Влияние инициированных высокоэнергетической обработкой фазовых превращений на электрические, механические свойства и негомогенную пластическую деформацию аморфных сплавов на основе железа

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 548.24

ВЛИЯНИЕ ИНИЦИИРОВАННЫХ

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И НЕГОМОГЕННУЮ ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

М.Н. ВЕРЕЩАГИН, О.М. ОСТРИКОВ

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого»,

Республика Беларусь

В.Г. ШЕПЕЛЕВИЧ

Белорусский государственный университет, г. Минск

Введение. Широкое использование аморфных материалов в технике предполагает поиск эффективных способов их обработки с целью придания им нужной формы и высоких эксплуатационных характеристик. В настоящее время распространены термические и деформационные методы обработки материалов, отличающиеся своей простотой и высокой эффективностью [1]. Хорошо изученными являются вопросы деформационного упрочнения металлических изделий из поликристаллических материалов. Проведены систематические исследования по влиянию термической обработки на фазовые превращения и свойства кристаллических твердых тел.

Вопросы влияния термодеформационной обработки на свойства конденсированных систем, не имеющих дальнего порядка, изучены недостаточно полно. На начальной стадии находятся исследования влияния нанокристаллических включений на свойства аморфных материалов.

Целью данной работы явилось исследование влияния термической, лазерной обработки, а также обработки давлением на структуру, механические свойства и негомогенную пластичность аморфных сплавов на основе железа.

Методика эксперимента. Исследовались аморфные сплавы Fe46,3-Cr40-Mo7,2-V0,5-B4,0-SІ2,0, Fe8\,4-Cr 4,0-MO6,0-NІ5,2-C\,0-Mn2,\-Al0,3, Fe7l,7-NІ6,0м-Co2,4-Cr7,5-M07,9-B4,o-Sio,5, Fe86-P9,8-C1,0-Si0,9-Al1,7-B0,6 (в вес. %), которые получались методом быстрого охлаждения расплава на наружную сторону медного закалочного диска [2]. Геометрические параметры образцов приведены в таблице 1. Скорость охлаждения ленты составляла 8 • 105 °С/с.

Таблица 1

Геометрические параметры исследуемых аморфных лент

Состав лент Ширина, мм Толщина, мкм

Fe7l,7-NІ6,0-Co2,4-Cr7,5-M07,9-B4,o-Sio,5 6,45 78

Fe8l,4—Cr4,o—M06,o—NІ5,2—Cl,o—Mn2,l—Alo,з !,95 80

Fe86-P9,8-Cl,o-Sio,9-All,7-Bo,6 0,48 72

Рентгеноструктурный и рентгенофазный анализы проводились на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматическом СиКо-излучении в следующем режиме: напряжение 30 кВ, ток 20 мА, скорость счетчика 2 град/мин. Распределение элементов в аморфных лентах

исследовалось с помощью микрорентгеноспектрального анализа с использованием установки Сотеса.

Изучение микроструктуры проводили на оптическом микроскопе «Neophot-21» и электронном растровом микроскопе CamScan-4.

Изохронный отжиг производился на воздухе. Аморфная лента при заданной температуре выдерживались в течение 20 минут. Затем производились испытания сплава. Далее отжиг повторялся, но при более высокой температуре. Максимальная температура отжига составила 700 °С. Изотермический отжиг проводился при температурах 300 и 500 °С.

Лазерная обработка осуществлялась с помощью твердотельного лазера с длительностью

з

импульса Ю" с и энергией 4 -г- Ю Дж. Использовалась расфокусировка луча.

При обработке давлением использовались прокатка, квазистатическое деформирование поверхности, импульсное деформирование. Прокатка осуществлялась на прокатном стане до остаточной деформации лент Ю %. Для квазистатического и импульсного деформирования изготавливался специальный штамп.

Измерялось удельное электрическое сопротивление исходных и обработанных лент.

В плане механических испытаний проводились измерения микротвердости, предела прочности при одноосном растяжении на установке СотТеп94. Пластические характеристики лент контролировались методом деформирования на изгиб.

Исследование влияния фазовых превращений на негомогенную пластическую деформацию обработанных лент производилось с помощью методики локального деформирования с использованием алмазного индентора Виккерса прибора ПМТ-3 [3].

Результаты эксперимента и их обсуждение. На рис. ! представлен пример распределения некоторых элементов в аморфном сплаве Fe46,3-Cr40-Mo7,2-V0,5-B4,0-Si2,0. Аналогичные исследования были проведены и для других исследуемых сплавов. Четко прослеживается равномерность в распределении элементов, что указывает не только на физическую, но и на химическую аморфность исследуемых металлических стекол.

