Деформирование и разрушение металлического стекла при инденитровании на подложках

УДК 539.2

ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СТЕКЛА ПРИ ИНДЕНИТРОВАНИИ НА ПОДЛОЖКАХ

© И.В. Ушаков, В.А. Федоров, Л.И. Судакова

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

Ushakov I.V., Feodorov V.A., Sudakova L.I. Deformation and destruction of metallic glass situated on substrate at indentation. The deformation and destruction of metallic glass situated on substrate with different mechanical properties is investigated. The influence of mechanical properties of substrate, annealing temperature and value of load on results of indentation is determined. The mechanism of imprint formation is discussed.

ВВЕДЕНИЕ

Метод индентирования традиционно широко используется для выявления механических свойств твердых тел [1-4]. Вместе с тем, при индентировании тонких лент металлических стекол возникают определенные трудности, связанные с тем, что малая толщина металлического стекла не позволяет проводить инден-тирование значительными нагрузками. В этих случаях целесообразно использовать подложки, вносящие минимальные искажения в результаты индентирования. В связи с этим разработка методов выявления механических свойств металлических стекол (которые все чаще находят практическое применение [5, 6]) путем их ин-дентирования представляется достаточно актуальной задачей. Исследование данного вопроса имеет и чисто научное значение, так как позволяет выявить как физические механизмы деформирования [4] металлического стекла, так и механизмы деформирования системы стекло-эластичная подложка.

Цель работы: выявление морфологических особенностей деформирования и разрушения системы металлическое стекло - подложка в процессе индентирования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Применяемые материалы и методика эксперимента идентичны указанным в [7].

Макрокартины разрушения и деформирования зависят от свойств используемой подложки и температуры отжига.

1. При температурах отжига < 673 К морфологические особенности деформирования металлических стекол не зависят от свойств подложек.

В результате индентирования нагрузкой до и 100 г формируется отпечаток от пирамидки Виккерса. При индентировании металлических стекол нагрузкой 100-400 г происходит образование отпечатка от пирамидки Виккерса с зоной деформирования (рис. 1).

Минимальная температура отжига, необходимая для образования трещин при индентировании, составляет Тот > 673 К для стекла на подложке № 3, при Тот > 738 К -на подложке № 2, Тот > 748 К - на подложке № 1.

2. При температурах отжига > 673 К результаты ин-дентирования зависят от свойств подложки и температуры отжига. Морфологические особенности деформирования и разрушения металлического стекла схожи для подложек № 1 и № 2 и отличаются для подложки № 3.

Подложки № 1-2. Область температур отжига 738773 К. В зонах индентирования может возникать несколько радиальных прямых трещин (рис. 2а), некоторые из них могут объединяться с перпендикулярно расположенными трещинами (рис. 2б).

В интервале температур 773-823 К радиальные трещины, как правило, соединяются кольцевыми.

При температурах 823-888 К существенно меняется картина разрушения. Место индентирования окружено трещинами, ориентированными параллельно сторонам квадрата. Размеры таких трещин увеличиваются по мере удаления от зоны индентирования. Наряду с такими трещинами существуют и кольцевые трещины (рис. 2в).

Подложка № 3. Температура отжига 673 К. При возникновении в точке воздействия трещин, последние могут ветвиться и имеют изогнутую форму (рис. 3а).

При Тот = 738...763 К трещины прямые, ветвящиеся, начинают возникать кольцевые трещины, связанные с упругим деформированием материала подложки.

При Тот = 763...888 К возникают прямые радиальные трещины, соединенные ломаной кольцевой трещиной (рис. 3б).

3. Для всех подложек наблюдается общая тенденция увеличения количества трещин, в среднем приходящихся на одно индентирование (рис. 4а-б). Экспериментальные данные хорошо аппроксимируются линейными зависимостями.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Вне зависимости от используемой подложки увеличение температуры отжига приводит к увеличению хрупкости материала, изменению макрокартин деформирования и разрушения - от более вязкого (рис. 1, 2а, 3а) к более хрупкому (рис. 2в, 3б).

Вне зависимости от типа подложек близки температуры полного исчезновения пластической деформации (это температура и 823 К).

Рис. 1. Зона деформирования, возникшая при индентировании металлического стекла нагрузкой 300 г. Подложка № 1

400ц ш

а)

100f.ini

в)

♦

Рис. 2. Разрушение металлического стекла при индентировании. Подложка № 2: а - Тот = 748 К, Р = 100 г; б - Тот = = 763 К, Р = 90 г; в - Тот = 823К, Р = 90 г

Рис. 3. Макрокартины разрушения металлического стекла, нанесенного на подложку № 3: а - Гот = 673 К, P = 400 г, б - Тот= = 823 К, P=100 г

Возникновение зоны деформирования вокруг отпечатка от индентора (рис. 1) при индентировании не-отожженного металлического стекла может быть обусловлено как гетерогенной деформацией [8], так и возникновением «складок», возникающих при проседании подложки из-за индентирования большими нагрузками (до 400 г). В любом случае для реализации такого микрорельефа (рис. 1) необходимо, чтобы механические напряжения в материале могли релаксировать за счет пластической деформации. Это возможно в неотож-женных металлических стеклах [9].

