Проблемы машиностроения и надежности машин, 2021, № 5, стр. 92-96

В последнее десятилетие интерес к давно открытому электропластическому эффекту (ЭПЭ) не только не потерян, но даже увеличился [1–3]. Прежде всего, это связано с потенциальным практическим применением, позволяющим значительно уменьшить механические напряжения, пружинение и повысить деформируемость заготовок в процессах обработки штамповкой, прессованием, прокаткой и волочением [4]. Другой причиной является необходимость более полного понимания физических процессов, сопровождающих пластическую деформацию в присутствии тока. Некоторыми исследованиями установлено, что большое влияние на значимость ЭПЭ оказывают не только вид и режимы тока, но и природа деформируемого материала, и особенно его микроструктура, фазовый состав [5–7]. Предполагается, что особая роль может принадлежать композиционным материалам с различной проводимостью или даже отсутствием проводящих фаз. По-видимому, их объемное распределение в материале может оказывать определенное влияние на проявление ЭПЭ. К таким материалам относятся многожильные сверхпроводники, различные фазы которых могут обладать разной проводимостью, а также быть связными или нет. К настоящему времени отсутствуют данные об особенностях ЭПЭ в подобных материалах. Целью статьи является сравнение деформационного поведения гомогенного и гетерогенного сверхпроводников при воздействии импульсным током.

Материал и методика исследования. Исследования проводились на одножильном и многожильном композиционном прутках Cu–TiNb диаметром 6.1 мм, изготовленных по технологии ВНИИНМ им. А.А. Бочвара. Одножильный пруток из двухкомпонентного сплава Nb–47вес.%Ti изолирован снаружи тонким слоем ниобия и очехлован медной оболочкой. Конструкция многожильного сверхпроводника описана в [8] и представляет собой композит, состоящий из медной матрицы и сверхпроводящих волокон. Материалом волокон служит сплав Nb–47вес.%Ti. Готовые прутки были получены путем операций сборки композита, прессования, прокатки и волочения с промежуточными и финишным отжигами. Для формирования необходимой структуры на промежуточном размере прутки подвергались прокатке с истинной деформацией е = 1.5 в ромбовидных ручьевых калибрах с импульсным током и последующему отжигу при 380°С один час. Деформационная схема прокатки одноволоконного прутка описана в [9]. На размере ∅3 мм выполнены структурные исследования методами оптической микроскопии (ОМ, Axiovert 40 MAT) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, JEM-2100).

Испытания на растяжение проводились при комнатной температуре, скорости деформации 0.5 × 10^–3 с^–1, с введением одиночных импульсов тока плотностью   j = 1600 А/мм² и длительностью импульса τ = 500 мкс. Образцы с размерами рабочей части ∅3 × 20 мм вырезали из прутка, при этом наружный слой меди полностью удалялся.

Результаты исследований и их обсуждение. Макро- и микроструктура. Исследование обоих типов сверхпроводников на макроуровне показало, что они принципиально отличаются степенью структурной однородности: гомогенная структура в одножильном образце и гетерогенная структура в композиционном многожильном образце (рис. 1). Последняя обусловлена наличием медной матрицы с объемным соотношением медь/сверхпроводник равным 1.64 (рис. 1б).

Микроструктура поперечного сечения обоих типов прутков, показана на рис. 2.

В одножильном проводнике хорошо видна (рис. 2а) однородная на микроуровне ультрамелкозернистая (размер зерен/субзерен 100–200 нм), практически однофазная структура, состоящая из темно-серых областей β-TiNb (ОЦК) твердого раствора. Вид электронограммы соответствует структуре, являющейся промежуточной между крупнозернистой и нанозеренной. Частицы второй фазы, присутствующие в исходном прутке, отсутствуют.

В отличие от одножильного образца в многожильном сверхпроводнике (рис. 2б) на микроуровне заметна неоднородность: на фоне более крупных зерен основной фазы β-TiNb размером 200 × 400 нм в темном поле видны светящиеся частицы фазы α-Ti, размером до 25 нм, преимущественно в теле зерен. Это подтверждается и появлением на электроннограмме характерных колец, рефлексы на которых соответствуют α-Ti.

