Электропластический эффект в металлах

Входы: электрический ток.

Выходы: пластичность, хрупкость.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.4 и 2.5.

Рис. 2.4. Волочение проволоки с приложением электрического поля

Сущность

Рис. 2.5. Схема дислокации: дислоцированный атом А и вакансии В (удаление атома из узла решетки)

Электропластический эффект — увеличение пластичности и уменьшение хрупкости металла под действием импульсов электрического тока. В основе эффекта лежит взаимодействие электронов с дислокациями (дефектами строения, неоднородностями решетки), которые, перемещаясь, деформируют материал. Импульс тока создает порыв «электронного ветра». Этот порыв не может оторвать закрепленные дислокации, но он сносит их свободные участки. В результате сопротивление металла деформации сильно уменьшается, увеличивается пластичность и уменьшается хрупкость металла. При переменном токе эффект не наблюдается.

Математическое описание

Дислокация есть неоднородность решетки (см. рис. 2.5), электроны проводимости, движущиеся вдоль проводника (металла) с дрейфовой скоростью V, будут терять ее в момент столкновения с дислокациями. Это приводит к возникновению дополнительной силы.

Пусть дислокация единичной длины равна площадке размером b, тогда за единицу времени с ней столкнется nV электронов, каждый из которых имеет импульс Р. Тогда общий импульс есть nVP, а сила, действующая на дислокацию,

F=bnVP.

Используя закон Ома,

j = nVe,

где j — плотность тока, получаем

Применение

1. Возможность управлять механическими свойствами металлов, в частности, процессом обработки металлов давлением, например, деформировать вольфрам при температурах, не превышающих 200 °С и получить из него прокат с высоким качеством поверхности.

В экспериментах с импульсным током было найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток высокой плотности 10⁴—10⁶ А/см², то величина эффекта будет порядка десятков процентов. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений в металле.

2.Использование эффекта для деформации вольфрама при температурах, не превышающих 200 °С и получение из него проката с высоким качеством поверхности.

3. Снижение усилия, необходимого для протаскивания проволоки через фильеру (см. рис. 2.4): усилие снижается на 15-20 %, сокращается число обрывов проволоки, изменяются механические свойства проволоки. На ее поверхности вместо твердого слоя, характерного для обычного процесса, образуется мягкий, проволока становится более пластичной.

2.2.Молекулярные явления

Молекулярная физика — раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела. Наиболее интересными из этой группы являются биметаллы, термокапиллярный эффект, тепловые трубы.

Биметаллические пластинки — соединенные каким-либо способом две металлические полоски с различным коэффициентом теплового расширения. Они являются отличным преобразователем тепловой энергии в механическую. Использование эффекта различного расширения у различных металлов позволило создать тепловой диод.

Термокапиллярный эффект — зависимость скорости растекания жидкости от неравномерности нагрева жидкого слоя. Эффект объясняется тем, что поверхностное натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. Поэтому при различии температур в разных участках жидкого слоя возникает движущая сила растекания, которая пропорциональна градиенту поверхностного натяжения жидкости. В результате возникает поток жидкости в смачивающей пленке. Влияние неравномерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов (например, поверхностно-активных). У чистых жидкостей перетекание происходит от холодной зоны к горячей. При испарении поверхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение, жидкость начинает перетекать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жидкости определяется тем, как изменяется поверхностное натяжение в зоне нагрева, а также от температуры испарения какого-либо компонента.

Среди новых теплообменных систем важное место занимают тепловые трубы. Один из простых вариантов тепловой трубы — это закрытый металлический цилиндр; его внутренние стенки выложены слоем пористо-капиллярного материала, пропитанного легковоспламеняющейся жидкостью. Именно с движением этой жидкости связана теплопроводность трубы: на горячем конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами перемещаются к холодному концу — это нормальная конвекция. Здесь пары конденсируются и отдают тепло; образовавшаяся жидкость по пористому материалу возвращается обратно, к горячему концу трубы.

Это замкнутый цикл, бесконечный круговорот тела и массы — никаких

движущихся частей, в каком-то смысле вечный двигатель.

Тепловые трубы — непревзойденные проводники тепла, их даже назвали сверхпроводниками. Действительно, через тепловую трубу диаметром в 1 см можно прогнать тепловую мощность порядка 10 кВт при разности температур на концах трубы (это аналог разности электрических потенциалов на участке цепи) всего в 5 °С. Чтобы пропустить эту мощность через медный стержень такого же диаметра, на его концах нужен был бы перепад температуры почти 150 000 °С.

