Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University26910.18323/2782-4039-2022-1-91-100ArticlesСтатьиThe analysis of changes in microhardness, creep rate, and morphology of the VT1-0 titanium fracture surface deformed under the action of the constant magnetic field of 0.3 TАнализ изменения микротвердости, скорости ползучести и морфологии поверхности разрушения титана ВТ1-0, деформируемого в условиях действия постоянного магнитного поля 0,3 Тлhttps://orcid.org/0000-0001-8130-648XShlyarovVitaly V.ШляровВиталий Владиславович
Russian Federation

postgraduate student of Professor V.M. Finkel Chair of Natural Science Disciplines

аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

shlyarov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9859-8949ZagulyaevDmitry V.ЗагуляевДмитрий Валерьевич
Russian Federation

PhD (Engineering), Associate Professor, assistant professor of Professor V.M. Finkel Chair of Natural Science Disciplines

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

zagulyaev_dv@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3979-7777SerebryakovaAnna A.СеребряковаАнна Александровна
Russian Federation

postgraduate student of Professor V.M. Finkel Chair of Natural Science Disciplines

аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

aserebrakova87@gmail.comSiberian State Industrial University, NovokuznetskСибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк310320221911001407202131032022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/269

Today, a promising research area is the study of the behavior of the materials’ technological and physical characteristics under the external energy effects, such as constant magnetic fields. It is caused by the emergence of multifactorial scientific and industrial problems arising because of the introduction of high technologies into production. One of the directions is the production of new equipment, devices, and machines that somehow form electromagnetic fields around them. Therefore, an umbrella approach to studying the influence of magnetic field effects on the deformation characteristics of metals and alloys contributes to a deeper understanding of the physical nature of this effect. As an object for the research, the authors selected commercially pure titanium of VT1-0 grade. The work aims to study the influence of a constant magnetic field of 0.3 T on microhardness, creep rate, and fracture surface of commercially pure VT1-0 titanium. The results show that under the influence of a constant magnetic field of 0.3 T, the relative value of VT1-0 titanium microhardness decreases by 2–5 %, followed by relaxation to the initial value. The creep rate of titanium increases by approximately 31 % when applying a field of 0.3 T induction during the test (without field applying, the creep rate is 2.4 %/h, in the magnetic field is 3 %/h). The fracture surface analysis using scanning electron microscopy (SEM) shows that titanium specimens undergo ductile fracture. Numerous equiaxial destruction pits characterize the fracture surface. It should be noted that pits with the stretched areas are present mainly on the samples destroyed under the creep conditions in a constant magnetic field of 0.3 T.

В настоящее время перспективным направлением исследований является изучение поведения технологических и физических характеристик материалов в условиях внешних энергетических воздействий, в частности постоянных магнитных полей. Это связано с возникновением многофакторных научных и производственных проблем, появляющихся с внедрением в производство высоких технологий. Одно из направлений – создание новых приборов, устройств и машин, которые так или иначе формируют вокруг себя электромагнитные поля. Поэтому комплексный подход к изучению влияния магнитополевых воздействий на деформационные характеристики металлов и сплавов способствует более глубокому пониманию физической природы указанного воздействия. Для исследований в качестве объекта был выбран технически чистый титан марки ВТ1-0. Работа направлена на изучение влияния постоянного магнитного поля 0,3 Тл на микротвердость, скорость ползучести и поверхность разрушения титана. Результаты показали, что под воздействием постоянного магнитного поля 0,3 Тл происходит снижение относительного значения микротвердости титана марки ВТ1-0 на 2–5 % с последующей релаксацией до исходного значения. Скорость ползучести титана увеличивается на ≈31 % при применении поля с индукцией 0,3 Тл в процессе испытания (без применения поля скорость ползучести составляет 2,4 %/ч, в магнитном поле – 3 %/ч). Анализ поверхности разрушения методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показал, что образцы титана испытывают вязкий излом. Поверхность излома характеризуется многочисленными равноосными ямками разрушения. Стоит отметить, что ямки с участками вытяжки присутствуют преимущественно на образцах, разрушенных в условиях ползучести в постоянном магнитном поле 0,3 Тл.

