Obrabotka Metallov 2012 No. 4

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 4 (57) 2012 101 МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ из этих электронов имеет порядок энергии Фер- ми F E , оценим избыточную поверхностную энергию, полученную при зарядке поверхности образца цинка от внешнего источника, как Δγ = = E F Δ n e . Для цинка E F = 3,9 ⋅ 10 –19 Дж [10]. От- сюда Δγ ≈ 5·10 –8 Дж/м 2 . Авторы [7] приводят зна- чение удельной поверхностной энергии для цин- ка в температурном интервале 78…753 К от 0,41 до 0,83 Дж/м 2 . Следовательно, относительное увеличение удельной поверхностной энергии Δγ / γ ≈ 10 –7 пренебрежимо мало по сравнению с уровнем этой величины, характерным для ме- таллов в обычном состоянии. С другой стороны, известно (например, [11]), что на условия формирования деформа- ционных дефектов и их дальнейшее движение оказывают сильное влияние слои адсорбиро- ванных атомов и молекул. Особенно важен слой адсорбированной воды. Автор [11] указы- вает, что «монослой» адсорбированных моле- кул H 2 O образуется на ювенильной поверхно- сти металла за время порядка 10 -6 с, т. е. такой слой присутствует практически всегда. Вода обладает высокой диэлектрической проницае- мостью, которая при комнатной температуре составляет ε ≈ 80 [12]. Значит, нужно учиты- вать электроемкость этого адсорбированного слоя, а не образца в целом. Ее можно оценить как С s = ε 0 ε S/d , где S – площадь поверхности образца = 4,25 ⋅ 10 –4 м 2 ; ε 0 = 8,85 ⋅ 10 –12 Ф/м – электростатическая постоянная; d – толщина слоя, которая равна размеру молекулы воды ≈ 2 ⋅ 10 –10 м [12]. Отсюда С s ≈ 1,5 ⋅ 10 –3 Ф, и при разности потенциалов Δϕ = 0,02 В, когда про- изошло насыщение зависимости H μ (φ), заряд слоя составил q s = 3 ⋅ 10 –5 Кл, а напряженность поля в нем E max = 10 8 В/м. Такая напряженность превышает электрическую прочность макро- скопических слоев чистой воды, но известно, что с уменьшением толщины диэлектрическо- го слоя при прочих равных условиях E max воз- растает [7]. Поверхностная плотность зарядов на границе «монослоя» σ s = q/S = 0,075 Кл/м 2 . Именно этот слой контактирует с металлом (цинком), поэтому поверхностная плотность электронов на образце увеличится на ( Δ n e ) s = = σ s /e = 4,7 ⋅ 10 17 м –2 (здесь e = 1,6 ⋅ 10 –19 Кл, за- ряд электрона). Расчет, аналогичный приведен- ному выше, дает изменение удельной поверх- ностной энергии Δγ = E F ( Δ n e ) = 0,18 Дж/м 2 , что уже составляет более 20 % от удельной по- верхностной энергии цинка. Это значит, если рассматривать не ювенильную поверхность металла, а поверхность с адсорбированным слоем воды, то наложение электрического по- тенциала действительно существенно изменя- ет условия деформирования поверхностного слоя и вполне может влиять на его механиче- ские свойства. Неслучайным представляется и значение характерного заряда, полученного по эмпирической зависимости (3), так как про- цесс изменения микротвердости под действи- ем электрического потенциала связан с пере- мещением именно электронов – элементарных электрических зарядов. Результаты выполненных исследований показывают, что электрический потенциал ~ 0,02 В, подаваемый на плоскость (0001) мо- нокристалла цинка, понижает ее микротвер- дость на 8 %. Проведенная статистическая обработка позволяет утверждать, что наблюда- емый эффект является достоверным. Он может быть объяснен изменением удельной поверх- ностной энергии цинка за счет электризации адсорбированного «монослоя» молекул H 2 O, которое более 20 % от уровня этой величины в цинке при комнатной температуре. Такое из- менение способно повлиять на условия зарож- дения и движения деформационных дефектов, а следовательно, на механические характери- стики металла. Список литературы 1. Венстрем Е.К., Ребиндер П.А . Электрокапил- лярный эффект облегчения деформаций растяже- ния металлов // Журн. физ. химии. – 1952. – Т. 26, № 12. – С. 1847–1852. 2. Кишкин С.Т., Клыпин А.А . Эффект электри- ческого и магнитного воздействия на ползучесть металлов и сплавов // ДАН СССР – 1973. – Т. 211, № 2. – С. 325–329. 3. Коновалов С.В., Филипьев Р.А., Котова Н.В., Столбоушкина, О.А, Зуев. Л.Б. Управление пластич- ностью металлов слабыми электрическими воздей- ствиями // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2008. – № 12. – С. 38–40. 4. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Коновалов С.В., Фи- липьев Р.А., Громов В.Е. О влиянии контактной раз- ности потенциалов и электрического потенциала на микротвердость металлов // ФТТ. – 2009. – Том 51. – Вып. 6. – С. 1077 – 1080.