Исследование влияния печного и лазерного отжига на некоторые механические характеристики аморфного металлического сплава 82К3ХСР в условиях локального нагружения на полимерных подложках

УДК 539.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕЧНОГО И ЛАЗЕРНОГО ОТЖИГА НА НЕКОТОРЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

АМОРФНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА 82К3ХСР В УСЛОВИЯХ ЛОКАЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ НА ПОЛИМЕРНЫХ ПОДЛОЖКАХ

В.М. Поликарпов1, И.В. Ушаков2, А.Е. Калабушкин 3, Т.Н. Плужникова2

Кафедра физики, ТГТУ (1);

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина (2);

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: композит; лазерная обработка; металлическое стекло; механические свойства.

Аннотация: Экспериментально исследовано деформирование и разрушение металлического стекла. Установлен экспоненциальный характер зависимости величины нагрузки, необходимой для образования деформированных областей в виде локальных отколов и провалов от температуры отжига образцов. Определен линейный характер зависимости количества отколотых участков металлического стекла от величины нагрузки при индентировании. Разработана методика осуществления лазерного отжига металлического стекла и последующего определения его механических характеристик. Показано, что при индентировании металлического стекла, подвергнутого лазерному облучению на полимерной подложке, прослеживаются закономерности, подобные полученным на образцах, подвергнутых печному термическому отжигу.

Структура и механические свойства металлического стекла (МС) проявляют сильную зависимость от термической обработки. Отжиг МС сопровождается эволюцией их структуры, изменением ряда физических свойств, в том числе механических характеристик. Ранее установлено, что в результате отжига МС меняется вероятность образования трещин при индентировании, установлены некоторые количественные зависимости [1 - 3]. В то же время, остаются неисследованными многие механические свойства МС, подвергнутого отжигу и воздействию лазерного излучения. Нет сопоставления данных о свойствах со структурными особенностями таких материалов. Целью данной работы являются исследование МС 82К3ХСР, подвергнутого печному и лазерному отжигу.

Методика проведения эксперимента

Исследования проводились на МС 82К3ХСР, толщиной 30 мкм, составом 83,7 % Со + 3,7 % Ге + 3,2 % Сг + 9,4 % Б1 (вес. %). Образцы подвергали отжигу в печи при температурах Тот = 373...888 К. Для лазерного отжига использовался ОКГ КВАНТ 15. Образцы облучали лазерными импульсами с плотностью потока

излучения » 2 106 Вт/мм2. Перед индентированием образцы крепили на полимерную подложку с толщиной слоя » 1 мм, нанесенную на металл. Методика исследований описана в [1].

В связи с особенностями тонких лент МС важным методом исследования их механических свойств является метод локального нагружения на подложках [1, 2]. Однако, в условиях воздействия лазерного излучения использование указанной методики встретило ряд трудностей. Предварительное облучение и последующее нанесение образцов МС на подложки вызывает их растрескивание, необратимые деформации, что делает дальнейшие измерения некорректными. Облучение образцов МС, нанесенных на подложки, приводит к отслаиванию образцов от материала подложки, прожигу подложки с изменением свойств выжженного слоя. Проведенные исследования показали недостатки традиционных подложек [1, 2] для осуществления достоверных механических испытаний образцов, подвергнутых лазерному отжигу.

В связи с указанной проблемой особую важность приобретает поиск таких материалов, которые могут быть использованы в качестве подложек для МС, подвергаемых лазерному воздействию. В процессе экспериментального поиска материалов для подложек удовлетворительные результаты получены для двух классов материалов. К первому относятся высокотемпературные герметики производства США. Данные герметики имеют высокие, до 485 °С, рабочие температуры. В режиме кратковременного (< 1 мс) лазерного отжига подложка выдерживала и более высокие температуры. Даже в случае проплава и прожига образца МС не отмечалось заметного отслаивания МС от подложки. Испытания подложек осуществляли также с использованием высокотемпературных кремнийорганических материалов, разработанных в ИНХС РАН, на которых также удавалось получать удовлетворительные результаты, пригодные для проведения последующих механических испытаний с удовлетворительной точностью. Структура и фазовый состав используемых полимерных подложек контролировались с помощью рентге-ноструктурных исследований для более полного понимания происходящих процессов.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Индентирование отожженного МС сопровождается образованием зоны пластической деформации и трещин. Материал в данной области вместе с подложкой подвергается локальному прогибу. В ряде случаев образуются кольцевые трещины, окружающие место индентирования и отделяющие его от остального материала (рис. 1). В некоторых случаях наступает локальное хрупкое разрушение материала образцов в виде «отколов», наблюдающееся при различных нагрузках на индентер в разной степени для различных условий термообработки.

