Структурные превращения и вязко-хрупкий переход в аморфных сплавах Fe-Ni-B

УДК 669.018.543

СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ВЯЗКО-ХРУПКИЙ ПЕРЕХОД В АМОРФНЫХ СПЛАВАХ Fe-Ni-B

© Е.Н. Блинова, А.М. Глезер, Х. Рёснер*

Россия, Москва, Институт металлофизики и функциональных материалов им. Г.В. Курдюмова ГНЦ ЦНИИчермет им. И.П. Бардина *Германия, Карлсруэ, Исследовательский центр

Blinova E.N., GleserA.M., Roesner H. Structural transformations and ductile brittle transition in Fe-Ni-B alloys. The character of ductile-brittle transition of Fe-Ni-B amorphous alloys is analysed in relation to the primary crystallisation process on heating. It is shown that the critical temperature of transition increases with the increase of nickel content and ranged up to crystallisation temperature in the alloy with 33 % Ni. A structural model is proposed of ductile-brittle transition on nanocrystallisation.

Известно [1], что аморфные сплавы типа металл-металлоид претерпевают вязко-хрупкий переход при достижении определенной температуры предварительного отжига Тх в пределах устойчивости аморфного состояния ниже температуры кристаллизации Тк. Это явление имеет не только чисто научный, но и большой практический интерес, поскольку именно оно в значительной мере ограничивает температурный интервал термической обработки промышленных аморфных сплавов. Поскольку значение Тх примерно на 100-150° ниже значения Тк, возникает вопрос, не связано ли охрупчивание аморфных сплавов с ранними стадиями кристаллизации и, в частности, с природой фаз, формирующихся при кристаллизации аморфного состояния. Информация на этот счет противоречива и требует детального исследования.

В данной работе проанализирован характер вязкохрупкого перехода в аморфных сплавах Fe83.xNixB17 (25 < х < 33), который сопоставлен с морфологией и кристаллической структурой фаз, формирующихся на ранних стадиях кристаллизации этих сплавов. Выбор состава сплавов обусловлен тем обстоятельством, что именно в этом концентрационном интервале происходит переход типа кристаллической решетки первичной фазы, выделяющейся в аморфной матрице (от a-фазы с ОЦК структурой к у-фазе с ГЦК структурой) по мере возрастания содержания никеля [2]. Сопоставление изменения типа решетки первичной кристаллической фазы по мере роста содержания никеля с характером концентрационной зависимости Тх могло бы существенно прояснить как природу вязко-хрупкого перехода, так и влияние кристаллических фаз на пластичность аморфного состояния.

Аморфные сплавы были получены методом спин-нингования расплава в виде ленты толщиной 2025 мкм и шириной 8-10 мм. Отжиг образцов проводился в вакууме в интервале температур 300-400° С в течение 0,5 или 1 часа. Структура сплавов исследовалась на аналитическом электронном микроскопе Philips CM-30 при ускоряющем напряжении 200 кВ. Для исследования характера ближнего упорядочения, формирующе-

гося в аморфном состоянии, использовалась картина спектра потерь энергии электронов с помощью прибора Escalab МК-3 [3]. Пластичность сплавов определялась испытанием на изгиб по методике, подробно изложенной в монографии [1].

На рис. 1 представлена структурно-фазовая диаграмма исследованных сплавов после отжига в течение 1 часа. Видно, что по мере роста содержания никеля первичная фаза, выделяющаяся в аморфной матрице, изменяет тип кристаллической решетки от ОЦК к ГЦК. Частицы а-фазы на ранних стадиях кристаллизации имеют размер в нанометрическом диапазоне (от 5 до 50 нм) и четкую кристаллографическую огранку (рис. 2а). В противоположность этому частицы у-фазы, также имеющие нанокристаллические размеры, характеризуются равноосной формой (рис. 2б). Локальный микроанализ методом EDX показал, что частицы нанофазы вне зависимости от типа кристаллической решетки имеют состав, близкий к среднему составу сплава, и что кристаллизация, следовательно, может быть отнесена

т, ‘с

А * е/- + б Д+оС-^+б Aitf

А А + сi.+i'

А і t і

2.5 Z3 зі

Рис. 1. Структурно-фазовая диаграмма исследованных сплавов после отжига при различных температурах в течение 1 часа; А - аморфная фаза, а - ОЦК фаза Fe-Ni, у - ГЦК фаза Бе-№, Б - борид ^е№)3В

а)

б)

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения нанокристаллов а-фазы (а) и у-фазы (б) после отжига 380° С - 0,5 ч аморфных сплавов с х = 25 и х = 33 соответственно

