Электропластический эффект в металлах

Обновлено: 04.10.2024

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,

Используя закон Ома,

где j — плотность тока, получаем

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 10 4 —10 6 А/см 2 , 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.

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

Выходы: длина, объем.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.6.


Рис. 2.6. Нагревание пластин с разным коэффициентом теплового расширения

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.

Основной закон теплового расширения

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.

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


Выходы: давление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.7.

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.

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

где ρ 1и ρ2— плотность жидкости 1 и газа 2;

g — ускорение свободного падения;

σ12— поверхностное натяжение на границе двух сред;

r — радиус кривизны.

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

Выходы: объем, сила, давление.


Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Фазовый переход первого рода

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.

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;

Графическая интерпретация уравнения приведена на рис. 2.8.

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.

Электропластический эффект в металлах

Рассмотрен механизм электропластического эффекта (ЭПЭ) и возможные области его технологического применения при прокатке, волочении, вытяжке, тонколистовой штамповке и других способах обработки металлов давлением.

Обосновано представление, что электропластическая деформация металла, основой которой является ЭПЭ, может быть применена на среднем и мелко металлургическом переделе. ЭПЭ позволяет снизить сопротивление металла деформированию на 25–30 %, увеличить пластичность металла во время его обработки, увеличить остаточную пластичность до 30 %. За счет повышения степени совершенства аксиальной текстуры проволоки при волочении по технологии с использованием ЭПЭ достигается снижение ее электрического сопротивления на 15 %. При электропластической деформации металла (ЭПДМ) нержавеющих сталей практически полностью подавляется аустенитно-мартенситное фазовое γ→α-превращение, что делает ненужными операции дорогостоящих и энергоемких аустенизирующих отжигов.

На основе ЭПЭ в разных странах (в основном в России, Южной Корее, Италии, Великобритании и Китае) создано примерно 45 станов и мощных металлообрабатывающих станков, работающих по технологиям ЭПДМ. Разрабатываются различные варианты эффективных энергосберегающих критических технологий ЭПДМ прокаткой, волочением, штамповкой, вытяжкой и плющением, а также брикетирования с током металлических отходов. Создается новое и модернизируется существующее оборудование под технологию ЭПДМ.

Ключевые слова

Об авторе

Доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник.

Список литературы

1. Троицкий О.А. Электромеханический эффект в металлах // Письма в ЖЭТФ. 1969. Т. 2. № 10. С. 18–22.

2. Троицкий О.А., Розно А.Г. Электропластическая деформация в металлах // Физика твердого тела. 1970. Т. 12. № 1. С. 203–209.

3. Троицкий О.А. Пластическая деформация металла, вызванная пинч-эффектом // Изв. АН СССР. 1977. Сер. № 6. С. 118–122.

4. Спицын В.И., Троицкий О.А. Моделирование теплового и пинч-эффекта импульсного тока на пластическую деформацию металла // ДАН СССР. 1975. № 5. С. 1070–1073.

5. Okazaki K., Kagava M., Conrad H. Electroplastic effect in metals // Scr. Met. 1978. № 12. Р. 1063.

6. Okazaki K., Kagava M., Conrad H. // Scr. Met. 1979. № 13. С. 277.

7. Okazaki K., Kagava M., Conrad H. // Scr. Met. 1979. № 13. С. 473.

8. Батаронов И.Л., Батенко Т.А., Рощупкин А.М. О линейном отклике дислокационного ансамбля на воздействие током // Изв. АН СССР. 1995. Т. 61. № 5. С. 877–885.

9. Батаронов И.Л., Рощупкин А.М. Электропластическая деформация металла и динамический ПЭ // Изв. вузов. Черная металлургия. 1993. № 8. С. 57–61.

10. Батаронов И.Л., Рощупкин А.М. К электронной теории динамического пинч-эффекта в металлах // Изв. вузов. Черная металлургия. 1993. № 8. С. 61–64.

11. Структура и свойства перспективных металлических материалов / А.Я. Багаутдинов, В.Г. Громов, Ю.И. Головин, О.А. Троицкий и др. ― Томск: изд-во НТЛ. 2007. ― 575 с.

12. Zuev L.D., Gromov V.E., Gurevich L.I. The effect of electric current pulses on the dislocation mobility in Zn single grystals // Physica Status Solidi (a). 1990. V. 121. Р. 437–443.

13. Зуев Л.Б., Громов В.Е., Курилова И.Ф. и др. Подвижность дислокаций в монокристаллах Zn при действии импульсов тока // ДАН СССР. 1978. Т. 239. № 1. С. 84–87.

