Закономерности деформирования и разрушения металлического стекла при локальном нагружении на подложках с различными механическими характеристиками

УДК 5З9.2

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СТЕКЛА ПРИ ЛОКАЛЬНОМ НАГРУЖЕНИИ НА ПОДЛОЖКАХ С РАЗЛИЧНЫМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

© В.А. Федоров, И.В. Ушаков, Е.И. Климачева

Россия, Тамбов, Государственный университет им. Г.Р. Державина

Feodorov V.A., Ushakov I.V., Klimacheva E.I. Regularities of deformation and destruction of metallic glass at local loading on substrate with different mechanical characteristics. The regularities of deformation and destruction of annealed metallic glass at local loading are investigated. It is established that the exceeding of critical temperature (Tcr) of annealing is accompanied by exponential decreasing of endurance to cracking. For any temperature of annealing higher than Tcr, the probability of crack initiation at indentation is in direct proportion to the load of indentation. The influence of different substrates on qualitative and quantitative results of indentation is established. The method of determination of mechanical characteristics of metallic glass is proposed on the basis of the obtained dependences and evaluating of influence of different substrates on the results of indentation.

Известно, что отжиг металлических стекол сопровождается релаксацией механических напряжений, изменением избыточного и структурно обусловленного свободных объемов, а при достаточно высоких температурах также кристаллизацией. Следствием этих процессов является изменение ряда механических и магнитных свойств металлических стекол [1-3].

При практическом использовании таких материалов возникает необходимость определения их механических характеристик (трещиностойкость и пр.) и структурного состояния (наличие кристаллической фазы), которые могут быть установлены путем различных механических испытаний, с помощью акустической эмиссии при деформировании, рентгеноструктурного анализа и т. д. [4, 5].

Практическая ценность таких методов во многом зависит от их простоты, надежности, возможности быстрой реализации. Таким образом, разработка простых и надежных методов определения механических характеристик металлических стекол, установление их взаимосвязи со структурным состоянием имеет как научное, так и практическое значение.

Целью данной работы является установление закономерностей деформирования и трещиностойкости отожженного металлического стекла, подвергнутого локальному нагружению, сопоставление механических характеристик со структурным состоянием стекла, а также разработка метода оценки его механических характеристик.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования проводили на металлическом стекле 82К3ХСР. Толщина ленты 30 мкм, состав: 83,7 % Со + + 3,7 % Ее + 3,2 % Сг + 9,4 % (вес. %). Перед испы-

танием образцы подвергали отжигу в печи при температурах Тот = 373-888 К. Образцы нагревали и охлаждали со скоростью « 10 К/мин и выдерживали при заданной температуре в течение 3 мин.

Характер деформирования и разрушения металлического стекла, а также его трещиностойкость исследовали на микротвердомере ПМТ-3. В связи с тем, что малая толщина металлического стекла не позволяет проводить индентирование значительными нагрузками по стандартным методикам, перед индентированием образцы размещали на подложках.

В качестве подложек использовали различные композиты с толщиной слоя и 1 мм, нанесенные на металл. Подложка № 1 - полиэфирный композит ТУ 2312-021-11748532-97, микротвердость 151 кГ/мм2, подложка № 2 - композит ТУ 2385-011-04831040-95, микротвердость 16 кГ/мм2, подложка № 3 - клей на основе натурального каучука ГОСТ 2199-78, марка «А», микротвердость <10 кГ/мм2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На всех подложках индентирование неотожженно-го металлического стекла нагрузкой < 100 г приводило к возникновению отпечатка от пирамидки Виккерса. При нагрузке на индентор и 100 г и выше вокруг отпечатка появляется зона деформирования в виде лучей длиной до 30 мкм.