Величина нагрузки, при которой начинают появляться «отколы», изменяется с изменением температуры отжига. Экспериментальные данные зависимости величины нагрузки на индентер, при которой появляются первые «отколы», от температуры отжига образцов представлены на рис. 2.

Известно, что кинетика кристаллизации, релаксации, охрупчивания и ряда других процессов, протекающих в аморфных металлах, определяется диффузионной подвижностью атомов, экспоненциально зависящей от температуры. На основании этого можно предположить, что изменения механических свойств сплава, ответственные за разрушение материала с образованием «отколов», также подчиняются экспоненциальной зависимости.

Экспериментальные данные можно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью вида Р = Р0 + Лехр((Т0 - Т)/С), где смысл коэффициентов можно ин-

Рис. 1. Зона хрупкого разрушения, окруженная кольцевой трещиной

Рис. 2. Зависимость величины нагрузки

на индентер, необходимой для образования отколов, от температуры отжига образцов

терпретировать следующим образом: Р0 - минимальная величина нагрузки на индентер, при которой могут образовываться отколы, Р0 = (75 ± 11) г; Т0 - температура отпускного охрупчивания, Т0 = 465 °С; А - коэффициент, имеющий размерность нагрузки, А = (97,2 ± 16) г; С - коэффициент, имеющий размерность температуры, С = (23,7 ± 9,2) °С. Удовлетворительные значения погрешностей рассчитанных коэффициентов подтверждают экспоненциальный характер установленной зависимости.

По мере роста температуры отжига прослеживается уменьшение размеров отколотых областей. Проявляется тенденция увеличения хрупкости материала по мере повышения температуры отжига.

Число «отколов» в зависимости от нагрузки, прикладываемой к индентеру, не является величиной постоянной и изменяется с температурой отжига образцов. Экспериментальные данные для шести температур отжига, аппроксимированные линейной зависимостью вида N = аР + Ь методом наименьших квадратов, представлены на рис. 3. Значения коэффициентов а, Ь и коэффициента корреляции Я приведены в табл. 1. Из рис. 3 также видно, что с увеличением температуры

N 10

8

6

4

2

0

t2

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 Р, г

Рис. 3. Зависимость числа отколов при индентировании от нагрузки на индентор:

N - число отколов в результате

проведения 20 опытов; 1 - 615 °С; 2 - 550 °С; 3 - 500 °С; 4 - 490 °С; 5 - 475 °С; 6 - 465 °С

Таблица 1

Температуры отжига и коэффициенты зависимости N = аР + Ь числа отколов от нагрузки на индентор

Тот 5 ^ а, г-1 b R

465 0,085 -13,3 0,86

475 0,114 -13,9 0,83

490 0,076 -8,1 0,82

500 0,094 -9,3 0,85

550 0,182 -15,7 0,86

615 0,16 -11,1 0,97

отжига образцов уменьшается нагрузка на индентер, необходимая для образования примерно одинакового числа отколов.

Аналогичные исследования были проведены для образца, подвергнутого импульсному лазерному излучению. Определяли зависимость количества нагру-жений, при котором образовалась хотя бы одна трещина, от нагрузки на индентор. Экспериментальные данные аппроксими-

ровали линейной зависимостью N = аР + Ь (рис. 4). Получены следующие коэффициенты: а = 0,1, г-1; Ь = - 4,71; Я = 0,92. На основании сопоставления коэффициентов, полученных при аппроксимации экспериментальных данных, можно сделать заключение о состоянии материала в исследуемой области.

Выводы

1. Определен ряд закономерностей деформирования и разрушения металлического стекла. Установлен экспоненциальный характер зависимости величины нагрузки, необходимой для образования деформированных областей в виде провалов, а также «отколов» материала образцов, от температуры отжига образцов. Показано увеличение хрупкости материала образцов с увеличением температуры отжига. Определен линейный характер зависимости количества отколотых участков металлического стекла от величины нагрузки при индентировании. Установлено, что количество нагружений отожженного металлического стекла, при которых образуются трещины, линейно зависит от нагрузки на индентор.