Растяжение с током. На рис. 3 приведены кривые растяжения с одноимпульсным током одножильного (рис. 3а) и многожильного (рис. 3б).

Общим для обоих типов сверхпроводника является одинаковый вид деформационного упрочнения и низкая пластичность, связанная с формированием ультрамелкозернистой микроструктуры. В каждом из проводников введение одиночных импульсов вызывает характерные для многих металлов скачки напряжения вниз, являющиеся основным признаком электропластического эффекта. Отличием в поведении является амплитуда скачка напряжения, которая для макро- и микрооднородной структуры одножильного проводника многократно выше, чем в многожильном проводнике, что свидетельствует о подавлении электропластического эффекта.

Обсуждение. Несмотря на одинаковые стадии и режимы деформационно-термической обработки, применение интенсивной прокатки с током для одножильного и многожильного сверхпроводника приводит к отличающимся по фазовому составу микроструктурам и, соответственно, механическому поведению при растяжении с током. Логично предположить, что основная причина наблюдающихся различий связана с композиционной природой многожильного образца, в котором тонкие сверхпроводящие волокна около 8 мкм в диаметре разделены такими же тонкими прослойками меди. Структурные изменения при Джоулевом нагреве в процессе прокатки с током в подобном композите из-за сильно отличающихся характеристик электро- и теплопроводности меди и TiNb сплава могут приводить к разным эффектам – растворению и выделению частиц α-Fe, соответственно для одножильного и многожильного образца. Расчеты показали, что при используемой плотности импульсного тока j = 100 А/мм² температура одножильного проводника в процессе прокатки может достигать 500°С и способствовать динамической рекристаллизации и процессам растворения/выделения. Действительно, повышение температуры ΔT по закону Джоуля–Ленца

где N – число импульсов тока;  j – плотность тока, А/мм²; ρ_e – удельное электросопротивление, Ом ⋅ м; τ – длительность импульса, с; С – теплоемкость, Дж/(кг ⋅ K); ρ_v – плотность, кг/м³.

При выбранных параметрах: N = 2000;  j = 100 А/мм²; ρ_e = 0.65 × 10^–6 Ом м; τ = 10^–4 с; С = 392 Дж/(кг K); ρ_v = 6535 кг/м³, ΔT = 500°С. В соответствие с диаграммой состояния Ti–Nb эта температура выше температуры выделения частиц (350–400°С) и близка к температуре рекристаллизации в данном сплаве [10]. Для многожильного сверхпроводника из-за наличия контакта с медью повышение температуры будет заметно меньше.

Растяжение с током показало, что одножильный сверхпроводник проявляет электропластический эффект (ЭПЭ) (прыжки напряжения вниз), что согласуется с полученными ранее результатами в других титановых сплавах [7]. В отличие от одножильного образца в многожильном сверхпроводнике амплитуда прыжков вниз настолько мала, что при использованных режимах тока практически не наблюдается. Возможно, этот факт связан с масштабным фактором, т.е. с малым диаметром жил (около 10 мкм) и их большим количеством. В этом случае происходит мгновенная диссипация вводимой тепловой энергии в окружающую хорошо проводящую медную матрицу, объемная доля которой в 1.6 раза превышает долю волокон. Одним из направлений потенциального использования полученных результатов может быть модернизация традиционной технологии получения сверхпроводниковых проводов с заменой на финишных этапах обычной прокатки (волочения) и термического отжига на прокатку с током и электроимпульсную обработку. Это позволит сократить число операций и трудоемкость получения композиционных сверхпроводников.

Выводы. Введение одиночных импульсов тока при растяжении образца одножильного и многожильного композиционного сверхпроводника сопровождается отличительными особенностями в деформационном поведении и проявлении электропластического эффекта. В одножильном проводнике амплитуда скачков напряжения, связанных с импульсом тока, многократно выше амплитуды аналогичных скачков напряжения в многожильном проводнике. Анализ данных свидетельствует, что подавление электропластического эффекта в многожильном проводнике связано с влиянием структурной неоднородности в распределении микроволокон и выделением дисперсных частиц сверхпроводящей фазы.