Тепловые трубы сейчас получили широкое применение. Их можно встретить в космической технике, в ядерных реакторах, криогенных хирургических инструментах, в системах охлаждения двигателей. В трубах может выполняться механическая работа за счет энергии движущегося теплоносителя. На их основе, например, создаются МГД-генераторы — теплоносителем в тепловой трубе может быть жидкий металл, и если поместить трубу в магнитное поле, то в металле (на концах проводника) наведется электродвижущая сила. Тепловые трубы могут работать в очень широком диапазоне температур. Все зависит от давления внутри трубы и от применяемого теплоносителя.

Тепловое расширение

Входы: температура.

Выходы: длина, объем.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Нагревание пластин с разным коэффициентом теплового расширения

Сущность

Тепловое расширение — увеличение размеров тела при его нагревании (см. рис. 2.6). Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Также жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул.

Математическое описание

Основной закон теплового расширения

∆ L = α L∆ T,

где L — линейный размер тела;

∆ L — величина расширения тела;

∆ Т — увеличение температуры тела;

α — коэффициент линейного теплового расширения.

В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Применение

А. с. 471140. Устройство для волочения металлов со смазкой под давлением, содержащее установленные в корпусе рабочую и уплотнительную волоки, образующие между собой и корпусом камеру (в которой находится смазка), отличающееся тем, что с целью упрощения конструкции и повышения производительности, средство для создания в камере высокого давления выполнено в виде нагревательного элемента, расположенного внутри камеры.

А. с. 175190. Устройство для учета количества наливов металла в изложницу, отличающееся тем, что с целью автоматизации процесса учета оно выполнено в виде корпуса, прикрепленного к изложнице, в полости которого расположено счетное устройство, состоящее из трубки с шариками и биметаллической пластинки, на конце которой укреплен отсека- тель, пропускающий при нагреве пластинки шарик, падающий в накопительную емкость.

А. с. 518614. Тепловой диод, содержащий входной и выходной теплопроводы, имеющие узел теплового контакта, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции узел теплового контакта выполнен по типу «вилка — розетка» и вилка выполнена в теле входного, а розетка в теле выходного теплопроводов.

Капиллярные явления

Входы: нет.

Выходы: давление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.7.

Сущность

Капиллярные явления — физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред (явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром).

Рис.2.7.Капилляр в сосуде с водой

Когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. В условиях невесомости ограниченный объем жидкости, не соприкасающейся с другими телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна.

Форму шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой). При нескомпенсированной силе тяжести картина существенно меняется: маловязкая жидкость (например, вода), взятая в достаточном количестве, принимает форму сосуда, в который она налита. Ее свободная поверхность оказьюается практически плоской, так как силы земного притяжения преодолевают действие поверхностного натяжения, стремящегося искривить и сократить поверхность жидкости. Однако по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения снова становится определяющей: при дроблении жидкости в среде газа или газа в жидкости образуются мелкие капли или пузырьки практически сферической формы.

При контакте жидкости с твердыми телами на форму ее поверхности существенно влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и твердого тела. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует с поверхностью твердого тела (капилляра, сосуда), чем находящийся над ней газ. Силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, что приводит к искривлению примыкающего к стенке участка поверхности. Это создает отрицательное (капиллярное) давление, которое в каждой точке искривленной поверхности в точности уравновешивает давление, вызванное подъемом уровня жидкости. Гидростатическое давление в объеме жидкости при этом изменений не претерпевает.

Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки. Это может приводить к значительной объемной деформации высокодисперсных систем и пористых тел — капиллярной контракции. Так, например, происходящий при высушивании рост капиллярного давления приводит к значительной усадке материалов.

Если жидкость в капилляре совершает колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается в несколько десятков раз, значительно возрастает и скорость подъема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Открытый эффект уже очень широко используется в промышленности, например, при пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей, окраске тканей, в тепловых трубах и т. п.

Математическое описание

Формула Д. Жюрена определяет высоту h капиллярного поднятия жидкости, полностью смачивающей стенки капилляра:

где ρ ₁и ρ ₂— плотность жидкости 1 и газа 2;

g — ускорение свободного падения;

σ ₁₂— поверхностное натяжение на границе двух сред;

r — радиус кривизны.

Применение

А. с. 437568. Способ пропитки капиллярных пористых тел жидкостями и расплавами, например, полимерным связующим, с применением ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что с целью интенсификации процессов пропитки ультразвуковые колебания сообщают пропитываемому телу.

Фазовые переходы

Входы: температура, давление.