к первичной [4]. На рис. 3 показана установленная на основании электронно-микроскопических экспериментов температура появления первой кристаллической фазы в аморфной матрице Тк в зависимости от содержания никеля в изученных сплавах. Здесь же нанесена

Рис. 3. Концентрационная зависимость температуры кристаллизации Тк и температуры вязко-хрупкого перехода Тх исследованных аморфных сплавов

б)

Рис. 4. Спектры потерь энергии электронов для сплавов с х = 25 (а) и с х = 33 (б) после отжига 280° С - 1 ч

концентрационная зависимость критической температуры вязко-хрупкого перехода Тх. Если значение Тк практически не меняется по мере увеличения х от 25 до 31 и лишь при х = 33 наблюдается некоторое снижение, то значение Тх обнаруживает монотонный рост. При х = 33 кривые Тк(х) и Тх(х) практически совпадают, что соответствует редкому для аморфных сплавов явлению, при котором они не переходят в хрупкое состояние вплоть до протекания ранних стадий кристаллизации.

Следует подчеркнуть, что характер хрупкого состояния у сплавов, претерпевших вязко-хрупкий переход в аморфном состоянии (х < 31) и в сплаве, где этот переход наблюдается одновременно с кристаллизацией, заметно различаются. В первом случае пластичность сплава при испытаниях на изгиб снижается прак-

тически до нуля, а во втором случае, хотя и наблюдается заметное снижение пластичности, она не достигает нулевого уровня, оставаясь относительно высокой (є « 10...20 %).

Для понимания полученных результатов следует обратиться к картине протяженной структуры спектров потерь энергии электронов, полученных для сплавов с х = 25 (рис. 4а) и с х = 33 (рис. 4б) после отжига 280° С -1 час. Видно, что сплав с 25 % N1 характеризуется более разупорядоченным состоянием по сравнению со сплавом с 33 % N1, где четко прослеживается ближний порядок не только в ближайших, но и более далеких координационных сферах. В то же время первый сплав находится в состоянии, близком к вязко-хрупкому переходу, реализующемуся при отжиге всего на 20° выше. Иными словами, тенденция к охрупчиванию никак не связана со степенью ближнего порядка, которая в относительно более пластичном сплаве (х = 33) заметно выше. В то же время нельзя исключать то обстоятельство, что характер ближнего порядка в аморфном сплаве, где первая кристаллическая фаза имеет ГЦК решетку, может отличаться от характера ближнего окружения в аморфном сплаве, где первая кристаллическая фаза имеет ОЦК решетку.

В литературе имеются данные о том, что выделение частиц у^е может приводить к повышению пластичности аморфных сплавов [5]. В нашем случае эти данные применительно к изученным составам аморфных сплавов не подтверждаются: появление наночастиц у-Ге-№ ведет к заметному, хотя и не к нулевому снижению пластичности. Можно предполагать, что структурные механизмы вязко-хрупкого перехода, когда он происходит в рамках аморфного состояния (х < 31) и когда он происходит в момент кристаллизации (х = 33), су-

щественно различаются. Если хрупкость после отжига в пределах аморфного состояния связана с коалесцен-цией областей избыточного свободного объема [1], то существенная потеря пластичности при кристаллизации аморфного состояния связана, по всей видимости, с образованием обогащенных атомами бора атмосфер вокруг нанокристаллов Fe-Ni, растворимость бора в которых в рассматриваемом интервале температур ничтожно мала [6]. Остается неясным весьма важный вопрос о том, почему по мере возрастания концентрации никеля в исследованных сплавах резко возрастает значение Тх в пределах аморфного состояния. Предварительные эксперименты показывают, что это, возможно, связано с резким снижением доли избыточного свободного объема в аморфной матрице.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глезер А.М., Молотилов Б.В. Механические свойства аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1992. 208 с.

2. Lewis B.G., Davies H.A., Ward K.D. The crystallization and associated changes in ductility of some Fe-Ni-B glassy alloys // Scr. Met. 1979. V. 13. P. 313-317.

3. Ковалев А.И., Щербединский Г.В. Современные методы исследования поверхности металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1989. 192 с.

4. Скотт М.Г. Кристаллизация // Аморфные металлические сплавы / Под ред. Ф.Е. Люборского. М.: Металлургия, 1987. С. 137.

5. Hillenbrand H.G., Hornbogen E., Koster U. // Influence of Soft Crystalline Particles on the Mechanical Properties of (Fe, Co, Ni)-B Metallic Glasses: Proc. Fourth Int. Conf. RQM. Sendai, 1982. P. 1369.

6. HansenM. Constitution of Binary Alloys. N. Y., 1958. 618 p.

БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы признательны

А.И. Ковалеву за помощь в проведении электронноспектроскопических исследований.