commercial pure titaniumVT1-0constant magnetic fieldinduction of 0.3 Tmicrohardnesscreep ratefracture surface fractographyequiaxial destruction pitsfibrous zoneтехнический чистый титанВТ1-0постоянное магнитное полеиндукция 0,3 Тлмикротвердостьскорость ползучестифрактография поверхности разрушенияравноосные ямки разрушенияволокнистая зонаThe study was carried out with the support of the grant of the Russian Science Foundation (project No. 21-79-00118). The paper was written on the reports of the participants of the X International School of Physical Materials Science (SPM-2021), Togliatti, September 13–17, 2021.Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-00118). Статья подготовлена по материалам докладов участников X Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2021), Тольятти, 13–17 сентября 2021 года.Morgunov R.B., Valeev R.A., Skvortsov A.A., Korolev D.V., Piskorskiy V.P., Kunitsyna E.I., Kucheryaev V.V., Koplak O.V. Magnetoplastic and magnetomechanic effects in aluminum alloys with magnetostrictive micro inclusions. Trudy VIAM, 2019, no. 10, pp. 3–13. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-10-3-13.Моргунов Р.Б., Валеев Р.А., Скворцов А.А., Королев Д.В., Пискорский В.П., Куницына Е.И., Кучеряев В.В., Коплак О.В. Магнитопластический и магнитомеханический эффекты в алюминиевых сплавах с магнитострикционными микровключениями // Труды ВИАМ. 2019. № 10. С. 3–13. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-10-3-13.Morgunov R.B. Spin micromechanics in the physics of plasticity. Uspekhi fizicheskikh nauk, 2004, vol. 174, no. 2, pp. 131–153. DOI: 10.3367/UFNr.0174.200402c.0131.Моргунов Р.Б. Спиновая микромеханика в физике пластичности // Успехи физических наук. 2004. Т. 174. № 2. C. 131–153. DOI: 10.3367/UFNr.0174.200402c.0131.Morgunov R.B., Piskorskiy V.P., Valeev R.A., Korolev D.V. Thermodynamics analysis of magnetoplastic effects in “non-magnetic” metals. Trudy VIAM, 2018, no. 12, pp. 79–87. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-12-79-87.Моргунов Р.Б., Пискорский В.П., Валеев Р.А., Королев Д.В. Термодинамический анализ магнитопластических эффектов в «немагнитных» металлах // Труды ВИАМ. 2018. № 12. С. 79–87. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-12-79-87.Jafari M., Ansari R., Rouhi S. First-principle investigation of the elastic and plastic properties of the bismuthene: Effect of the external electric field. Superlattices and Microstructures, 2020, vol. 140, article number 106476. DOI: 10.1016/j.spmi.2020.106476.Jafari M., Ansari R., Rouhi S. First-principle investigation of the elastic and plastic properties of the bismuthene: Effect of the external electric field // Superlattices and Microstructures. 2020. Vol. 140. Article number 106476. DOI: 10.1016/j.spmi.2020.106476.Huang C., Shuai S., Wang P., Liu X., Wang J., Ren Z. The effect of static magnetic field on solid–liquid interfacial free energy of Al–Cu alloy system. Scripta Materialia, 2020, vol. 187, pp. 232–236. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.06.025.Huang C., Shuai S., Wang P., Liu X., Wang J., Ren Z. The effect of static magnetic field on solid–liquid interfacial free energy of Al–Cu alloy system // Scripta Materialia. 2020. Vol. 187. P. 232–236. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.06.025.Chen R., Kong H.J., Luan J.H., Wang A.D., Jiang P., Liu C.T. Effect of external applied magnetic field on microstructures and mechanical properties of laser welding joint of medium-Mn nanostructured steel. Materials Science and Engineering: A, 2020, vol. 792, article number 139787. