Influence of constant magnetic field on fatigue life of diamagnetics: the role of the Zeeman effect in the fatigue strength of non-ferrous metals

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background. The relevance of the study is due to the need to study the effect of constant magnetic fields on the fatigue life of commercially pure copper and lead, widely used in industry and sensitive to magnetic effects, which will improve the reliability of products and control their mechanical properties. The purpose of the work is to study the effect of a constant magnetic field with an induction of 0.1-0.5 T on the fatigue life of commercially pure copper and lead. Materials and methods. Samples of commercially pure copper grade M1 and lead grade C2 measuring 4 × 12 × 130 mm were manufactured by electrical discharge cutting on a CNC machine. Fatigue tests were carried out on a setup with cyclic asymmetric cantilever bending at a temperature of (~ 300 K). The mode with a loading amplitude of 2.5 mm was selected. The fracture surface was studied by scanning electron microscopy (KYKY EM6900) with structure analysis in ImageJ, and the elemental composition was studied using Ultim Extreme. Results. The fatigue test results showed that the magnetic field increases the fatigue life of copper M1 by 9–28% and lead C2 by 7% at 0.3 T, but reduces it at 0.4–0.5 T; copper fracture occurs through three zones with the formation of a subgrain structure, while in lead the magnetic field changes the fracture morphology and the fracture mechanism. The Zeeman effect, causing splitting of the electron energy levels, changes the activation energies of dislocation motion in diamagnetic metals, which affects their sliding speed and mechanical properties. Conclusions. 1 The magnetic field (0.1–0.25 T) increases the fatigue life of copper by 9–28%, affecting the fracture mechanism through the formation of a subgrain structure. 2 A magnetic field of 0.3 T increases the fatigue life of lead by 7%, while at 0.4–0.5 T it significantly reduces it due to the effect on dislocation mobility and fracture morphology. 3 The Zeeman effect changes the electronic structure of diamagnetic metals, changing the activation energies of dislocation motion and their slip velocity, which affects mechanical properties.

作者简介

Vitaliy Shlyarov

Siberian State Industrial University

编辑信件的主要联系方式.
Email: shlyarov_vv@sibsiu.ru

Researcher, Scientific Research Department

(42 Kirova street, Novokuznetsk, Kemerovo region, Russia)

Anna Serebryakova

Siberian State Industrial University

Email: serebryakova_aa@sibsiu.ru

Researcher, Scientific Research Department

(42 Kirova street, Novokuznetsk, Kemerovo region, Russia)

Krestina Aksenova

Siberian State Industrial University

Email: 19krestik91@mail.ru

Candidate of engineering sciences, associate professor, associate professor of the sub-department of natural science disciplines named after Professor V. M. Finkel, senior researcher, Scientific Research Department

(42 Kirova street, Novokuznetsk, Kemerovo region, Russia)

Dmitriy Zagulyaev

Siberian State Industrial University

Email: zagulyaev_dv@physics.sibsiu.ru

Doctor of engineering sciences, associate professor, professor of the sub-department of natural science disciplines named after Professor V. M. Finkel, senior researcher, Scientific Research Department

(42 Kirova street, Novokuznetsk, Kemerovo region, Russia)