14. Моlotskii М., Fleurov V. // J. Phys. Chem. B. 2000. V. 104. Р. 3812–3816.

15. Баранов Ю.В., Троицкий О.А., Аврамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы. ― М.: изд-во МГИУ. 2001. ― 843 с.

16. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технологии, структура и свойства). ― Ижевск: изд-во РХД, АНО ИКИ. 2004. Т. I. ― 590 с. Т. II. ― 467 с.

17. Roschupkin A.M., Ваtaronov I.L., Troitskii O.A., Moiseenko M.M. Electric current effect on metal surface layers // Physica Status Solidi (b). 1989. V. 151. № 1. Р. 121–126.

18. Громов И.Е., Громов Л.Б., Батаронов И.Л., Рощупкин А.М. Развитие представлений о подвижности дислокаций при токовом воздействии // Физика твердого тела. 1991. Т. 33. № 10. С. 3027–3032.

19. Рощупкин А.В., Батаронов И.Л. Критический анализ теорий электропластического эффекта // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991. № 10. С. 75, 76.

20. Рощупкин А.М., Батаронов И.Л. Физические основы электропластической деформации металлов // Изв. вузов. Физика. 1996. № 3. С. 57–65.

21. Рощупкин А.М., Батаронов И.Л. О влиянии электрического тока и магнитного поля на взаимодействие дислокаций с точечными дефектами в металлах // Физика твердого тела. 1988. Т. 30. № 11. С. 3311.

22. Батаронов И.Л., Горнов С.К., Рощупкин А.М. Формирование термоупругих напряжений импульсным электрическим током и их роль в электропластической деформации металла // Изв. вузов. Черная металлургия. 1992. № 6. С 105–108.

23. Троицкий О.А. Исследования электропластической деформации металлов // Проблемы прочности. 1976. № 12.

24. Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. ― М.: Наука, 1985. ― 160 с.

25. Sprecher A.F., Mannan S.L., Conrad H. On the mechanisms for electroplastic effect in metals // Acta Metallurgica. 1986. V. 34. № 7. Р. 1145–1162.

26. Conrad H., Sprecher A.F. The electroplastic effect in metals // Dislocation in Solids, edited by F.R.N. Nabaro. 1989. V. 8. Р. 497–541.

27. Molotskii M., Fleurov V. Magnetic effect in electroplasticity of metals // Physical Review B. 1991. V. 52. № 22. Р. 311–317.

28. Молоцкий М. Physics of solid // Физика твердого тела. 1991. Т. 33. № 10. С. 3112.

29. Molotskii M. Plasticity of ferromagnets near the curie point // Philosophical Magazine. 2003. V. 83. № 12. Р. 1421.

30. Троицкий О.А., Спицын В.И., Сташенко В.И. // ДАН СССР. 1981. Т. 256. № 5. С. 1134–1137.

31. Сташенко В.И., Троицкий О.А., Яновский Ю.Г., Ульянов Л.П. // Изв. АН СССР. Металлы. 1981. № 2. С. 176.

32. Кравченко В.Я. Взаимодействие направленного потока электронов с движущимися дислокациями // ЖЭТФ. 1966. Т. 51. № 36 (12). С. 1676–1681.

33. Кравченко В.Я. Влияние электронов на торможение дислокаций в кристаллах // Физика твердого тела. 1966. Т. 8. № 3. С. 927–933.

2.1.4. Электропластический эффект в металлах


Графическая иллюстрация:

Рис.2.4. Волочение проволоки с приложением электрического поля


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

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 (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 P. Тогда общий импульс есть nVP, а сила, действующая на дислокацию

j- плотность тока,


F=.

Применение.

1.Появилась возможность управлять механическими свойства металлов, в частности, процессом обработки металлов давлением, например, деформировать вольфрам при температурах, не превышающих 200 0 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 10 4 - 10 6 А/см 2 ,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 0 С и получение из него проката с высоким качеством поверхности.

3. Снижение усилия, необходимого для протаскивания проволоки через фильеру (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; образовавшиеся 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 сантиметр можно прогнать тепловую мощность порядка 10 киловатт при разности температур на концах трубы (это аналог разности электрических потенциалов на участке цепи) всего в 5 0 С. Чтобы пропустить эту мощность через медный стержень такого же диаметра, на его концах нужен был бы перепад температуры почти 150 000 0 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.




Читайте также: