Реологические свойства аморфных и нанокристаллических металлических сплавов в условиях нестационарной ползучести

УДК 539.3

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ

© Д.Ю. Федотов, Т.Н. Плужникова, Л.А. Новгородов, В.А. Яковлев, С.В. Васильева

Ключевые слова: аморфные металлические сплавы; ползучесть; морфология поверхности; разрушение. Исследованы закономерности деформации различных аморфных и нанокристаллических металлических сплавов в условиях нестационарной ползучести. Установлено, что деформация аморфных и нанокристалличевких сплавов в условиях нестационарной ползучести носит ступенчатый характер. Отмечено, что ниже температуры кристаллизации деформация протекает гетерогенно, выше гомогенно. Выявлены морфологические особенности состояния поверхностей образцов и поверхностей разрушения на различных стадиях ползучести.

Металлические стекла (МС) во многих отношениях подобны обычным стеклам и жидким металлам [1]. Одним из удивительных свойств аморфных сплавов является их способность к пластическому течению. В аморфном твердом теле нет трансляционной симметрии и нет, следовательно, дислокаций в классическом понимании природы этого дефекта [2]. Аморфное твердое тело, следовательно, должно быть абсолютно хрупким. Но в МС пластическая деформация все же происходит. Пластическая деформация в аморфных сплавах может протекать гомогенно или негомогенно. Вопросы эволюции структуры металлических стекол относятся к ряду наиболее значимых проблем физики сильно неупорядоченных систем. Актуальной задачей физики неупорядоченных сред является изучение пластического течения МС, а также расширение числа методов исследования их механических свойств.

В связи с этим целью работы было исследование закономерностей деформации и разрушения различных аморфных и нанокристаллических металлических сплавов в условиях нестационарной ползучести.

Для проведения исследований использовали ленты аморфных сплавов на основе Со систем: Co-Fe-Mn-Si-Cr-B-Ni (АМАГ-170, АМАГ-179, АМАГ-180), Co-Fe-Mn-Si-B-Cr (АМАГ-183, АМАГ-186) и ленты нанокри-сталлического сплава на основе железа Fe-Cu-Nb-Si-B (АМАГ-200), полученных методом спиннингования. Объектами исследования служили образцы размером 55x3,5x0,02 мм.

Для проведения испытаний на ползучесть была создана установка и разработана методика проведения эксперимента. Образец закрепляли между двумя зажимами, один из которых неподвижно соединялся с верхней частью установки, нижний зажим, в свою очередь, крепился к образцу и оставался в свободном состоянии, создавая в образце начальные механические напряжения ~13,5 МПа. После этого образец помещали в печь. В ходе экспериментов нагрев образцов определяли пирометром Testo 845. Скорость нагрева составляла 0,65 °С/с. Удлинение образцов фиксировали на цифровую видеокамеру. Затем производили покадровую развертку видеосъемки, на основании которой определяли изменение длины образца в течение всего эксперимента.

По результатам измерений построены зависимости относительной деформации образцов от времени. На рис. 1 приведены зависимости для сплавов АМАГ-183. Отмечено, что деформация образцов носит ступенчатый характер.

Рис. 1. Зависимости относительной деформации (є, %) от времени (і, с) для образцов сплава АМАГ-183 (1, 2, 3 - разные образцы одного и того же сплава). Тк - температура кристаллизации

До температуры кристаллизации на зависимости наблюдаются длительные остановки, соответствующие определенной величине деформации. После температуры кристаллизации ход зависимостей меняется. Остановки деформации становятся менее длительными, а число скачков деформации быстро нарастает.

Установлено, что разрушение образцов сплавов на основе Со происходит при относительной деформации, достигающей 25 %, и температуре ~600-700 °С. Отмечено, что в сплавах на основе Со ниже температуры кристаллизации деформация протекает гетерогенно, выше - гомогенно.