В результате индентирования металлического стекла, отожженного при высоких температурах (Т > 673 К), возможно образование радиальных трещин длиной до нескольких миллиметров (нагрузка, необходимая для образования трещин, в зависимости от температуры отжига, изменяется от 40 до 400 г). Установлено, что критическая температура, при которой возможно образование трещин, зависит от материала подложки. Для подложки № 1 Тр = 748 К, для подложки № 2 Ткр = 738 К, для подложки № 3 Ткр = 673 К. Минимальная величина нагрузки, необходимая для образования трещин, уменьшается по мере роста температуры и при температурах и 823-880 К, составляет для подложки № 1 Рщіп = 60 г, для подложки № 2 = 70 г, для подлож-

ки № 3 Р™п = 40 г.

а)

Р,Г

б)

Рис. 1. Зависимость вероятности (Щ) образования трещин при индентировании от нагрузки на индентор (Р) для различных температур отжига и различных подложек. Коэффициенты зависимостей приведены в таблице № 1. а) Подложка № 1. Температуры отжига и значения коэффициентов для приведенных зависимостей равны соответственно: 1 () - Тот = 888 К; 2 (о) - Тот = 823 К;

3 (Д) - Тот = 783 К; 4 () - Тот = 773 К; 5 (♦) - Тот = 763 К; 6 () - Т„ = 748 К. б) Подложка № 2. Температуры отжига и значения коэффициентов для приведенных зависимостей равны соответственно: 1 () - Тот = 868 К; 2 (о) - Тот = 823 К; 3 (Д) - Тот = 773 К;

4 () - Тог = 763 К; 5 (♦) - Т„ = 748 К; 6 (+) - Тот = 738 К. в) Подложка № 3. Температуры отжига и значения коэффициентов для приведенных зависимостей равны соответственно: 1 () - Тот = 868 К; 2 (о) - Тот = 823 К; 3 (Д) - Тот = 773 К; 4 () - Тот = 763 К;

5 (♦) - Тот = 748 К; 6 (+) - Тот = 738 К; 7 () - Тот = 673 К

Для всех подложек, на образцах, отожженных в температурном интервале 673-783 К, вследствие ин-дентирования возможно образование как зоны деформирования, так и микро- и макротрещин. По мере повышения температуры отжига зоны деформирования

становятся менее выраженными и при Тот > 783 К не наблюдаются.

При температуре отжига большей Ткр вероятность появления трещин при индентировании прямо пропорциональна нагрузке на индентор (рис. 1). Эксперимен-

а)

б)

в)

Рис. 2. Зависимости величины нагрузки при индентировании (Р) от температуры отжига, для вероятностей образования трещин (Щ) равных: а) Щ = 1; б) Щ = 0,5; в) Щ = 0.  - подложка № 1, о - подложка № 2,  - подложка № 3. Коэффициенты экспоненциальных зависимостей приведены в таблице № 2. Экспонента показывает температурную зависимость максимальной нагрузки на индентор, при которой еще не возникает трещины

тальные точки аппроксимировали линейными зависимостями вида Щ = аР + Ь. Значения коэффициентов корреляции К для подложки № 1 находятся в диапазоне 0,92 до 9,86, для подложки № 2 - в диапазоне 0,9070,965, для подложки № 3 - в диапазоне 0,806-0,965. Каждая экспериментальная точка соответствует 20 опытам (по 10 опытов на двух независимо приготовленных образцах).

Отмечено, что по мере повышения температуры отжига снижается величина нагрузки, необходимой для образования трещин (рис. 2). Экспериментальные точки хорошо аппроксимируются зависимостями вида P = = P0 + Aexp((T0 - T)/C), где T0 - температура начала вязко-хрупкого перехода, P0 - минимальная величина нагрузки, которая требуется для образования трещин при температурах отжига много больших T0, A - коэффициент, имеющий размерность нагрузки, С - коэффициент, имеющий размерность температуры.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

По мере роста температуры отжига до 888 К в металлическом стекле начинаются атомные перестройки. Следствием эволюции структуры является увеличение хрупкости материала. В результате становится возможным образование макротрещин в процессе инден-тирования. Зависимости трещиностойкости от температуры отжига являются экспоненциальными, что свидетельствует о термоактивированном характере процесса атомных перестроек (рис. 2).

