Аномалии в поведении аморфных металлических сплавов, подвергнутых термической обработке Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.3.4:537.533.35

АНОМАЛИИ В ПОВЕДЕНИИ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

© А.Н. Капустин, В.А. Федоров

Kapustin A.N., Feodorov V.A. Abnormality of the behavior of amorphous metallic alloys, subjected to thermal processing. The character of a change of elastic properties in the crystallization process of amorphous metallic alloys on the base of iron is investigated. It is shown, that the abnormal course of change of plasticity and hardness is observed in the interval of temperatures Т ~ 750-900 K.

ВВЕДЕНИЕ

Металлические стекла (МС) вызывают повышенный интерес, обусловленный сочетанием ряда уникальных свойств и возможностью широкого практического применения. Вопросы эволюции структуры МС относятся к ряду наиболее значимых проблем физики сильно неупорядоченных систем. Характер процессов, протекающих при переходе из исходного аморфного состояния в равновесное кристаллическое, зависит от большого числа как внешних, так и внутренних параметров [1]. При анализе полученных экспериментальных данных необходимо учитывать два важных обстоятельства. Во-первых, при использовании определенных типов термообработки можно пропустить некоторые стадии эволюции структуры и наблюдать лишь определенные этапы ее развития. Во-вторых, в зависимости от условий термообработки, а также внутренних параметров системы сам характер изменения структуры аморфных сплавов может сильно различаться, а кристаллизация будет приводить к образованию существенно различных структурных состояний.

Получение и исследование металлов с неупорядоченной структурой - МС представляет значительный интерес как для практических приложений, так и с точки зрения фундаментального изучения свойств материалов в метастабильном состоянии [2].

Целью работы являлось изучение характера изменения пластичности и микротвердости МС в результате термической обработки.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МАТЕРИАЛЫ

Исследования проводили на металлическом стекле на основе Ее, полученном методом спиннингования. Толщина лент 20 мкм, состав: 74,5%Ее + 1%Си + 3%№ + + 12,5%81 + 9%В (вес. %). Объектами исследования служили образцы размером 4x10 мм (для исследования пластичности) и 4x20 мм (для исследования микротвердости). Перед испытанием их подвергали изохронному отжигу в печи при Тап = 473 - 1223 К с выдержкой г = 10 мин. Характер деформирования и разрушения отожженных материалов исследовали методом изгиба [3] и методом микроиндентирования по Виккерсу на подложках [4].

В методе изгиба оценивали величину деформации изгиба, при которой происходит хрупкое разрушение МС. Образец помещали между двумя параллельными пластинами измерительного инструмента. Сближая пластины, определяли расстояние между ними, при котором образец разрушался. За меру пластичности принималось отношение:

є = к /(й - к), (1)

где к - толщина образца; й - расстояние между пластинами в момент разрушения образца. При изгибе, равном 180°, когда лента складывается вдвое, без разрушения образца с плотным прилеганием поверхностей образца друг к другу реализуется абсолютно пластичное состояние. При существовании хрупкости, ее степень тем выше, чем больше значение й. Таким образом, при переходе к абсолютной хрупкости й ^ ж и є^ 0 [3].

При малых упругих деформациях соотношение (1) точно определяет деформацию разрушения; в нашем же случае изгиб может сопровождаться локализованной пластической сдвиговой деформацией и є является просто удобным параметром сравнения.

Помимо этого вовсе не безразлично, какая поверхность ленты (прилегающая к закалочному диску или свободная) будет находиться в растянутой области деформаций. Следовательно, эксперименты нужно проводить таким образом, чтобы в растянутом состоянии постоянно была либо контактная, либо свободная поверхность ленты.

Температуру перехода в хрупкое состояние Т^ оценивали как среднюю температуру от Т1 и Т2, где Т1 -наибольшая температура отжига, при которой еще є = 1, Т2 - наиболее низкая фиксируемая температура отжига, при которой наблюдается резкий спад пластичности (є заметно меньше 1). Для каждой температуры испытывали не менее 20 образцов.

