Исследование рельефа, формируемого на поверхности аморфных металлических сплавов при микроиндентировании Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 5З9.З

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЬЕФА, ФОРМИРУЕМОГО НА ПОВЕРХНОСТИ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ПРИ МИКРОИНДЕНТИРОВАНИИ

© А.В. Яковлев1*, Т.Н. Плужникова1*, Ю.В. Черемисина1*, В.А. Федоров1*, Д.А. Колесников2*,

И.Ю. Гончаров2*, О.Н. Марадудина2*

1 Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия,

e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru 2) Центр коллективного пользования научным оборудованием Белгородского государственного университета «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», г. Белгород, Россия

Ключевые слова: металлическое стекло; аморфный сплав; микроиндентирование; кинетика; рельеф; ступень; полосы сдвига.

Исследован процесс формирования рельефа поверхности аморфных металлических сплавов под действием микро-индентирования, а также его морфологические особенности.

Одним из воздействий на материал является деформация. Причем деформация материала может происходить и в ходе эксперимента, и процессе эксплуатации изделий из этого материала. В связи с этим любая информация о том, что происходит с материалом при деформировании, является важной. В настоящий момент имеется достаточно много данных о деформации кристаллических материалов. Данных о деформации аморфных тел значительно меньше, т. к. аморфное состояние твердого - наименее изученная область современного структурного материаловедения. Аморфные сплавы обладают набором уникальных свойств, одним из таких свойств является способность к пластическому течению. Эта способность связана с коллективизированным металлическим характером межатомной связи, при которой легче идут процессы коллективных перемещений. Пластическая деформация в аморфных сплавах может протекать гомогенно или негомогенно. При гомогенной пластической деформации однородно нагруженный образец испытывает однородную деформацию. При негомогенной пластической деформации пластическое течение локализовано в тонких дискретных полосах сдвига, а остальной объем твердого тела остается недеформированным. Изучение смены механизмов течения представляет собой сложную экспериментальную задачу. Сведения об условиях изменения характера течения аморфных сплавов носят противоречивый характер. В [1] показано, что тип пластического течения, формирование его закономерностей определяется кинетикой необратимой структурной релаксации. В случае негомогенной деформации на поверхности продеформированных растяжением, сжатием, изгибом или прокаткой образцов формируются ступеньки сдвига [2]. Эти ступеньки соответствуют выходу на поверхность полос сдвига. Они располагаются, как правило, под углом 45-55° к оси одноосного растяжения (или сжатия) - под тем же углом к направлению прокатки, а также параллельно оси изгиба. Высота ступенек над поверхностью образцов достигает

0,1—0,2 мкм, а толщина отдельных полос сдвига не превышает 0,05 мкм. Таким образом, аморфные сплавы обладают огромной локальной пластичностью в области негомогенной деформации.

Вопросы эволюции структуры металлических стекол (МС) относятся к ряду наиболее значимых проблем физики сильно неупорядоченных систем. Главная трудность заключается в способе описания структуры аморфного состояния. В совокупности с малой эффективностью методов, основанных на взаимодействии твердого тела с электромагнитным излучением различных длин волн (нейтроны, рентгеновские лучи, электроны), здесь отсутствуют привычные кристаллографические термины и понятия. Перспективным является расширение арсенала методов исследования механических свойств МС. Нами была предложена методика получения деформационного рельефа в заданном участке образца.

Исследования проводили на ленточном МС на основе Co (Co-Fe-Mn-Si-B-Ni, Co - 80 %), полученном методом спиннингования. Толщина лент 20 мкм. Объектами исследования служили образцы размером З,5х90 мм. Индентирование МС проводили на микротвердомере ПМТ-З со стороны бесконтактной поверхности ленты. Исследования рельефа поверхности МС после указанных воздействий проводили на растровом электронном микроскопе Quanta 3D и на сканирующем зондовом микроскопе Ntegra Aura. Рентгеновские исследования были выполнены на дифрактометре Rigaku Ultima IV с использованием CuK-излучения, фильтром служил никель.

Рентгеноструктурный анализ показал, что сплав Co-Fe-Mn-Si-B-Ni рентгеноаморфный. В результате воздействия механической нагрузки на поверхность ленточных МС образуются зоны деформирования. В [З, 4] исследованы особенности пластической деформации при индентировании пирамидой Виккерса поверхности аморфного сплава Fe-Cr-Mo-V-B-Si. В этих

І1

Рис. 1. Схема наблюдения полос деформации: 1 - индентор; 2 - микроскоп; 3 - образец; 4 - фотокамера

работах рассмотрена зона деформирования под инден-тором. В [3] установлено, что при вдавливании инденто-ра возникает тип дефектов в виде чешуйчатых навалов, представляющих собой полосы сдвига одной части материала относительно другой, причем указанный тип дефектов единолично возникает только до некоторой предельной нагрузки (порядка 150 г). Другим типом дефектов, возникающих при нагрузке более 150 г, оказываются расходящиеся от отпечатка под определенным углом друг к другу, которые внешне схожи с трещинами, а в отдельных случаях (при схождении их вершин) - с мартенситными иглами. По мнению авторов, они возникают вследствие концентрации больших внутренних напряжений, ведущих к локальному пластическому течению и активации микротрещин. Обнаружено ветвление указанных лучей. В [4] установлено два канала реализации пластической деформации -полосы сдвига и чешуйчатые навалы. Выявлена стадийность входа этих каналов: вначале возникают чешуйчатые навалы, а затем полосы сдвига. Предложена модель, раскрывающая энергетику пластической деформации аморфного материала. В нашем случае деформация наблюдается не только в области воздействия индентора, но и на противоположной стороне поверхности образца (рис. 1).