Fe Сг В Si

Рис. 1. Результаты микрорентгеноспектрального анализа распределения некоторых элементов в аморфном сплаве Fe46,3-Cr4a-Mo7,2-V0,5-B4,0-Si2,0

Результаты рентгеноструктурного анализа представлены на рис. 2. Для аморфного состояния сплавов на основе железа характерно наличие размытого пика в области 110 а-Fe. Отжиг до 700 °С приводит к уменьшению ширины пика 110 а^е и увеличению его интенсивности. Это указывает на переход аморфного материала в кристаллическое состояние. Расшифровка рентгенограмм (см. рис. 2) показала, что отжиг способствует выделению боридных и силицидных фаз.

40

50

60

20

Рис. 2. Рентгенограммы сплава Ре46,3-Сг40-Мо7,2^0,5-В4,0^2,0: нижний

спектр - аморфный сплав; верхний - отожженный при 700 °С в течение 30 мин

Переход из аморфного в кристаллическое состояние сплавов Fe46,3-Cr40-Mo7,2-V0,5-Б4,0-$2,0, Fe8lA-Cr4fi-M06fi-NІ5,2-Clfi-Mn2Л-Alo,3, ^е71,7-#/б,0-С02,4-Сг7,5-М07,9-Б4,0-^/0,5 изучался по зависимостям удельного электросопротивления р от температуры. Результаты эксперимента представлены на рис. 3а, б, в. Температурным интервалом перехода исследуемых аморфных сплавов в кристаллическое состояние явился интервал 450 ¥ 600 °С. Переход в кристаллическое состояние сопровождался повышением хрупкости лент и, соответственно, потерей гомогенной пластичности (см. рис. 3г).

р. мкОмчг

ио

р, МКОМ'М

\М

1X2

0,98

1,0

: 1 1.2

1.0

. V? 1 1 1 1 1 1

200

400

600 г, X

300

4н:ю

Ш> г. "С

а)

б)

в)

г)

Рис. 3. Зависимость удельного электросопротивления р от температуры изохронного отжига для сплавов: а - Fe46,3—Cr40—Mol,2—V0,5—B4,0—SІ2,0, б - Fe81,4—Mo6,0—№5>2—C1,0—

Мп21—А/03, в - Fel1l—Ni6,0—Co2,4—Crl,5—Mol,9гB4,0—Si0,5; г - зависимость показателя пластичности еу от температуры изохронного отжига: • - Fe46,3—Cr40—Mol,2—V0,5—B4,0—SІ2,(h о -Fegl,4—Cr4,o—M06fi—NІ5,2—Cl,o—Mn2,1—Alo,3,П - Fell,l—NІ6,0гCO2,4гCrl,5гMOl,gгB4,0гSІ0,5

На рис. 4 представлены результаты испытаний сплавов Fes1г4—Cr4,o—Mo6,o—NІ5,2—C1гo— Ми2д—А/0,3, Fe7lJ-NІ6,oгCo2,4-Cr7,5-Mo7,9-B4,oгSio,5, Feg6-P9,8гCl,oгSio,9-AllJ-Bo,6 на разрыв. Видно, что наибольшее удлинение до разрыва достигается при деформировании аморфной ленты с составом Fes6—P9,s—C1,0—Si0,9—A/1,7—B0,6, Разрыв этой ленты происходит при наибольших усилиях. Наименее прочная лента имела состав Fe81,4-Cr4,0-MO6,0-Ni5,2-Cl,0-Mn2,1-A/0,3.

Р, Н

а) б)

Рис. 4. Результаты испытаний на разрыв: а - аморфных лент Fel1,l-Ni6,0-Co2,4-Crl,5-Mol,9-В40 SІo,5 (1), Fe8l,4—Cr4,0—MO6,0—NІ5,2—Cl,0—Mn2,1—А/0,3 (2) и FeggгP9,8—Cl,0—SІo,9—A/l,l—Bo,6 (3). Скорость нагружения 1 см/мин; область разрыва: б — аморфной ленты Fe81,4—Cr4,0—Мо6,0—

М5>2—^ с—Мп21-А/0,3; стрелкой показаны полосы сдвига

Вид экспериментальных зависимостей Р = У(5) (здесь Р — нагрузка, 5 — абсолютное удлинение) указывает на то, что исследуемые аморфные ленты при растяжении ведут себя как хрупкие материалы. Площадки текучести на экспериментальной зависимости Р = у(5) в пределах погрешности измерений выявлено не было.