Исследования структурного состояния аморфных сплавов на различных стадиях нагрева проводили на поверхностях излома образцов. Для этого образцы после нагрева до определенной температуры извлекали из установки и разрушали методом на изгиб. На рис. 2 приведены морфологические особенности поверхности разрушения образцов сплава АМАГ-186. Установлено, что у образцов при температуре нагрева более 400 °С

1968

наблюдается ярко выраженная зеренная структура. С увеличением температуры нагрева образца увеличивается размер кристаллов. При нагреве до 400 °С их размер составляет —100 нм, при нагреве до 500 и 600 °С ~250 и —500 нм соответственно. Аналогичные изменения структуры подтверждаются рентгеноструктурным анализом. На дифрактограммах вместо «гало», характерных для аморфных структур, появляется серия дифракционных максимумов.

Рис. 2. Зеренная структура на поверхности разрушения образца сплава АМАГ -186, подвергнутого нагреву 600 °С

Установлено, что разрушение образцов происходит вязко при температуре выше 600 °С. Отмечено также, что зерна кристаллов текстурированы вдоль оси растяжения. В области разрушения толщина образца в результате образования утяжки уменьшается до 5 % от исходного состояния и соответствует —1 мкм.

Формирование ступеней на зависимости 8-Г связано с тем, что при появлении кристаллов отдельные полосы сдвига блокируются на них, деформация не развивается. Этому соответствуют длительные временные периоды, в которые развитие деформации не происходит. С ростом температуры растет число кристаллов и число полос сдвига. Выше температуры кристаллизации деформация становится гомогенной, и на ее фоне блокировка полос деформации становится значительно меньшей по времени. Ползучесть переходит в состояние установившегося скачкообразного течения.

На рис. 3 приведены зависимости относительной деформации от времени для сплава АМАГ-200. Деформация также носит ступенчатый характер.

Образцы сплава АМАГ-200 при заданных условиях эксперимента не разрушаются, относительная деформация образцов достигает 15 %.

Рис. 3. Зависимости относительной деформации

Рис. 4. Образование оксидных частиц на поверхности образцов сплава АМАГ-186, подвергнутых нагреву 400 °С

На рис. 4 приведены морфологические особенности поверхности образцов сплава АМАГ-186 подвергнутых нагреву 400 °С.

Видно, что нагревание образцов приводит к появлению на поверхности различных образований, размер которых с увеличением температуры нагрева возрастает. Исследованиями элементного состава установлено, что они являются оксидами различных составляющих сплава. На поверхностях сплава АМАГ-200 в зависимости от температуры нагрева наблюдается появление различных цветов побежалости.

Таким образом, экспериментально установлено, что деформация аморфных и нанокристаллических сплавов в условиях нестационарной ползучести носит ступенчатый характер. Отмечено, что в аморфных сплавах первые скачки деформации появляются до температуры кристаллизации. По мере роста температуры сокращается время между соседними скачками, а величина самого скачка деформации остается практически постоянной.

ЛИТЕРАТУРА

1. Манохин А.И., Митин Б.С., Васильев В.А., Ревякин А.В. Аморфные сплавы. М.: Металлургия, 1984. 160 с.

2. Глезер А.М., Утевская О.Л. Разработка методики измерения механических свойств тонких ленточных материалов // Композиционные прецизионные материалы: тематический отраслевой сборник (МЧМСССР) / под ред. Б.В. Молотилова. М.: Металлургия, 1983. С. 78-82.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Fedotov D.Y., Pluzhnikova T.N., Novgorodov L.A., Yakovlev A.V., Vasilyeva S.V. RHEOLOGICAL PROPERTIES OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE METALLIC ALLOYS UNDER TRANSIENT CREEP

The laws of the various strains of amorphous and nanocrystalline metallic alloys under transient creep are researched. It is found that the deformation of amorphous alloys and nanocrystalline in transient creep stepwise. It is noted that below the crystallization temperature deformation proceeds heterogeneously above homogeneously. Morphological features of the condition of surfaces and fracture surfaces of samples at various stages of creep are detected.

Key words: amorphous metal alloys; creep; surface morphology; destruction.

1969