На основании анализа экспоненциальных зависимостей трещиностойкости от температуры отжига (рис. 2) можно заключить, что температурный интервал 673-748 K является переходным, выше которого происходят значительные изменения механических свойств металлического стекла. В то же время из данных рентгеноструктурного анализа следует, что эти изменения не сопровождаются кристаллизацией металлического стекла [6].

При обработке экспериментальных данных необходимо учитывать влияние подложки как на качественные характеристики индентирования, так и на величину случайных отклонений. Это обусловлено малой толщиной металлического стекла, не позволяющей проводить индентирование значительными нагрузками (> 100 г) по стандартным методикам.

Влияние подложки на результаты индентирования видны из рис. 1-2. Очевидно, за значительную ширину интервала температур начала существенных изменений механических свойств подложки также ответственны различные механические характеристики используемых подложек.

Анализ экспериментальных данных показывает, что подложка, на которую наносят металлическое стекло, внося определенные изменения в процесс ин-дентирования, обеспечивает высокую воспроизводимость результатов и чувствительность к структурному состоянию металлического стекла. Высокая воспроизводимость результатов индентирования и хорошие коэффициенты корреляции для линейных зависимостей доказывают, что при использовании таких подложек возможно получение минимальных величин случайных отклонений.

Из полученных данных также следует, что на материале подложек № 1 и № 2 возможно удовлетворительное определение коэффициентов линейных зависимостей трещиностойкости от величины нагрузки. На таком материале требуется меньшее количество опытов для получения удовлетворительных коэффициентов корреляции. Так, изменение среднего значения коэффициента корреляции для подложек № 1, 2, 3 равно, соответственно, Мср = 0,038, ДОср = 0,028, ДRср = 0,52.

Таблица 1

Температуры отжига и коэффициенты для зависимости Щ = аР + Ь

Подложка № 1 Подложка № 1 Подложка № 1

Тот (К) а Ь Тот (К) а Ь Тот (К) а Ь

888 0,016 -0,905 868 0,0142 -0,774 868 0,0187 -0,928

823 0,021 -1,459 823 0,0147 -0,99 823 0,02 -0,89

783 0,015 -1,75 773 0,015 -1,25 773 0,0166 -1,046

773 0,015 -1,339 763 0,0101 -0,782 763 0,014 -0,922

763 0,013 -1,352 748 0,0114 -0,952 748 0,0143 -1,015

748 0,002 -0,262 738 0,0069 -0,699 738 0,0133 -1,105

673 0,002 0,462

Таблица 2

Коэффициенты экспоненциальной зависимости Р = Р0 + А ехр((Т0 - Т ) /С ) для различных подложек и вероятностей образования трещин

Под- лож- ка Р0 А Т0

№1 137,7±15,8 612,1±32,4 475 6,0±1,6

№2 1 124± 11,8 74±13,1 738 41,6±19,6

№3 101,6±5,7 629,7±9,9 673 27,9±1,8

№1 106,8±14,8 345,2±29,5 475 7,2±2,4

№2 0,5 84,8±18,9 271,6±237,9 673 49±35,7

№3 72,1±3,9 408,8±6,6 673 31,3±1,7

№1 58,8±18,1 90,0±22,3 475 33,9±19,9

№2 0 50,3±16,1 110,2±55,6 673 73,2±59,3

№3 45,5±3,1 185,5±4,7 673 39,8±2,8

Таблица 3

Относительное отклонение коэффициентов экспоненциальной зависимости при аппроксимации экспериментальных данных

Подложка Щ о % ДА, % ДС, %

1 11,4 5,3 26,3

№1 0,5 11,9 8,4 33,9

0 30,7 24,8 66,4

1 9,9 18,7 49,1

№2 0,5 9,4 18,8 51,1

0 31,9 29 84

1 5,6 1,6 6

№3 0,5 5,6 1,6 5,8

0 6,2 2,5 7

В то же время, для определения изменения трещи-ностойкости с изменением температуры отжига, предпочтительна более эластичная подложка № 3, хотя использование данной подложки требует большего количества опытов (при удвоении количества опытов с 10 до 20 среднее значение коэффициента корреляции Кср для подложек № 1-2 изменилось с 0,92 до 0,958 и с 0,913 до 0,941 соответственно, а для подложки № 3 - с

0,85 до 0,902).