参考

  1. Li Q., Zhang Y., Zhao H. Influence of static magnetic field on fatigue damage evolution in copper alloys. Materials Science and Engineering A. 2020;785:139431. doi: 10.1016/j.msea.2020.139431
  2. Zhou X., Lin M., Zhang H. Magnetic field effect on fatigue resistance of copper nanowires. Journal of Applied Physics. 2021;130(4):045103. doi: 10.1063/5.0056374
  3. Wang J., Liu F., Chen Y. Modulation of electronic structure in copper under magnetic field: implications for deformation mechanisms. Acta Materialia. 2023;241:118444. doi: 10.1016/j.actamat.2023.118444
  4. Tan K., Wu Z., Feng Q. Probing electronic structure of copper under magnetic fields using X-ray magnetic circular dichroism. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021;537:168170. doi: 10.1016/j.jmmm.2021.168170
  5. Chen L., Hu M., Sun D. Low-energy external field effects on creep and microdamage in pure lead. Journal of Materials Research and Technology. 2022;20:3223–3230. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.09.165
  6. Aksenova K., Zaguliaev D., Konovalov S., Shlyarov V., Ivanov Y. Influence of constant magnetic field upon fatigue life of commercially pure titanium. Materials. 2022;15(19):6926. doi: 10.3390/ma15196926
  7. Gu Q., Huang X., Xi J., Gao Z. The influence of magnetic field on fatigue and mechanical properties of a 35CrMo steel. Metals. 2021;11(4):542. doi: 10.3390/met11040542
  8. Zhu W., Yu S., Chen C., Shi L., Xu S., Shuai S., Hu T., Liao H., Wang J., Ren Z. Effects of static magnetic field on the microstructure of selective laser melted Inconel 625 superalloy: numerical and experimental investigations. Metals. 2021;11(11):1846. doi: 10.3390/met11111846
  9. Zhang Y., Tang Y., Liu Z., Li Q. Static magnetic field influence on grain refinement in metallic alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020;504:166666. doi: 10.1016/j.jmmm.2020.166666
  10. Kim S., Lee H. J., Cho Y. Magnetic-field-assisted microstructure evolution in Fe-based alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 2020;51:3432–3441. doi: 10.1007/s11661-020-05757-0
  11. Chen Y., Zhao J., Li S. Effects of static magnetic field on solidification structure of Cubased alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2021;853:157218. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.157218
  12. Xie Y., Wang C., He X. Static magnetic field-induced grain growth and recrystallization in aluminum alloys. Materials Characterization. 2022;186:111835. doi: 10.1016/j.matchar.2022.111835
  13. Liu H., Song Y., Zhang X. Microstructure and phase distribution control in magneticfield- treated magnesium alloys. Materials Science Forum. 2023;1076:138–144. doi: 10.4028/p-4w1532
  14. Ren X., Hu D., Wang F. Magnetic field-assisted phase transformation in steels: A review. Journal of Materials Science & Technology. 2021;75:56–69. doi: 10.1016/j.jmst.2020.09.063
  15. Gao Y., Wang J., Li Z. Influence of static magnetic field on dislocation behavior and hardening in pure metals. Metals. 2022;12(4):665. doi: 10.3390/met12040665
  16. Valiev R.Z. et al. (eds.). Physics of Strength and Plasticity. Ufa: Izd-vo BGPU, 1999:345.
  17. Misumi I., Ohkubo H. Effect of Magnetic Field on Fatigue Crack Growth. Oak Ridge, TN: OSTI. 1993:45.
  18. Safran S.A. Statistical Thermodynamics of Surfaces, Interfaces, and Membranes. Oxford: Westview Press, 1994:255.
  19. Kraft M. et al. Fatigue in Submicron Copper Films. International Journal of Materials Research. 2002;93(4):321–328.
  20. Kronmüller H. et al. (ed.). Magnetic Effects in Solids. Berlin: Springer, 2003:5121.
  21. Haasen P. Physical Metallurgy. 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1996:493.
  22. Meyers M.A., Chawla K.K. Mechanical Behavior of Materials. Cambridge: Cambridge University Press, 2008:680.
  23. Kittel C. Introduction to Solid State Physics. Hoboken, New Jersey : Wiley, 2004:704.
  24. Serebryakova A.A., Zagulyayev D.V., Shlyarov V.V., Gromov V.E. The influence of a magnetic field with induction of 0.4 T on the plastic properties of lead C2. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo industrialnogo universiteta = Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2023;(1):3‒9. (In Russ.). doi: 10.57070/2304-4497-2023- 1(43)-3-9
  25. Serebryakova A.A., Zaguliaev D.V., Shlyarov V.V. Influence of a Magnetic Field with Induction up to 0.5 T on the Dynamics of the Deformation Characteristics of Lead. Physics of the Solid State. 2023; 65(1):27‒31. doi: 10.1134/s1063783423700087
  26. Konovalov A.N. et al. Influence of Magnetic Field on Dislocation Substructure in Copper. Appl. Mech. Mater. 2015.
  27. Mura T. Micromechanics of Defects in Solids. Berlin: Springer, 1987:587.
  28. Likhachev V.A. et al. Magnetic Control of Structure and Properties of Materials. Moscow: Nauka, 2006:345.
  29. Shalimova Z.S. Physics of Semiconductors. Moscow: Nauka, 1985:432.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML


Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».