Изучение противоположной индентированию поверхности МС показало, что наблюдается ступенчатая деформационная структура. В центре области инденти-

а)

Рис. 2. Рельеф поверхности в зоне воздействия индентора на (80 % Со). Снято при различных увеличениях

рования создается максимальное деформирование, связанное с гетерогенной деформацией, проявляющейся в виде полос сдвига, расходящихся от отпечатка (рис. 2). По мере приближения к центральной части отпечатка величина ступеней возрастает и может достигать 300-500 нм. В зоне отпечатка отмечается наибольшее деформирование и деформационные полосы расходятся радиально. Наблюдали как правоступенчатый, так и левоступенчатый относительно направления роста полосы деформационный рельеф.

Эти полосы представляют собой ступенчатую структуру (рис. 3). Характерная размерность этого первичного рельефа составляет сотни нанометров. Величина ступеней может различаться от десятков до сотен нанометров. Ступени располагаются под углами близкими к 800 к поверхности образца (рис. 4).

В работе были исследованы изменения высот нескольких ступений в зависимости от расстояния до центра области деформирования. По результатам была построена усредненная зависимость, приведенная на рис. 5, которая аппроксимируется экспоненциальной функцией с коэффициентом корреляции равным ~0,9. Максимальная высота ступеней наблюдается в области наибольшей деформации и равномерно спадает по мере удаления от области индентирования.

Сами ступени неоднородны, рельефность ступеней составляет десятки нанометров. Таким образом, установлено что полосы сдвига, возникающие на поверхности МС при микроиндентировании, имеют свои характерные особенности, отличающие их от полос сдвига, образующихся при сжатии, растяжении, разрушении и прокатке, характеристики которых описаны выше. Окончание нескольких полос приведено на рис. 6.

Таким образом, из рис. 6 следует, что при микро-индентировании не происходит изменений во всем материале, они локализованы вблизи зоны воздействия.

В ходе экспериментов было установлено, что рельеф, описанный выше, формируется не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Была проведена видеосъемка, иллюстрирующая это, некоторые кадры которой приведены на рис. 7.

б)

стороне, противоположной воздействию в сплаве АМАГ-180

б)

Рис. 3. Ступенчатый характер полос деформирования

г* Ч,

. .

к

\

О 0,2 ОД 0,6 0,8 1,0 1,2 1.4 1,6 1 .И

Рис. 4. Характерная профилограмма ступени на расстоянии 35 мкм от воздействия

Рис. 5. Изменение высоты ступени на полосе сдвига в зависимости от расстояния до центральной части отпечатка

(ЛП

Рис. 6. 3-Э изображение вершины полос сдвига, формируемых при микроиндентировании

0,233 с 0,267 с 0,3 с

Рис. 7. Кадровая развертка видеосъемки образования полос сдвига 1290

Кинетику образования полос сдвига можно проследить по рис. 8. В ходе эксперимента фиксировали изменение длины одной из полос сдвига при помощи линейки, а также изменение количества полос с момента начала эксперимента через каждые 0,033 с.

Кинетика изменения длины полосы (рис. 8а) аппроксимируется экспоненциальной функцией (с большим коэффициентом корреляции ~ 1) вида:

у = А ехр( -) + Уо ,

где коэффициенты А, 1 и у0 определяются из эксперимента. Средняя скорость роста полосы сдвига равна ~ 0,2 мм/с, падая со временем. Кинетика роста количества полос аппроксимируется линейной функцией (рис. 8б). Средняя скорость роста ~ 50 полос/с.

Таким образом, видно, что при микроиндентирова-нии бесконтактной стороны образцов МС на контактной образуется ступенчатый рельеф в виде расходящихся радиально полос сдвига, механизм образования которого до конца не ясен. Мы предполагаем, что эти полосы появляются вследствие концентрации больших внутренних напряжений, ведущих к локальному пластическому течению. Данные дефекты, вероятно, представляют собой своеобразные «полосы сброса». Сами ступени имеют свои характерные особенности, отличающие их от полос сдвига, образуемых при растяжении, сжатии, изгибе или прокатке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кобелев Н.П., Колыванов Е.Л., Хоник В.А. Нелинейные упругие характеристики объемных металлических стекол 2г52.5Т15Си17.9М14.бА110 и Р(140Сиз0№10Р20 // ФТТ. 2005. Т. 47. № 3. С. 395-399.

2. Глезер А.М., Пермякова И.Е., Громов В.Е., Коваленко В.В. Механическое поведение аморфных сплавов. Новокузнецк, 2006. 416 с.

3. Верещагин М.Н., Шепелевич В.Г., Остриков О.М., Цыбранкова С.Н. Особенности пластической деформации при индентировании пирамидой Виккерса поверхности аморфного сплава Ее-Сг-Мо-У-Б-Зі // ФММ. 2002. Т. 93. № 5. С. 101-104.

4. Верещагин М.Н., Шепелевич В.Г., Остриков О.М., Цыбранкова С.Н. Исследование методом локального деформирования особенностей пластической деформации аморфного сплава Ее-Сг-Мо-У-Б-Зі // Кристаллография. 2002. Т. 47. № 4. С. 691-696.

БЛАГОДАРНОСТИ:

1. Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием Белгородского государственного университета «Диагностика структуры и свойств наноматериалов».

2. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №09-01-97514 р_центр_а).

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Jakovlev A.V., Pluzhnikova T. N., Cheremisina Ju.V., Feodo-rov V.A., Kolesnikov D.A., Goncharov I.Ju., Maradudina O.N. Research of the relief formed on the surface of amorphous metal alloys at microindentation. The process formation of a relief a surface of amorphous metal alloys under action microindentation and also its morphological features is investigated.

Key words: metallic glass; microindentation; kinetics; relief; step; morphological features.