CC BY
55
УДК 669.018.542.31
ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ ПЕРЕХОДА АМОРФНЫХ СПЛАВОВ ИЗ ПЛАСТИЧНОГО СОСТОЯНИЯ В ХРУПКОЕ
© Д.В. Алдохин, А.М. Глезер, О.М. Смирнов
Aldohin D.V., Glezcr A.M., Smirnov O.M. Study of transition conditions of amorphous alloys from ductile state to brittle state. It has been sown that the previous plastic flow at alivcnt temperatures or ultrasonic treatments lead to increasing of the embrittlement temperature for Fc-bascd amorphous ribbons.
При достижении определенной температуры предварительного отжига Тх в пределах устойчивости аморфного состояния аморфные сплавы, полученные закалкой из расплава, полностью или частично становятся хрупкими при комнатной температуре. Это явление потери пластичности (вязко-хрупкий переход) имеет не только чисто научный, но и большой практический интерес, поскольку определяет в значительной степени температурный интервал термических обработок аморфных сплавов с уникальными физикомеханическими свойствами. Суммируя результаты предыдущих экспериментальных исследований этого явления, можно выделить следующие основные закономерности вязко-хрупкого перехода в аморфных сплавах |1]:
• Каждому аморфному сплаву присуща характеристическая температура перехода Г„ которая в ряде случаев коррелирует с температурой кристаллизации Тс при нагреве аморфного состояния. Значение 7\ является функцией логарифма продолжительности охруп-чивающего отжига, которое снижается при увеличении продолжительности со скоростью, зависящей от состава аморфного сплава.
• Хрупкость присуща некоторым аморфным сплавам в свежезакаленном состоянии. В то же время имеются сплавы с аморфной структурой, не обнаруживающие признаков вязко-хрупкого перехода вплоть до их кристаллизации. По существу это означает, что структурное состояние, свойственное хрупкому аморфному сплаву, способно возникнуть непосредственно после закалки из расплава. Вместе с тем, оно может вообще не возникнуть при любых термических воздействиях, сохраняющих аморфное состояние.
• Эксперименты по малоугловому рассеянию рентгеновских лучей выявили существование в аморфных сплавах областей с флуктуациями электронной плотности размером от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. Измерения характеристик этих областей позволяют считать, что центрами рассеяния являются области свободного объема [2]. Значения Тх совпадают, как показали дилатометрические эксперименты, с температурным интервалом наиболее активного протекания процессов уплотнения аморфной матрицы вследствие аннигиляции избыточного свободного объема.
• Исследования, выполненные методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, непосредственно выявляют поры и субмнкропо-ры, являющиеся фракцией наибольшего размера областей свободного объема. Плотность субмикропор особенно возрастает на стадии уплотнения, когда свободный объем наиболее интенсивно выходит из аморфной матрицы не только на внешние, но и на внутренние свободные поверхности.
• Обнаружено существенное снижение значения Тх при введении в аморфные сплавы атомов олова, сурьмы или церия, которые приводят к качественному изменению механизма микроразрушения за счет влияния на эффективную поверхностную энергию зарождающихся и растущих трещин.
Все приведенные выше экспериментальные данные, а также термоактивационная природа вязко-хрупкого перехода позволяют сделать однозначный вывод о релаксационной природе этого явления. Структурная релаксация аморфных сплавов - явление само по себе очень сложное. Оно включает в себя несколько процессов, находящихся в сложной взаимосвязи и проходящих с существенно различной интенсивностью при различных температурах. Все вышесказанное, безусловно, свидетельствует о том, что в явлении вязко-хрупкого перехода решающую роль играет избыточный свободный объем и характер его эволюции на аморфную структуру при термических воздействиях.
Учитывая те ограничения на термическую обработку аморфных сплавов, которые вносит вязко-хрупкий переход, представляется весьма заманчивым осуществить такие воздействия на аморфную матрицу, которые замедлили бы процесс коалесценции субмикропор и привели, следователь но, к повышению геылерзпры вязко-хрупкого перехода. В чачесге*. 'ил'л*.-
ствий мы использовали в данной работе термомеханическую и ультразвуковую обработки.
Все исследованные сплавы - Ре55Со2(,Ви815 (сплав I), Ре7оСг,5В8Р7 (сплав 2) и Ре75К12ВиВ1|о (сплав 3), обладающие после термической обработки высокими магнитными свойствами [3], были получены в виде ленты толщиной 30-35 мкм и шириной 5-10 мм путем закалки из расплава методом спиннннгования [4].