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139787.Chen R., Kong H.J., Luan J.H., Wang A.D., Jiang P., Liu C.T. Effect of external applied magnetic field on microstructures and mechanical properties of laser welding joint of medium-Mn nanostructured steel // Materials Science and Engineering: A. 2020. Vol. 792. Article number 139787. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139787.Li G.R., Wang F.F., Wang H.M., Cheng J.F. Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Titanium Alloy Subjected to High Static Magnetic Field. Materials Science Forum, 2017, vol. 898 MSF, pp. 345–354. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.898.345.Li G.R., Wang F.F., Wang H.M., Cheng J.F. Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Titanium Alloy Subjected to High Static Magnetic Field // Materials Science Forum. 2017. Vol. 898 MSF. P. 345–354. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.898.345.Li G.R., Qin T., Fei A.G., Wang H.M., Zhao Y.T., Chen G., Kai X.Z. Performance and microstructure of TC4 titanium alloy subjected to deep cryogenic treatment and magnetic field. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 802, pp. 50–69. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.06.007.Li G.R., Qin T., Fei A.G., Wang H.M., Zhao Y.T., Chen G., Kai X.Z. Performance and microstructure of TC4 titanium alloy subjected to deep cryogenic treatment and magnetic field // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 802. P. 50–69. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.06.007.Seydametov S.V., Loskutov S.V. The influence of pulse electromagnetic field on rebuilding of structure of titanium alloy VT3-1. Zhurnal fiziki i inzhenerii poverkhnosti, 2016, vol. 1, no. 1, pp. 4–8.Сейдаметов С.В., Лоскутов С.В. Влияние импульсной электромагнитной обработки на структурные перестройки сплава титана ВТ3-1 // Журнал физики и инженерии поверхности. 2016. Т. 1. № 1. С. 4–8.Galustashvili M.V., Driaev D.G., Kvatchadze V.G. Magnetoplastic Effect under Stress Relaxation in NaCl Crystals. JETP Letters, 2019, vol. 110, no. 12, pp. 785–788. DOI: 10.1134/S0021364019240044.Galustashvili M.V., Driaev D.G., Kvatchadze V.G. Magnetoplastic Effect under Stress Relaxation in NaCl Crystals // JETP Letters. 2019. Vol. 110. № 12. P. 785–788. DOI: 10.1134/S0021364019240044.Alshits V.I., Darinskaya E.V., Koldaeva M.V., Petrzhik E.A. Resonance magnetoplasticity in ultralow magnetic fields. JETP Letters, 2016, vol. 104, no. 5, pp. 353–364. DOI: 10.1134/S0021364016170045.Alshits V.I., Darinskaya E.V., Koldaeva M.V., Petrzhik E.A. Resonance magnetoplasticity in ultralow magnetic fields // JETP Letters. 2016. Vol. 104. № 5. P. 353–364. DOI: 10.1134/S0021364016170045.Morgunov R.B., Buchachenko A.L. Magnetoplasticity and magnetic memory in diamagnetic solids. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2009, vol. 109, no. 3, pp. 434–441. DOI: 10.1134/S1063776109090076.Morgunov R.B., Buchachenko A.L. Magnetoplasticity and magnetic memory in diamagnetic solids // Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2009. Vol. 109. № 3. P. 434–441. DOI: 10.1134/S1063776109090076.Buchachenko A.L. Effect of magnetic field on mechanics of nonmagnetic crystals: the nature of magnetoplasticity. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2006, vol. 102, no. 5, pp. 795–798.Бучаченко А.