Влияние нагрева и деформации на механические свойства аморфных и нанокристаллических металлических сплавов на основе Co и Fe

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА И ДЕФОРМАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Со И Ее

© А.В. Яковлев, В.А. Федоров, Т.Н. Плужникова, А.М. Кириллов, С.А. Зайцев, Д.Ю. Федотов, С.А. Сидоров, А.С. Буланкин

Ключевые слова: пластичность; механические свойства; нанокристаллический отжиг; сплав.

Исследовано изменение механических свойств аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Со и Бе при термомеханическом и термическом воздействиях.

Со времени получения металлических стекол (МС) ведутся интенсивные экспериментальные и теоретические исследования их свойств и структуры [1, 2].

Комплексное исследование закономерностей эволюции структуры и механических свойств МС, подвергнутых термической обработке, а также установление причин низкой термической стабильности являются актуальным направлением прикладных и фундаментальных исследований.

Термическая обработка - самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов [3]. Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями. Одним из видов термической обработки является отжиг. Отжиг аморфных металлических сплавов при достижении определенной температуры сопровождается, в пределах устойчивости аморфного состояния, охрупчиванием при комнатной температуре. Это явление потери пластичности аморфных сплавов имеет не только чисто научный, но и большой практический интерес. Именно оно, в значительной мере, ограничивает температурные интервалы термической обработки промышленных МС и их эксплуатации. В связи с изложенным, целями работы являются установление влияния отжига на изменение пластичности нанокристаллических металлических сплавов, исследование изменения свойств аморфных металлических сплавов различного состава при термомеханическом воздействии.

Для проведения исследований использовали ленты аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Со и Бе систем: Со-Ее-Мп-81-Сг-В-№ (АМАГ-170),

Co-Fe-Mn-Si-Cr-B-Ni (АМАГ-180), Fe-Si-B-Cr (АМАГ-200), полученных методом спиннингования. Толщина лент 20 мкм, ширина 3,5 мм.

Элементный состав исследуемых сплавов был определен методом энергетического дисперсионного анализа рентгеновского излучения с помощью растрового ионно-электронного микроскопа Quanta 200 3D и представлен в табл. 1. Из табл. 1 видно, что сплавы имеют различное содержание кобальта, а также различные наборы составляющих. Во всех сплавах есть хром, обеспечивающий коррозионную стойкость этих материалов.

Образцы сплава АМАГ-200 подвергали изохронному отжигу в печи при заданных температурах с выдержкой 1-20 мин. [4, 5].

Методом на изгиб [6] исследовали характер изменения пластичности МС в зависимости от температуры отжига. Объектами исследования служили образцы размером 3,5x15 мм. Меру пластичности оценивали из выражения: е = h /(D — h), где е - некая величина, не являющаяся стандартной характеристикой пластичности, но позволяющая оценивать ее изменение в относительных единицах, h - толщина ленточного образца, D - расстояние между параллельными пластинами, при котором изогнутый образец разрушался.

Термомеханические испытания проводились на установке для измерения деформации при растяжении, изображенной на рис. 1. Объектами исследования служили образцы размером 3,5x90 мм.

Один конец образца был жестко закреплен, а на другой конец подвешивались грузы весом 25 Н; 0,95 Н

Таблица 1

Элементный состав МС*

Марка Co, % Fe, % Ni, % Si, % Mn, % B, % Cr, %

АМАГ-170 70,42 4,72 10,46 9 2,1 2 1,3

АМАГ-180 78,65 4,03 4,73 7,22 1,88 2 1,49

АМАГ-200 - 73,5 - 13,5 - 9 3

Примечания. * Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов».

Рис. 1. Схема установки для исследования деформации при растяжении: 1 - образец, 2 - печь, 3 - нагружающий захват, 4 - стационарный захват, 5 - груз

Рис. 2. Зависимости изменения пластичности от температуры отжига при различных выдержках

и 0,1 Н. Образцы нагревались в печи с одинаковой скоростью и при постоянной нагрузке. В процессе нагрева в режиме реального времени проводились измерения температуры образца лазерным пирометром «Теэйз-845», параллельно велась видеосъемка для фиксирования удлинения образца с помощью оптического экс-тензометра.

1. В первой части работы были проведены исследования по влиянию изохронного отжига на механические свойства нанокристаллического сплава АМАГ-200.

Полученные зависимости изменения пластичности от температуры отжига представлены на рис. 2. Видно, что имеет место тенденция к снижению пластичности. Все полученные зависимости попадают в заштрихованную область. Это говорит о том, что падение пластичности слабо зависит от времени.

2. Во второй части работы были проведены исследования по влиянию термомеханического воздействия на свойства МС.

Экспериментально установлено, что разрыв образцов сплава АМАГ-170 при нагрузке 25 Н происходит при относительной деформации ~ 6-7 % и температуре ~ 600-700 °С, сплав АМАГ-180 разрушается при относительной деформации ~ 6-7 % и температуре ~ 700800 °С, а сплав АМАГ-200 при деформации ~ 5 % и температуре ~ 700-800 °С.

Снижение нагрузки для всех указанных сплавов до 0,95 Н или 0,1 Н показало, что нагрев даже до 900 °С вызывает значительно меньшее удлинение (0,5-2 %) и не вызывает разрушения образца.