Выходы: объем, сила, давление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Фазовый переход первого рода

Сущность

Фазовые переходы в широком смысле — переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий — температуры, давления, магнитного и электрических полей и т. д.; в узком смысле—скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров.

При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность веществ и энергия тела (см. рис. 2.8). При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывают такие величины, как теплоемкость, теплопроводность и др. Фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии.

К фазовым переходам первого рода относятся испарение и конденсация из газовой в жидкую фазу, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация (десублимация) из газовой в твердую фазу, большинство полиморфных превращений, некоторые структурные переходы в твердых телах, например, образование мартенсита в сплаве железо — углерод. В чистых сверхпроводниках достаточно сильное магнитное поле вызывает фазовый переход первого рода из сверхпроводящего в нормальное состояние. Характерным примером фазового перехода первого рода также может служить переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

В физике рассматривают четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. При переходах из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упорядоченным требует притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же количество тепла, которое поглощается при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход из одного агрегатного состояния в другое обычно имеет место при постоянной температурах. Таким образом, фазовый переход является источником энергии или поглотителем тепла, работающим практически при постоянной температуре. При изменениях агрегатного состояния резко изменяются электрические характеристики вещества. Так, если металл в твердом или жидком виде — проводник, то пары металла — типичный диэлектрик. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние, переход ферромагнетика в парамагнетик при точке Кюри и др. Перекристаллизация металла также является фазовым переходом второго рода. В момент перекристаллизации возникает эффект сверхпластичности металла. В этот момент металл, ранее имевший прочную и сверхпрочную структуру, становится пластичным, как глина. Но длится это явление считанные мгновения и протекает в очень узком, причем непостоянном интервале температур. Непосредственно подстеречь момент, когда начинается фазовое превращение, невозможно, но известно, что при перестройке кристаллической решетки металл начинает переходить из парамагнитного состояния в ферромагнитное, что сопровождается резким изменением его магнитной проницаемости.

Математическое описание

Примером математического описания фазового перехода первого рода может служить уравнение Клапейрона — Клаузиуса — термодинамическое уравнение, относящееся к процессам перехода вещества из одной фазы в другую (испарение, плавление, сублимация, полиморфное превращение и др.). Согласно данному уравнению, теплота фазового перехода (например, теплота испарения, теплота плавления) при равновесно протекающем процессе определяется выражением

где Q— теплота перехода;

dV— скачок объема;

— производная от давления по температуре.

Графическая интерпретация уравнения приведена на рис. 2.8.

Применение

1. Изменение плотности при фазовых переходах у некоторых веществ (например, у воды и олова) позволяет использовать их для получения высоких давлений.

2. При фазовых переходах второго рода наблюдаются интересные изменения макроскопических свойств объектов. У хрома есть температурная точка 37 °С, в которой он претерпевает фазовый переход, при этом у него скачком изменяется модуль упругости. На этом свойстве основан ряд изобретений.

3. Нередко изменения агрегатного состояния вещества позволяет очень просто решать до этого почти неразрешимые технические задачи. Например, как заполнить послойно емкость смешивающимися между собой жидкостями?

А. с. 509275. Способ послойного заполнения емкости смешивающимися жидкостями путем последовательного анализа их, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса, первую жидкость, налитую в емкость, замораживают, следующую жидкость наливают на верхний слой замороженной жидкости, а затем последнюю размораживают.

4. При изменениях агрегатного состояния резко изменяются электрические характеристики вещества. Так, если металл в твердом или жидком виде проводник, то пары металла — типичный диэлектрик. Это свойство использовано в патенте США. Прибор для измерения давления жидкого металла содержит пробоотборную трубку типа трубки Вентури. Через участок этой пробоотборной трубки пропускается регулируемый электрический ток. При определенной величине тока температура взятой пробы жидкого металла возрастает до тех пор, пока жидкий металл не перейдет в парообразное состояние, в результате чего ток прерывается. Период времени, в течение которого через участок пробоотборной трубки протекает ток, является функцией давления жидкого металла в системе. Таким образом, период времени при отборе пробы и подсчете импульсов тока вплоть до момента испарения определяется давлением жидкого металла в системе.

5.А. с. 207678. Пусковое устройство пресса связано с прибором, улавливающим момент фазового перехода: заготовку, нагретую до температуры чуть выше интервала фазового превращения, кладут в матрицу пресса. Остывая, металл заготовки в момент перекристаллизации резко изменяет свою магнитную проницаемость, что отмечается изменением тока в измерительной обмотке прибора, который включает пресс.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