Микроиндентирование является распространенным, доступным и достаточно простым методом достоверного определения механических характеристик твердых материалов, не став исключением и при исследовании тонких лент металлического стекла. Микроин-дентирование осуществлялось на микротвердомере ПМТ-3 [4].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Характерной чертой МС, полученных закалкой из расплава, является наличие отпускной хрупкости -резкого снижения пластичности по достижении определенной температуры предварительного отжига Ту- в пределах устойчивости аморфного состояния [5]. Явление потери пластичности (вязко-хрупкий переход) интересно как с научной, так и с практической точек зрения, поскольку определяет в значительной степени температурный интервал термических обработок МС с уникальным комплексом физико-механических свойств.

1) Методом изгиба установлен характер изменения пластичности в зависимости от разных температур отжига (рис. 1).

Рис. 1. Влияние термообработки на величину пластичности £ МС: 1 - предполагаемый ход зависимости; 2 - эксперимент

При Т < 623 К разрушение МС не наблюдается (рис. 1), реализуется состояние £ = 1. Это достигается за счет пластической деформации, которая, в частности, проявляется в виде развития многочисленных полос деформации.

Из рис. 1 следует, что пластичность минимальна при Т = 823 К. В результате механических испытаний происходит образование магистральных трещин, ведущих к разрушению образцов. Потеря пластичности наблюдается до температуры 823 К, после которой пластичность близка к нулевым значениям. На основании этих измерений установлена средняя температура перехода в хрупкое состояние: Тf ~ 723 К.

Термический отжиг существенно влияет на свойства материала, что естественно связать с изменениями реальной структуры последнего. Поскольку пластичность связана с неупругими явлениями в образце, ее уменьшение в процессе упорядочения может быть вызвано либо ликвидацией источников подобной неупру-гости, либо уменьшением их эффективности. Этими источниками могут быть различного рода структурные дефекты, такие как топологические дислокации, границы кластеров аморфного материала и т.д. Рост температуры приводит, с одной стороны, к обратимому повышению подвижности структурных дефектов, с другой - к уменьшению за счет структурной перестройки этих дефектов. В области температур 620-820° К число таких подвижных дефектов достаточно велико. Пове-

дение пластичности АС в интервале температур 673823 К будет определяться динамическим равновесием между увеличением подвижности структурных дефектов и их термической стабильностью. Превалирующее значение первой причины над второй может приостановить резкое снижение пластичности при отжиге, что отразится на зависимости пластичности от температуры отжига в виде аномального отклонения ее от предполагаемого развития, что наблюдается на рис. 1. Последующий отжиг ведет к переходу структурных дефектов в более стабильное состояние за счет структурных перестроек, при которых они становятся менее подвижными, что приводит к уменьшению пластичности.

Потеря пластичности приводит к потере вязкости разрушения и, соответственно, к возрастанию хрупкости. Снижение пластичности является следствием уменьшения подвижности атомов, обусловленным образованием в процессе структурной релаксации более стабильной структуры с ближним порядком. Температура отжига Т ~ 823° К, соответствующая максимальному охрупчиванию (минимальной пластичности), связана с переходом образцов в дисперсное субмик-рокристаллическое состояние.

При температуре отжига Т > Тсуу!1 наблюдается коробление и образование значительной коррозионной пленки на поверхности образцов, вследствие сильного окисления в среде атмосферы при высоких температурах.

2) В соответствии со спецификой геометрии образцов и аморфного состояния выявлены особенности режимов измерения истинной микротвердости МС методом микроиндентирования по Виккерсу на подложках [4]. Для МС на основе Ее отмечено, что при индентировании нагрузкой Р < 80 г, что соответствует глубине проникновения 1/10-1/20 от толщины лент, величина Иу, в пределах ошибки измерения, не зависит от Р. Ограничением является нагрузка Р = 80 г, поскольку при ее достижении Иу резко снижается. Кроме того, при нагрузках Р > 80 г оценка микротвердости затруднена: а) зонами пластической деформации - полосами сдвига, образующимися при вдавливании ин-дентора и сильно искажающими геометрию отпечатка; б) подложка вносит существенный вклад в измерения микротвердости.