Л. О влиянии магнитного поля на механику немагнитных кристаллов: происхождение магнитопластического эффекта // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2006. Т. 129. № 5. С. 909–913.Sugatov E.V., Kuzmina L.V., Gazenaur E.G., Krasheninin V.I. The influence of concentration of iron and lead impurities on the magnetic threshold of the magnetoplastic effect in the silver azide crystals. Fundamentalnye problemy sovremennogo materialovedeniya, 2014, vol. 11, no. 4-2, pp. 610–613.Сугатов Е.В., Кузьмина Л.В., Газенаур Е.Г., Крашенинин В.И. Влияние концентрации примеси железа и свинца на магнитный порог магнитопластического эффекта в кристаллах азида серебра // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 4-2. С. 610–613.Alshits V.I., Darinskaya E.V., Koldaeva M.V., Petrzhik E.A. Chapter 86 - Magnetoplastic Effect in Nonmagnetic Crystals. Dislocations in Solids, 2008, vol. 14, pp. 333–437. DOI: 10.1016/S1572-4859(07)00006-X.Alshits V.I., Darinskaya E.V., Koldaeva M.V., Petrzhik E.A. Chapter 86 - Magnetoplastic Effect in Nonmagnetic Crystals // Dislocations in Solids. 2008. Vol. 14. P. 333–437. DOI: 10.1016/S1572-4859(07)00006-X.Skvortsov A.A., Pshonkin D.E., Luk’yanov M.N., Rybakova M.R. Influence of permanent magnetic fields on creep and microhardness of iron-containing aluminum alloy. Journal of Materials Research and Technology, 2019, vol. 8, no. 3, pp. 2481–2485. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.02.002.Skvortsov A.A., Pshonkin D.E., Luk’yanov M.N., Rybakova M.R. Influence of permanent magnetic fields on creep and microhardness of iron-containing aluminum alloy // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. № 3. P. 2481–2485. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.02.002.Du D., Haley J.C., Dong A., Fautrelle Y., Shu D., Zhu G., Li X., Sun B., Lavernia E.J. Influence of static magnetic field on microstructure and mechanical behavior of selective laser melted AlSi10Mg alloy. Materials and Design, 2019, vol. 181, article number 107923. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107923.Du D., Haley J.C., Dong A., Fautrelle Y., Shu D., Zhu G., Li X., Sun B., Lavernia E.J. Influence of static magnetic field on microstructure and mechanical behavior of selective laser melted AlSi10Mg alloy // Materials and Design. 2019. Vol. 181. Article number 107923. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107923.Zhu L., Han C., Hou L., Gagnoud A., Fautrelle Y., Ren Z., Li X. Influence of a static magnetic field on the distribution of solute Cu and interdendritic constitutional undercooling in directionally solidified Al-4.5wt.%Cu alloy. Materials Letters, 2019, vol. 248, pp. 73–77. DOI: 10.1016/j.matlet.2019.03.142.Zhu L., Han C., Hou L., Gagnoud A., Fautrelle Y., Ren Z., Li X. Influence of a static magnetic field on the distribution of solute Cu and interdendritic constitutional undercooling in directionally solidified Al-4.5wt.%Cu alloy // Materials Letters. 2019. Vol. 248. P. 73–77. DOI: 10.1016/j.matlet.2019.03.142.Guo S., Cui J., Le Q., Zhao Z. The effect of alternating magnetic field on the process of semi-continuous casting for AZ91 billets. Materials Letters, 2005, vol. 59, no. 14-15, pp. 1841–1844. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.01.076.Guo S., Cui J., Le Q., Zhao Z. The effect of alternating magnetic field on the process of semi-continuous casting for AZ91 billets // Materials Letters. 2005. Vol. 59. № 14-15. P. 1841–1844. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.01.076.Liu Y.Z., Zhan L.H., Ma Q.Q., Ma Z.Y., Huang M.H. Effects of alternating magnetic field aged on microstructure and mechanical properties of AA2219 aluminum alloy. Journal of Alloys and Compounds, 2015, vol. 647, pp. 644–647. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.05.183.Liu Y.Z., Zhan L.H., Ma Q.Q., Ma Z.Y., Huang M.H. Effects of alternating magnetic field aged on microstructure and mechanical properties of AA2219 aluminum alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 647. P. 644–647. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.05.183.Zagulyaev D.V., Konovalov S.V., Yaropolova N.G., Ivanov Y.F., Komissarova I.A., Gromov V.E., Effect of the magnetic field on the surface morphology of copper upon creep fracture. Journal of Surface Investigation, 2015, vol. 9, no. 2, pp. 410–414. DOI: 10.1134/S1027451015010188.Zagulyaev D.V., Konovalov S.V., Yaropolova N.G., Ivanov Y.F., Komissarova I.A., Gromov V.E., Effect of the magnetic field on the surface morphology of copper upon creep fracture // Journal of Surface Investigation. 2015. Vol. 9. № 2. P. 410–414. DOI: 10.1134/S1027451015010188.Shlyarov V.V., Zagulyaev D.V., Gromov V.E. The influence of magnetic fields on the structure and physico-mechanical properties of aluminum. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2018, no. 1, pp. 98–104. DOI: 10.18323/2073-5073-2018-1-98-104.Шляров В.В., Загуляев Д.В., Громов В.Е. Влияние магнитных полей на структуру и физико-механические свойства алюминия // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2018. № 1. С. 98–104. DOI: 10.18323/2073-5073-2018-1-98-104.Zagulyaev D., Konovalov S., Shlyarov V., Chen X. Influence of constant magnetic field on plastic characteristics of paramagnetic metals. Materials Research Express, 2019, vol. 6, no. 9, article number 096523. DOI: 10.1088/2053-1591/ab2c8a.Zagulyaev D., Konovalov S., Shlyarov V., Chen X. Influence of constant magnetic field on plastic characteristics of paramagnetic metals // Materials Research Express. 2019. Vol. 6. № 9. Article number 096523. DOI: 10.1088/2053-1591/ab2c8a.Kassner M.E. Fundamentals of Creep in Metals and Alloys. 3rd ed. Amsterdam, Elsevier Ltd. Publ., 2015. 333 p. DOI: 10.1016/B978-0-08-047561-5.X0001-2.Kassner M.E. Fundamentals of Creep in Metals and Alloys. 3rd ed. Amsterdam: Elsevier Ltd., 2015. 333 p. DOI: 10.1016/B978-0-08-047561-5.X0001-2.Ivanova V.S., Shanyavskiy A.A. Kolichestvennaya fraktografiya. Ustalostnoe razrushenie [Quantitative fractography. Fatigue failure]. Chelyabinsk, Metallurgiya. Chelyabinskoe otdelenie Publ., 1988. 399 p.Иванова В.С., Шанявский А.А. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. Челябинск: Металлургия. Челябинское отделение, 1988. 399 с.Klevtsov G.V., Botvina L.R., Klevtsova N.A., Limar L.V. Fraktodiagnostika razrusheniya metallicheskikh materialov i konstruktsiy [Fracture diagnostic of metallic materials and constructions]. Moscow, MISiS Publ., 2007. 264 p.Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. М.: МИСиС, 2007. 264 с.Alshits V.I., Darinskaya E.V., Kazakova O.L. Magnetoplastic effect and spin-lattice relaxation in the dislocation – paramagnetic center system. Pisma v zhurnal eksperimentalnoy i teoreticheskoy fiziki, 1996, vol. 64, no. 8, pp. 628–633.Альшиц В.И., Даринская Е.В., Казакова О.Л. Магнитопластический эффект и спин-решеточная релаксация в системе дислокация – парамагнитный центр // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 1996. Т. 64. № 8. С. 628–633.Golovin Yu.I. Magnetoplastic effects in solids. Physics of the Solid State, 2004, vol. 46, no. 5, pp. 789–824.Головин Ю.И. Магнитопластичность твердых тел // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. № 5. С. 769–803.