Линейные зависимости вероятности образования трещин от нагрузки на индентор для разных температур отжига не пересекаются только для подложки № 3. Только для данной подложки любые линейные зависи-

мости, соответствующие меньшим температурам отжига, лежат правее по оси абсцисс (рис. 1). Этим обеспечиваются малые погрешности при последующем определении коэффициентов экспоненциальных зависимостей (табл. 3).

Следовательно, использование более эластичной подложки обеспечивает получение более точных данных при условии проведения на ней достаточного числа испытаний (не менее 20).

Причина меньших погрешностей в коэффициентах экспоненциальных зависимостей вероятности образования трещин от нагрузки на индентор для подложки № 3 (см. табл. 3), вероятно, заключается в меньшей микротвердости материала подложки. Такая подложка вносит меньшие искажения в результаты индентирова-ния и лучше выявляет трещиностойкость металлического стекла.

Исходя из данных соображений, а также из того, что на подложке № 3 получена наименьшая температура (Ткр = 673 К) начала существенных изменений механических свойств металлического стекла, можно заключить: большие температуры отжига, при которых отмечено образование трещин на стекле, нанесенном на подложки № 1-2, обусловлены «упрочняющим» действием самого материала подложки. Следовательно, реальная температура начала существенных изменений механических свойств металлического стекла несколько меньше 673 К и может быть выявлена при использовании более эластичных подложек.

ВЫВОДЫ

1. Превышение критической температуры отжига металлического стекла приводит к экспоненциальному уменьшению трещиностойкости стекла при инденти-ровании, что обусловлено атомными перестройками, не связанными с кристаллизацией. Вероятность образования трещин в процессе индентирования образцов, отожженных при температурах выше критической, прямо пропорциональна нагрузке на индентор. Критическая температура, при которой возможно трещинообразова-ние, зависит от материала подложки и наиболее достоверна на «мягкой» подложке.

2. Предложена методика определения трещино-стойкости и тепловой предыстории металлического стекла, обеспечивающая удовлетворительную точность и воспроизводимость результатов.

Оценено влияние различных подложек на воспроизводимость результатов и коэффициенты корреляции, получаемые при аппроксимации экспериментальных данных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Кипятков А.Ю., Амосова О.В., Глезер А.М. Залечивание пористости в аморфных сплавах при отжиге / Тр. XXXV семинара «Актуальные проблемы прочности». Ч. II. Псков, 1999. С. 381-385.

2. Лихачев В.А., Шудегов В.Е. Принципы организации аморфных структур. С.-Пб.: Изд-во С.-Пб. ун-та, 1999. 228 с.

3. Хусаинов М.А., Бордашев К.А., Винокуров И.Д. Оптимизация режимов получения порошков при реализации безотходной технологии производства аморфных сплавов / Науч. тр. III Междунар. семинара «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева. В. Новгород, 1999. С. 180-184.

4. Хусаинов М.А., Белякова Н.Н. Магнитные свойства сплава с око-лонулевой магнитострикцией, полученного из отходов аморфных лент / Науч. тр. III Междунар. семинара «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева. В. Новгород, 1999. С. 204-208.

Виноградов А.Ю., Михайлов В.А., Хоник В.А. Акустическая эмиссия при гетерогенном и гомогенном пластическом течении металлических стекол / ФТТ. 1997. Т. 39. № 5. С. 885-888.