Отжиг лент при температуре 500 °С в течение 30 мин привел к тому, что лента Fe71,7— Ni6,0—Co2,4—Cr7,5—Mo7,9—B4,0—Si0,5 претерпела разрыв при нагрузке 2 кг и абсолютном удлинении 0,13 мм, лента Fe81,4—Cr4,0—Mo6,0—N/5,2—C1,0—Мп2;1—А/0,3 — при нагрузке 0,091 кг и

абсолютном удлинении 0,076 мм, а лента Fe86-P9,8-C1,0-Si0,9-A/1,7-B0,6 - при настолько малой нагрузке, что определение ее с помощью данной методики оказалось невозможным.

Изучение влияния изохронного и изотермического отжигов на микротвердость аморфных сплавов показало (см. рис. 5), что нагрев до 500 °С у исследуемых материалов не приводит к повышению микротвердости. Дальнейшее увеличение температуры вызывает резкое возрастание микротвердости. Из рис. 3г и 4а видно, что повышение микротвердости происходит на фоне потери пластичности изучаемых сплавов и потери их прочности на разрыв.

В ходе изотермического отжига при 500 °С (см. рис. 5б) на начальном этапе нагрева микротвердость увеличивается, дальнейшая выдержка образцов при заданной температуре к изменению микротвердости не приводит.

Н, ГПа Н, ГПа

а) б)

Рис. 5. Зависимости микротвердости Н от температуры t изохронного отжига (а) сплавов:  - Fe46,3-Cr40)-Mo7a-V0,5-B4,0-SІ2,0, п - FeglA-Cr4,0-Mo6,0-M5a-Cl,0-Mn2Л-A/(xз; о

— Fe71,7—Ni6,0—Co2,4—Cr7,5—Mo7,9—B4,0—Si0,5;^ — -^86—Р 9,8-С1,0-Si0,9—А/1,7-В0,6 ^ТОрОТ^

контактировавшая при получении лент с воздухом); время отжига при заданной температуре равно 20 мин; результаты изотермического отжига при 500 °С

Негомогенная пластичность аморфных сплавов исследовалась методом локального деформирования поверхности. Типичная деформационная картина, возникающая у отпечатка индентора при нагрузке на него до 1 Н, представлена на рис. 6а. У индентора наблюдаются полосы сдвига в виде чешуйчатых навалов в форме полуколец, окаймляющих индентор. При повышении нагрузки на индентор появляются полосы сдвига в виде лучей (рис. 6б). Количественные характеристики данных каналов негомогенной пластичности аморфных сплавов представлены на рис. 7. Видно, что для большинства рассматриваемых сплавов в исследованном интервале нагрузок зависимость Nп = ДР) линейная. У сплава Fe46,3-Cr40-Mo7,2-V0,5-B4,0-S/2,0 при малых нагрузках Nп растет, а при нагрузке, близкой к 1,0 Н - убывает. Аналогичный вид имеют и зависимости

и =лп

Рис. 6. Типичная деформационная картина, возникающая на поверхности аморфного сплава у отпечатка индентора при нагрузке на него: а - до 1 Н; б - свыше 1 Н

Нп Lп, мкм

Рис. 7. Зависимость среднего числа Nп

Результаты исследования влияния изохронного и изотермического отжигов на негомогенную пластичность сплавов Fe46,3-Cr40-Mo7,2-V0,5-B4,0-Si2,0, Fe81,4-Cr4,0-Mo6,0-Ni5,2-C1,0-Mn2,1-Al0,3, Fe71,7-Ni6,0-Co2,4-Cr7,5-Mo7,9-B4,0-Si0,5 представлены на

рис. 8-10. Видно, что повышение температуры изохронного отжига существенного влияния на негомогенную пластичность не оказывает. В интервале температур 450 ^ 600 °С наблюдается резкое уменьшение числа и удаления от индентора полос сдвига типа полуколец, что связано с переходом аморфных материалов в кристаллическое состояние.

Прокатка, а также импульсное и квазистатическое деформирование лент приводило к понижению температуры начала кристаллизации и ее интенсификации. Это было установлено в ходе рентгеноструктурного анализа. Обработка давлением уменьшала активность негомогенной пластичности исследуемых аморфных сплавов.