Процессы структурной релаксации в металлических стеклах, подвергнутых отжигу, приводят к увеличению хрупкости. Значительные механические деформации, возникающие в отдельных зонах металлического стекла при макроскопических прогибах подложки, приводят к возникновению механических напряжений, релакси-рующих за счет образования трещин. Дальнейший рост температуры отжига приводит к тому, что зона деформирования не наблюдается, и при сравнительно низких нагрузках возникают трещины (рис. 2в, 3б).

Рост количества трещин, приходящихся на одно индентирование при увеличении нагрузки (рис. 4а-4б), свидетельствует об увеличении вероятности образования трещин при пластических деформациях, охватывающих большую площадь.

2. Используемые подложки неизбежно вносят погрешности в результаты индентирования. Об этом свидетельствует зависимость макрокартин деформирования и разрушения от свойств подложек.

0 100 200 300 400Р,г

а)

б)

Рис. 4. Зависимость количества трещин, приходящихся на одно индентирование, от нагрузки на индентор. Р - нагрузка на индентор; N - число трещин. Температуры отжига и значения коэффициентов для приведенных зависимостей равны соответственно: А) Подложка №2: 1. (х) - Тот = 673 К, а = 0,032, Ь = -3,7; 2. (+) - Тот = 738 К, а = 0,251, Ь = -20,338; 3. (0) - Тот = 748 К, а = 0,489, Ь = -38,242; 4. (V) - Тот = 763 К, а = 0,478, Ь = -34,957; 5. () - Таг = 773 К, а = 0,769, Ь = = -63,965; 6. (о) - Тот - 823 К, а = 0,394, Ь = -14,059; 7. () - Тот = 888 К, а = 0,482, Ь = -20,293. Б) Подложка №3: 1. () - Тот = 673 К, а = 0,152, Ь = -33,75; 2. (о) - Таг = 738 К, а = 1,083, Ь = -92,03; 3. () - Тот = 748 К, а = 0,568, Ь = -30,017; 4. (V) - Тот = 763 К, а = 1,257, Ь = -79,929; 5. (0) - Тот = 773 К, а = 0,684, Ь = -28,679; 6. (+) - Тот = 823 К, а = 3,79, Ь = -172,8; 7. (х) - Таг = 888 К, а = 4,241, Ь = -226,234

Рис. 5. Схема деформирования и разрушения металлического стекла, отожженного при высоких температурах в ходе инден-тирования. 1 - пирамидка Виккерса, 2 - металлическое стекло, 3 - подложка

Макрокартины разрушения при температуре выше вязко-хрупкого перехода определяются свойствами подложки. На рисунках 2в и 3б показано разрушение стекла, отожженного при Тот = 823 K, но нанесенного на разные подложки.

Разрушение (рис. 2в) может быть объяснено увеличением хрупкости материала, вследствие чего возможно возникновение высоких механических напряжений в местах перегиба, показанных стрелками (рис. 5). В этом случае определение хрупкости методом инденти-рования схоже с определением механических характеристик методом испытания на изгиб [10].

Индентирование металлического стекла значительными нагрузками сопровождается деформированием подложки. Ее прогиб может достигать по глубине « 50 мкм. В то время как остаточная деформация не превышает 10 мкм. Это говорит о том, что существует значительная обратимая деформация подложки и металлического стекла.

ВЫВОДЫ

1. Макрокартины разрушения и деформирования металлического стекла при индентировании зависят от свойств используемой подложки.

В то же время температуры отжига, соответствующие вязко-хрупкому переходу, близки для всех подложек. На всех подложках прослеживаются общие статистические закономерности увеличения числа трещин, приходящихся на одно нагружение, при увеличении нагрузки на индентор.

2. Индентирование металлического стекла, нанесенного на подложку, сопровождается значительной обратимой деформацией.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боярская Ю.С., Грабко Д.З., Кац М.С. Физика процессов микро-индентирования. Кишинев: Штиинца, 1986. 294 с.

2. Caideron-Moreno J.M., Guiu F., Meredith M., Reece M.J. Fracture toughness anisotropy of PZT // Mater. Sci. and Engineering. V. A234-236. 1997. P. 1062-1066.

3. Masami Fujiwara Deformation anisotropy of ß-Sn crystals by microin-denter // Mater. Sci. and Engineering. V. A234-236. 1997. P. 991-995.

4. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Иволгин В.И., Коренков В.В. Механизмы локальной деформации при динамическом индентировании кристаллических и аморфных твердых тел // Механизмы деформации и разрушения перспективных материалов. XXXV междунар. семинар «Актуальные проблемы прочности». Псков, 1999. С. 161-166.

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

6. 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.

7. Федоров В.А., Ушаков И.В., Климачева Е.И. Закономерности деформирования и разрушения металлического стекла при локальном нагружении на подложках с различными механическими характеристиками // Вестн. Тамбов. ун-та. Сер. Естеств. и технич. науки. Тамбов, 2000. Т. 5. Вып. 2-3. С. 370-374.

8. Pampillo C.A. Review flow and fracture in amorphous alloys // J. Mater. Sci. 1975. V. 10. № 7. P. 1194-1227.

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

10. Глезер А.М., Молотилов Б.В. Структура и механические свойства аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1992. 206 с.

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).