Федоров В.А., Ушаков И.В., Поликарпов В.М. Анализ структуры металлического стекла, подвергнутого теплоэлектрическим воздействиям // Державинские чтения. Материалы науч. конф. преподавателей и аспирантов. Тамбов: Изд-во ТГУ, 2000.

БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы благодарны профессору В. А. Хонику за образцы металлического стекла.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования РФ (грант по фундаментальным исследованиям в области естественных наук № 97-0-4.3-185).

УДК 620.198

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ СТАЛЕЙ, ОПРЕДЕЛЯЕМОЙ СТАТИЧЕСКИМ РАСТЯЖЕНИЕМ В КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЕ, ДЛЯ РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

© А.И. Айнабеков, Б.Р. Арапов, Б.К. Мынбаев, М. Дауренбеков

Казахстан, Шымкент, Южно-Казахстанский государственный университет

Ainabekov A.I., Arapov B.R., Mynbaev B.K., Daurenbekov M. Usage the characteristics of steel plasticity determined by static lengthening in corrosion environment for calculation of durability for little cycle tiredness. The results of the research of steel 10ГH2MФA plastic changes in the water of 300° C and pressure 14 MPa in different speeds of samples deformation by lengthening are discussed. The presence of critical speeds of material deformation when plastic is in high-parameter water lows is established. The methods of the construction elements life-cycle working in high parameters water is taken into account of the lowing static plasticity of material in exploitation of equipment.

Расчет циклической прочности элементов конструкций АЭС на основе норм расчета [1, 7] производится по уравнению типа Коффина - Мэнсона:

[а aF ] =

Е T • eC

RT

(4' nN -[N0 ]

где пы - коэффициент запаса по числу циклов; т ,

тс - характеристики материала; ЯС - характеристика прочности, принимаемая равной

ЯСС = ЯСТ • (і +1,4 • 10_2 • 2ТсТ); г - коэффициент асим-

Т

метрии цикла напряжений; вс - характеристика плаТ

стичности, зависящая от значения Ас , определяемая по формуле:

100 ^ )т

eC = 1,151 • lg-

100 - Z

C

— R

/max p0,2

2 • ET

или при

(§F Lax > RC - по формуле:

eTC = 1,151 • lg—; zC = zTt при zTt < 50%

100 - Z

C

относительное

и Ітс = 50% при ІТТ > 50%; І7С сужение поперечного сечения образца при стандартном разрушении растяжением при расчетной температуре;

ЯСтТ - минимальное значение временного сопротивления при расчетной температуре, МПа; Я Т0 2 - временное значение сопротивления при деформации 0,2 и

расчетной температуре, МПа; Е - модуль упругости при расчетной температуре, МПа; [стаР ] - допустимая амплитуда условных упругих приведенных напряжений с учетом коэффициента концентрации условных упругих напряжений, МПа; [V0 ] - допускаемое число циклов нагружения до появления трещин в конструкции.

Как видно из структуры уравнения (1), циклическая прочность стали существенно зависит от коэффициента относительного сужения поперечного сечения мате-

7 Т

риала Лст .

Большинство элементов оборудования энергетических установок при эксплуатации подвержены воздействию коррозионной среды - воды высоких параметров. Известно, что коррозионная среда приводит к охрупчиванию материала и снижению его характеристик пластичности и, как следствие этого, снижению циклической прочности стали. Опыты, проведенные в нашей лаборатории, показали, что статическая прочность стали 10ГН2МФА в реакторной воде высоких параметров (Т = 573 К, Р = 14 МПа) зависит от скоростей растяжения испытуемого образца. В области скоростей растяжения около 10-6 с-1 наблюдалось резкое снижение

относительного сужения 2 КС до значений 4... 6 %. А при скоростях растяжения выше или ниже указанной критической скорости пластичность стали приближается к значению, полученному при испытании на воздухе. На рис. 1 приведены значения относительного сужения в зависимости от скоростей растяжения на воздухе и в дистиллированной воде. Для практического

использования 2 кс в расчетах циклической прочности на основе уравнения (1) необходимы его значения