Изучена морфология поверхности сплавов АМАГ-170, АМАГ-180 и АМАГ-200 в трех режимах: 1) в исходном состоянии; 2) нагретых до 900 °С без нагрузки; 3) образцов после комбинированного воздействия нагрузки и нагрева.

Отмечено, что у сплавов АМАГ-170, АМАГ-180, АМАГ-200 структура поверхности при указанных режимах воздействий меняется. У сплавов АМАГ-170, АМАГ-180 проявляется четкая структура, состоящая из рельефных выпуклостей. Структура поверхности сплава АМАГ-200 практически гладкая, рельеф четко не выражен.

Экспериментально изучены морфологические особенности сплавов в местах разрушения.

Разрушение аморфных сплавов, как и обычных кристаллических, может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение происходит после или одновременно с пластической деформацией. Оно развивается по плоскостям, где действуют максимальные касательные напряжения. Характерной особенностью вязкого разрушения аморфных сплавов является наличие на поверхности разрушения двух зон: почти гладких участков скола и участков, в которых наблюдается система переплетающихся трещин - следов выхода областей сильно локализованного пластического течения - толщиной ~ 0,1 мкм. Хрупкое разрушение происходит сколом без внешних следов макроскопического течения и по плоскостям, перпендикулярным оси растяжения.

Установлено, что образцы сплавов АМАГ-170 и АМАГ-180 разрушаются вязко, а АМАГ-200 разрушается хрупко.

Пластическая деформация аморфных сплавов может быть гомогенной, когда деформируется каждый элемент объема и образец испытывает однородную деформацию, и негомогенной, когда пластическое течение локализуется в тонких полосах сдвига [6]. В нашем случае наблюдаемая деформация негомогенная.

На всех исследованных образцах наблюдались полосы сдвига. На образцах сплава АМАГ-170 полос сдвига меньшее количество, чем на образцах сплавов АМАГ-180 и АМАГ-200.

На образцах АМАГ-170 и АМАГ-180 были обнаружены боковые трещины, которые проходят почти через всю поверхность и не приводят к разрыву образца.

На основании проведенных исследований были предложены механизмы разрушения аморфных сплавов. Сначала в сплавах АМАГ-170 и АМАГ-180 происходит образование нескольких боковых трещин. Боковые трещины начинают разрастаться, увеличиваясь в размере. Одна из них развивается магистрально и приводит к разрушению образца. При этом по руслу маги-

стральной трещины начинают образовываться вторичные трещины, образуя ветвеобразную систему. Однако, наряду с магистральными трещинами, прослеживаются боковые трещины, проходящие вдоль поперечного размера образца и не приведшие к разрыву.

У сплава АМАГ-200 зарождается боковая трещина. Без образования ветвеобразной структуры. Разрыв происходит путем растрескивания образца, хрупко.

Таким образом, установлено, что относительное удлинение образцов зависит от элементного состава сплава и структуры. Сплавы с большим содержанием пластифицирующих элементов, таких как N1 и Мп, обладают большей пластичностью по сравнению с на-нокристаллическим сплавом. Термомеханическое воздействие приводит к изменению исходной структуры исследуемых сплавов, и характер их разрушения зависит от процентного содержания исходных элементов. Механизм разрушения наноструктурированного сплава принципиально отличен от разрушения аморфных сплавов. Аморфные сплавы разрушаются с образованием ветвеобразных трещин и полос сдвига. Нанострук-турированный сплав разрушается хрупко. Пластичность нанокристаллического сплава практически не зависит от времени выдержки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глезер А.М., Молотилов Б.В. Структура и механические свойства

аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1992. 208 с.

2. Аморфные металлические сплавы: сб. науч. тр. / под ред. Ф.Е. Люборского. М.: Металлургия, 1987. 584 с.

3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978. 392 с.

4. Яковлев А.В., Федоров В.А., Капустин А.Н. Влияние отжига на кинетику процессов охрупчивания аморфных сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. № 8 (638). С. 3941.

5. Яковлев А.В., Федоров В.А., Храбров А.П., Барышев Г.А. Оптимизация режимов отжига металлических стекол // Сборник материалов XVII Петербургских чтений по проблемам прочности, посвящ. 90-летию со дня рожд. проф. А.Н. Орлова. 10-12 апр. 2007 г. СПб., 2007. Ч. 1. С. 72-73.

6. Глезер А.М., Пермякова И.Е., Громов В.Е., Коваленко В.В. Механическое поведение аморфных сплавов. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2006. 416 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант №09-01-97514_р_центр_а.

Поступила в редакцию 16 ноября 2011 г.

Yakovlev A.V., Fedorov V.A., Pluzhnikova T.N., Kirillov A.M., Zaitsev S.A., Fedotov D.J., Sidorov S.A., Bulankin A.S. INFLUENCE HEATING AND DEFORMATION ON MECHANICAL PROPERTIES OF METALLIC AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE ALLOYS BASED Co AND Fe

Ohange in the mechanical properties of amorphous and nanocrystalline alloys based on Co and Fe in the thermomechanical and thermal effects is investigated.

Key words: plasticity; mechanical properties; nanocrystalline; annealing; alloy.