3) Исследован характер изменения микротвердости МС от температуры отжига при индентировании на подложке (рис. 2).

Рис. 2. Изменение микротвердости МС от температуры отжига при индентировании на подложке Р = 60 г: 1 - предполагаемый ход зависимости; 2 - эксперимент

После отжига при температуре ~650° К в аморфной матрице зарождаются области кристаллической фазы. При кристаллизации аморфного вещества, в ходе появления и «оптимального» распределения по объему аморфной матрицы МС мелко дисперсных кристаллических частиц, твердость начинает расти при меньшей температуре, чем предполагалось, при одновременном сохранении пластичности (рис. 2). Кооперативные процессы начала установления дальнего порядка способствуют, в свою очередь, залечиванию пор, уменьшению избыточного свободного объема [6]. Дальнейшая термическая обработка приводит к увеличению общего объема кристаллических фаз и структурной перестройке дефектов. При этом имеет место еще более резкое возрастание твердости. Рост Ну заканчивается при температуре Т = 823°С, равной температуре кристаллизации, установленной с помощью метода изгиба.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о сильном влиянии термического отжига на механические свойства аморфных материалов, что позволяет использовать измерения упругих характеристик в качестве информативного инструмента при исследовании кристаллизационных процессов в аморфных сплавах. Эти же результаты указывают на возможность управления механическими свойствами сплавов с помощью специальной термической обработки.

ВЫВОДЫ

1. Исследовано методом изгиба изменение пластичности МС в зависимости от температуры изохронного отжига. Установлен аномальный ход зависимости £(Т), обусловленный динамическим равновесием между увеличением подвижности структурных дефектов и их термической стабильностью.

2. В соответствии со спецификой геометрии образцов показано, что при нагрузках на индентор P < 80 г. имеет место измерение истинной микротвердости. При дальнейшем росте нагрузки сказывается влияние подложки и процессов разрушения стекла.

3. При микроиндентировании установлено, что микротвердость МС имеет аномальный ход зависимости при отжиге при высоких температурах, обусловленный структурной перестройкой дефектов и началом процесса кристаллизации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абросимова Г.Е., Аронин А.С. Особенности фазового расслоения при нагреве аморфного сплава Feurio // ФТТ. 1998. Т. 40. № 10. С. 1769-1772.

2. Воскобойников Р.Е., Бородин В.А., Волков А.Е. Условия аморфиза-ции наноразмерных выделений в металлах // ЖТФ. 2000. Т. 70. № 11.С. 48-53.

3. Федоров В.А., Ушаков И.В., Пермякова И.Е. Сравнительный анализ изменения пластичности отожженного металлического стекла ¿/-методом и методом микроиндентирования // Материаловедение. 2003. № 8. С. 21-24.

4. Федоров В.А., Пермякова И. Е., Капустин А.Н. Методические аспекты измерения механических характеристик лент металлического стекла при микроиндентировании // Материалы Четвертой международной научной конференции «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование» (5-7 окт. 2005 г., Алматы, Казахстан). 2005. С. 89.

5. Глезер А.М., Молотилов Б.В., Утевская О.Л. Структурные причины отпускной хрупкости аморфных сплавов типа металл-металлоид // ФММ. 1984. Т. 58. № 5. С. 991-1000.

6. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Амосова О.В. Пористость и механические свойства аморфных сплавов // Изв. РАН. Сер. физическая. 2003. Т. 67. № 6. С. 818-822.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 05-01-00759 и грант № 06-01-96320р.

Поступила в редакции 5 декабря 2006 г.