2. Предложена методика осуществления лазерного отжига металлического стекла и последующего определения его механических характеристик. Найдены материалы подложки, позволяющие осуществлять кратковременный лазерный отжиг композита МС-подложка-металлическое основание и последующие механические испытания. Установлено, что при индентировании металлического стекла, подвергнутого лазерному облучению на полимерной подложке, прослеживаются закономерности, подобные полученным на образцах, подвергнутых печному термическому отжигу.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 05-01-00215.

Работа выполнена при поддержке государственного контракта 02.442.11.7295 по лоту 2006-РИ-19.0/001 «Проведение научных исследований молодыми учеными».

Список литературы

1. Федоров, В.А. Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений / В. А. Федеров, И.В. Ушаков, Е.И. Климачева // Вестник Тамб. гос. ун-та. - 2000. - Т. 5, вып. 2-3. - С. 370-374.

2. Ушаков, И. В. Влияние температуры отжига аморфного металлического сплава на основе кобальта на образование трещин при локальном нагружении / И.В. Ушаков, В.А. Федоров // Физика и химия обработки материалов. - 2002. -№ 6. - С. 77-80.

N 10

8

6

4

2

0

40 60 80 100 120 Р, г Рис. 4. Зависимость числа нагружений, при которых образовалась хотя бы одна трещина, от нагрузки при индентировании: N - число таких событий в результате проведения 10 опытов

3. Ushakov, I.V. Experimental method for determination of plasticity of metallic glass 82K3XCP on base of local loading of composite metallic - polymer substrate -metallic plane by Vickers pyramid / I.V. Ushakov, V.A. Feodorov, I.J. Permyakova // Proc. SPIE. The international Society for Optical Engineering. - 2005. - Vol. 5831. -Pp. 143-147.

Research into Influence of Furnace and Laser Annealing on Some

Mechanical Characteristics of Amorphous Metal Alloy 82K3XCP in Terms of Local Loading on Polymer Bases

V.M. Polikarpov1, I.V. Ushakov2, A.E. Kalabushkin3, T.N. Pluzhnikova2

Department of Physics, TSTU (1);

Tambov State University after G.R. Derzhavin (2);

St. Petersburg Polytechnic University

Key words and phrases: composite; laser processing; mechanical properties; metal glass.

Abstract: Deformation and destruction of metal glass is studied experimentally. Exponential character of dependence of loading value required for formation of deformed zones in the form of local splits-off and dips from the annealing temperature of samples is determined. Linear character of dependence of the number of split-off sections of metal glass from the loading quantity in the course of indentation is established. The methodology of laser annealing of metal glass and further determination of its mechanical properties is developed. It is shown that samples of metal glass subject to laser annealing on polymer base have similar features to those subject to furnace annealing.

Forschung des Einflusses der Ofen- und Laserentspannung auf einige mechanische Charakteristiken der amorphen metallischen Legierung 82K3XCP unter den Bedingungen des Lokalaufladens auf den Polymerunterlagen

Zusammenfassung: Es ist das Deformieren und die Zerstörung des metallischen Glases experimental untersucht. Es ist den Exponentialcharakter der Abhängigkeit der Belastungsgröße, die für die Bildung der deformierten Gebiete als lokale Abplatzen und Bruchstellen von der Temperatur der Musterentspannung notwendig ist, festgesetzt. Es ist den linearen Charakter der Abhängigkeit der Menge der abgebrochenen Stücke des Metallglases von der Größe der Belastung bei der Identierung bestimmt. Es ist die Methodik der Verwirklichung der Laserentspannung des metallischen Glases und der nachfolgenden Bestimmung seiner mechanischen Charakteristiken erarbeitet. Es ist aufgezeigt, daß bei der Identierung des metallischen Glases, das mit dem Laser auf der Polymerunterlage bestrahlt wurde, werden die ähnliche Gesetzmäßigkeiten, die auf den thermischentspannten Mustern erhalten wurden, verfolgt.

Etude de l'influence du recuit de four et de laser sur quelques caractéristiques mécaniques de l'aliage métalique amorphe 82K3XCP dans les conditions du chargement local sur les supports polymères

Résumé: Est étudiée expérimentalement la déformation et la destruction du verre métalique. Est établi le caractère exponentiel de la dépendance de la valeur de la charge nécessaire pour la formation des secteurs déformés en forme des brisures locales et des crevasses de la température du recuit des échantillons. Est définie la méthode de l'exécution du recuit de laser du verre métalique et de la définition de ses caractéristiques mécaniques. Est montré que l'identification du verre métalique soumis à la radiation laser sur un support polymère illustre les régularités similaires à celles qui sont reçues sur les échantillons soumis au recuit de four et de laser.