N Ьп, мкм

а) б)

Рис. 8. Влияние изохронного отжига на негомогенную пластичность аморфных сплавов: • — Fe46>з-Cr4o—Мо7>2—Vo>5—В4>с—Si2>o^ — Fe8l>4-Cr4>o-Моб>о_ЛгІ5>2-Сі>о-Мп2д-А1о,з;  — Fen,7—Ni6,a-Co2,4—Cr7,5—Mo7,9-B4,0—Si0,5: а - зависимость Ып = XР); б - зависимость Lп = XР)

8

4

а) б)

Рис. 9. Влияние изотермического отжига на негомогенную пластичность аморфных сплавов:  - Fe46,з-Cr4сгMo7,2—Vo,5—B4,сгSІ2,o; о - Fe8l,4-Cr4,o-Мо^с--Ni5>2-Cl>o-Мп2д-АІ0,з; • -

Fe71,7—Ni6o)-Co2A—Cr7,5—Mo7,9-B4,0—Si(X5: а - зависимость Ып = Х(Р); б - зависимость Lп = Х(Р); температура отжига 300 °С

N

Ьп

мкм

12

8

4

а) б)

Рис. 10. Влияние изотермического отжига на негомогенную пластичность аморфных сплавов:  - Fe46,з—Cr4^,—Mo7,2—Vo,5—B4,o—SІ2,o; о - Fe8lA—Cr4fi—Mo6fi—NІ5Л—Clfi—Mn2Л—Aloз,; о -Fe71,7—Ni6,сс-Co2,4—Cr7,5—Mo7,9-B4,0—Si0,5: а - зависимость Nп = ДР); б - зависимость Ьп = Х(Р); температура отжига 500 °С

Лазерная обработка в сплавах Fe46,3-Cr40-Mo7,2-V0,5-B4,0-SІ2,0, Fe^1^^-Ni6,0-Co2,4-Cr^,5-Mo7,9-B4,0-Si0,5, Fe86-P9,8-C1,0-Si0,9-Al1,’J-B0,6 формирует метастабильную моноборидную фазу. Режимы лазерного воздействия можно разделить на две группы: непрожигающие аморфную ленту и оставляющие на ее поверхности пятно (рис. 11а) и прожигающие ленту (рис. 11б, в, г).

а) б) в) г)

Рис. 11. Картины на поверхности аморфного сплава Fe46>3—Cr40—Мо7,2-V0>5—В40-Si2>0 в областях воздействия лазерного излучения: а - след пятна лазерного воздействия; б - наплывы на кромке прожженной дыры; в - полоса сдвига у наплыва; г - трещина между наплывами

Негомогенная пластичность в пятне лазерного воздействия при локальном его деформировании отсутствовала. Для режимов прожигания лент характерно наличие у кромок дыр наплывов (см. рис. 11б, в, г). У данных наплывов часто имеются полосы сдвига (см. рис. 11б, в). При интенсивных деформациях, как, например, на рис. 11г, у двух наплывов, вдоль полос сдвига развиваются трещины.

Выводы. Проведенные исследования влияния фазовых превращений, вызванных различной энергетической обработкой, на закономерности негомогенной пластичности аморфных сплавов на основе железа позволяют сделать следующие выводы:

1) термическая обработка до температуры 450 °С не оказывает существенного влияния на пластичность и электрические свойства, а также негомогенную пластичность аморфных сплавов на основе железа;

2) обработка давлением приводит к понижению температуры начала кристаллизации аморфных сплавов и гашению их негомогенной пластичности;

—з

3) лазерная обработка при длительности импульсов 10 с приводит к разрушению аморфного состояния в очагах воздействия;

4) наплывы у кромок прожженных дыр на поверхности аморфных лент способствуют образованию полос сдвига и трещин, что говорит о наличии концентрации напряжений;

5) негомогенная пластичность при локальном деформировании поверхности аморфных лент реализуется путем развития полос сдвига в виде чешуйчатых навалов и лучей.

Работа поддержана ФФИ РБ (грант Т03-144).

Список литературы

1. Остриков О.М. Влияние температурных условий деформирования на реализацию двойникования монокристаллов висмута, облученных ионами бора, азота и углерода //Изв. вузов. Черная металлургия. - 2003. - № 2. - С. 29-31.

2. Верещагин М.Н., Шепелевич В.Г., Остриков О.М., Цыбранкова С.Н. Особенности пластической деформации при индентировании пирамидой Виккерса поверхности аморфного сплава Fe-Cr-Mo-V-B-Si //Физика металлов и металловедение. - 2002. - Т. 93, №5.- С. 101-104.

3. Верещагин М.Н., Шепелевич В.Г., Остриков О.М., Цыбранкова С.Н. Исследование методом локального деформирования особенностей пластической деформации аморфного сплава Fe-Cr-Mo-V-B-Si //Кристаллография. - 2002. - Т. 47, № 4. - С. 691-696.

Получено 18.12.2003 г.