Влияние лазерного излучения на механические свойства объемных аморфных металлических сплавов

УДК 669.018

ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЪЕМНЫХ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

© А.В. Яковлев, И.В. Чернова, В.А. Федоров, Г.А. Барышев

Ключевые слова: объемные аморфные сплавы, компаунд, лазерное излучение, микроиндентирование, зона воздействия, зона термического влияния.

Исследовано изменение механических свойств объемных аморфных металлических сплавов под действием лазерного излучения.

В течение последнего десятилетия идут интенсивные исследования нового класса аморфных материалов - так называемых объемных аморфных материалов [1]. Их особенность состоит в том, что они, во-первых, легко аморфизируются, то есть затвердевают в аморфном состоянии, при малых скоростях охлаждения расплава, а во-вторых, температура стеклования этих сплавов существенно ниже температуры их кристаллизации. Такие материалы можно получать в виде объемных аморфных заготовок. В переохлажденном жидком состоянии они показывают очень низкую вязкость и хорошую деформируемость [2]. В этом смысле объемные аморфные заготовки можно вполне рассматривать в качестве нового типа конструкционных и функциональных материалов. Исходя из вышеизложенного, исследование действия различных внешних факторов на свойства объемных аморфных металлических сплавов является одной из актуальных задач физики неупорядоченных сред и материаловедения.

В работе исследованы механические характеристики объемных аморфных металлических сплавов, формируемые при воздействии импульсного лазерного излучения.

Исследования проводили на металлическом стекле (МС) на основе циркония и палладия. Объектами исследования служили образцы размером 2x5x4 мм на основе циркония и палладия систем 7г - Т - Си - N1 - А1 (52,5 % 7г), Р(1 - Си - N1 - Р (40 % Рф соответственно.

Воздействие лазерного облучения на поверхность МС осуществляли с помощью лазерной установки «ЛТА-4-1». Средняя энергия импульса излучения составляла Е = 1,6 Дж/мм2. Длительность импульса ~ 2 мс.

Индентирование облученных МС, а также исследование характера деформирования и разрушения проводили на микротвердомере ПМТ-3. Приготовление образцов для исследования микротвердости заключается в изготовлении компаунда из протакрила и заневолива-ния в нем МС с их последующей механической шлифовкой и полировкой.

В результате воздействия сфокусированного импульсного лазерного излучения на поверхность МС формируются локальные зоны облученного материала. При малой площади облучаемой поверхности и достаточной энергии излучения образуется область воздействия лазера, имеющая для каждого из образцов различную морфологию.

Зона воздействия представляет собой «корону», состоящую из наслоений выплавленного из центральной области материала. Размеры зон воздействия изменяются в зависимости от энергии импульса. Выделяются зона оплавления и зона термического влияния (рис. 1).

На фотографиях сплава на основе 7г при большем увеличении видно, что по краям зоны проплавления наблюдаются полосы микропластичности (рис. 2а), обусловленные термическими напряжениями. В центре области воздействия лазера сплава на основе Ріі наблюдаются локальные участки выплавленного материала (рис. 2б), обусловленные воздействием лазера.

Исследованием микротвердости МС после воздействия лазерного излучения установлены параметры и механические свойства зон оплавления и термического влияния. Микротвердость измерялась вблизи зоны воздействия, за начало отсчета по оси абсцисс принималась граница зоны воздействия лазера. Индентиро-вание осуществлялось в зоне термического влияния и за ее пределами. Микротвердость максимальна у границы зоны воздействия лазера и постепенно уменьшается по мере удаления от нее (зона термического влияния) и на расстоянии ~ 100 мкм, принимает значения, характерные для необлученного сплава, для образцов на основе 7г (рис. 3а). Для образцов на основе Ріі наблюдается обратная картина, микротвердость минимальна у границы зоны воздействия лазера, постепенно увеличивается по мере удаления от нее (зона термического влияния) и на расстоянии ~ 100 мкм принимает значения, характерные для необлученного сплава, для образцов на основе Ріі (рис. 3б).

