучастку поверхности с определенным поверхностным зарядом. Поскольку в целом поверхность образца можно считать эквипотенциальной, различие в ее локальных зарядах связано с различием в емкости «конденсаторов». Поэтому измеряемая макроскопическая дифференциальная емкость опре деляется как сумма параллельно соединенных локальных емко стей двойного слоя. Согласно теории электрических цепей
178
полная емкость цепи в этом случае определяется главным обра зом конденсатором с наиболее высокой емкостью.
Следовательно, сближение измеренных величин емкости с ро стом деформации при столь различных площадях поверхности образцов обусловлено деформационной активацией отдельных участков поверхности («конденсаторы» с максимальной емкостью), площадь которых много меньше рабочей поверхности, а число сокращается. В конечном счете (перед разрушением) измеряе мая емкость почти полностью определяется емкостью локального участка в зоне разрушения.
Электрохимическая гетерогенность поверхности определяет также величину измеряемого потенциала и его изменение Дер под влиянием деформации. Однако если полная дифференциаль ная емкость с увеличением степени деформации становится неза висящей от размера рабочей поверхности, то потенциал, а точ нее, его сдвиг Дер, существенно зависят от этой величины (кривые 3 и 4, рис. 66). Это связано с тем, что локализация активирован
ных анодных процессов с ростом деформации увеличивает дей ствующую площадь катодов (или менее эффективных анодов), что ведет к уменьшению сдвига стационарного потенциала.
Аналогичная картина наблюдается и в условиях анодной по ляризации с той лишь разницей, что вместо катодных участков играют роль неактивируемые дефррмацией участки, которые поддерживают смешанный потенциал неизменным. Естественно, что для образцов с рабочей длиной 10 мм величина Дер на всех ступенях деформации значительно меньше, чем для образцов
сменьшей рабочей площадью, и имеет тенденцию к уменьшению
сростом степени деформации. Именно поэтому заметное (до 100 мВ) разблагораживание потенциала при деформации впервые удалось наблюдать при помощи микроэлектрохимического зонда в вер шине искусственного концентратора напряжения [124 ] ,- причем для получения измеримого эффекта неважно, активируется ли металл в вершине концентратора, или там происходит разрушение поверхностных пленок, или оба эти фактора действуют совместно.
2. МИКРОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ГЕТЕРОГЕННОСТЬ СТРУКТУРЫ ДЕФОРМИРОВАННОЙ СТАЛИ
Феррито-перлитная сталь
Материалом для исследования служила сталь 20, отожжен ная в вакууме при 1200° С, 10 ч. Распределение электродных потенциалов на поверхности шлифа изучали микроэлектродным методом, описанным в работе [123].
Оптимальным для выявления микроэлектрохимической гете рогенности феррито-перлитной структуры оказался электролит состава: 0,0092-н. H 2S 0 4 + 0,14% Н2О2 + 0,00005% К 2Сг20 7.
Микрокапилляр электрода сравнения (срез диаметром менее 1 мкм) заполняли 0,012-н. раствором серной кислоты.
13* |
17? |