Рис. 1. Общий вид зон воздействия образцов, подвергнутых воздействию лазерного излучения: а) сплав на основе Р± 1 - локальные участки расплавления, 2 - зона оплавления, 3 - зона термического влияния; б) сплав на основе 2г: 1 - зона оплавления, 2 -зона термического влияния

а) б)

Рис. 2. а) полосы микропластичности сплава на основе 2г, б) зоны выплавленного материала в сплаве на основе Pd

г, мкм

а)

б)

г, мкм

Рис. 3. Изменение микротвердости МС: а) сплав на основе 2г; б) сплав на основе Pd

Таким образом, видно, что вследствие действия сравнительно мощного и непродолжительного лазерного импульса, приводящего к локальному нагреву материала, отмечается изменение механических характеристик на границе зоны термического влияния. Характер изменения зависит от состава: в случае сплава на основе 2г вблизи границы воздействия лазера наблюдается упрочнение, в случае сплава на основе Pd наблюдается разупрочнение. Вид кратеров в этих случаях также различен.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ковнеристый Ю.К. Объемно-аморфизующиеся металлические сплавы. М.: Наука, 1999. 80 с.

2. 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 РФФИ (грант №09-01-97514

р_центр_а)

Поступила в редакцию 16 ноября 2008 г.

Jakovlev A.V., Chernova I.V., Feodorov V.A., Barieschev G.A. Influence of laser radiation on mechanical properties of volumetric amorphous metal alloys. The change of mechanical properties of volumetric amorphous metal alloys under action of laser radiation is investigated.

Key words: volumetric amorphous alloys, compound, laser radiation, microindentation, zone of influence, zone of thermal influence.

LITERATURE

1. Kovneristiy Yu.K. Volumetric-amorphizing metal alloys. М.: Nauka, 1999. 80 pp.

2. Glezer А.М., Permyakova ГЕ., Gromov V.Е., Kovalenko V.V. Mechanical behaviour of amorphous alloy. Novokuznetsk: The Publishing House of SibGIU, 2006. 416 pp.

УДК 66.065

САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ЗАЛЕЧИВАНИЕ МИКРОТРЕЩИН

В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ

© Т.Н. Плужникова, В.А. Федоров

Ключевые слова: ионные кристаллы, залечивание, микротрещина, дислокация

Приведен краткий обзор работ, посвященных самопроизвольному и искусственному залечиванию микротрещин в ЩГК. Рассмотрены способы оценки качества залечивания микротрещин.

Исследование процесса разрушения твердого тела связано с механизмами зарождения и развития трещин. Впервые роль микротрещин в разрушении твердых тел была установлена Гриффитсом в 1921 году [1]. Гриффитс показал, что любое тело содержит макроскопические трещины, являющиеся зародышами разрушения. Опасность трещины зависит от ее размеров и ориентации по отношению к действующему напряжению. Устранение последних или частичное их заживление позволяет увеличить надежность и долговечность конструкций, сохранить их прочностные характеристики.

К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных и определен ряд закономерностей, характерных для залечивания пор и трещин в различных материалах [2-5].

1. Залечивание трещин

Впервые явление самопроизвольного залечивания (схватывания, восстановления сплошности) трещин после снятия расклинивающего напряжения было описано в 1961 году М.П. Шаскольской с сотрудниками [6].

В работе использовались щелочно-галоидные кристаллы, которые являются исключительно удобным модельным материалом для исследования напряженного состояния и дислокационной структуры вблизи вершин трещин. Совершенная спайность дает возмож-

ность получать трещину в заданной кристаллографической плоскости, а оптическая прозрачность позволяет применить метод фотоупругости. Трещины по плоскости спайности в таких кристаллах способны залечиваться самопроизвольно. Это явление назвали естественным залечиванием трещин (рис. 1). Место, где раньше находилась вершина трещины, выявляется химическим травлением в виде характерного дислокационного креста, а русло бывшей трещины строчкой дислокаций. На участке залеченной трещины кристалл упрочняется [6].

Рис. 1. Схема образования трещины в кристалле [6]