Дестабилизирующие воздействия (температура, деформация, ультразвук) могут в принципе как пони-
зить, так и повысить температурно-временную стабильность аморфных сплавов. Как следствие этого, может происходить либо понижение, либо повышение значения Тх. Например, одновременное воздействие температуры и упругой деформации способно вызвать некоторое повышение Тх [5]. В данном исследовании нам удалось установить, что такой же и даже еще больший эффект вызывает сочетание температуры и изгибной пластической деформации. На рис. 1 представлено изменение Тх со временем изотермического отжига для сплава 1 при 180 °С и сплава 2 при 120 °С. Часть ленточных образцов проходила отжиг в состоянии навивки на жесткий сердечник диаметром 10 или 1,5 мм (навитое состояние), а часть ленточных образцов - в ненавитом состоянии.
Видно, что при проведении предварительного отжига в ненавитом состоянии происходит постоянное снижение значения Тх пропорционально 1пт, где т -время предварительного изотермического отжига. В тех случаях, когда отжиг проводился при навивке
Рис. I. Зависимость значения Т, от продолжительности отжига для ненавитых образцов (1 и 1'), а также для образцов, навитых на сердечник диаметром 10 мм (2 и 2') и диаметром
1,5 мм (3 и 3‘);----сплав I после отжига при 180 °С,--------
сплав 2 после отжига при 120 °С
Рис. 2. Зависимость прироста Т, от степени пластической деформации при отжиге навитых ленточных образцов
ленточных образцов, происходит немонотонное изменение Тх: сначала некоторый рост, а затем постепенное снижение. Поскольку при отжиге навитых образцов происходит пластическая деформация, в результате которой лента имеет остаточную кривизну, следует предположить, что к росту Тх приводит одновременное воздействие температуры и пластической деформации. Как и в случае иных дестабилизирующих воздействий, наблюдается оптимальная степень деформации при данной температуре отжига, которая ведет к максимальному увеличению Тх.
На рис. 2 представлена зависимость положительного эффекта Тх от степени пластической деформации при изгибе, которая выражена параметром //Л (I - толщина аморфной ленты, Я - радиус остаточной кривизны ленты после отжига навитых образцов) для всех изученных в работе сплавов. Положительный эффект в наибольшей степени выражен при значении ///? = = (12-13) 10 :. Сравнение значений Л 7', с абсолютными значениями Т, для изученных сплавов показывает, что положительный эффект от отжига в навитом состоянии заметен для тех сплавов, у которых реализуются более низкие абсолютные значения Тх.
Рис. 3. Блок-схема установки для непрерывной ультразвуковой обработки лент аморфных сплавов. Обозначения расшифрованы в тексте
55
40
с.
и
*
20
\- \ Ч \ 1 /“
/ г * ¥ \' • / / / й Чч. 2 Г XI
ж г
0,4
0,7
1.0
1,3
(оа/Е) • 10
-3
1,6
1,8
0,3 0,6 0,9
-4 1
уст10 , м сек
1,2
1,5
Рис. 4. Зависимость прироста Т, от величины ъ,1Е (кривая I) и от скорости перемещения ленты в зоне обработки 1',„ (кривая 2); I - V™ = 1.3 • 10 4 м/с, 2 - <з№ = 0,286
СТа-
контроль
дтг
контроль
УЗГ-2-4М
=€-
Подача паров
Практическая реализация обнаруженного нами эффекта повышения температурно-временной стабильности пластических свойств аморфных ленточных сплавов чрезвычайно проста и требует лишь проведения предварительных экспериментов по установлению оптимальных значений радиуса навивки, температуры и времени предварительного отжига, после которого значение параметра t/R принимает установленное нами оптимальное значение.
Ультразвуковая обработка заключалась в приложении предварительных знакопеременных напряжений ультразвуковой частоты (20 кГц), не превышающих предела текучести при комнатной температуре в зависимости от величины параметра Ь = aJE, где а„ - амплитуда знакопеременных напряжений. Ранее в работе 161 было показано, что ультразвуковые воздействия способны изменять значение Тх сравнительно небольших образцов аморфного сплава Fe7oCri5B|5, которые в процессе ультразвуковой обработки помещались на рабочий горец колеблющегося волновода-излучателя. В данной работе была предпринята попытка разработать такую схему ультразвукового воздействия, которая позволяла бы воздействовать на температурно-временную стабильность достаточно больших объемов аморфной ленты.
На рис. 3 представлена блок-схема действующей установки, предназначенной для ультразвуковой обработки аморфной ленты в непрерывном режиме. Аморфную ленту (I) с помощью системы из двух электродвигателей (2) перемещали по направляющей плите (3) с заданной скоростью vcm = (0.07-14,4) 10 4 м/с с заданным уровнем натяжения ленты, который соответствовал статическим растягивающим напряжениям (0,06-0,3)сг„ где а, - предел текучести аморфного сплава. Ультразвуковая приставка (4) устанавливалась таким образом, чтобы зазор между колеблющимся торцом волновода-излучателя (5) и поверхностью аморфной ленты, расположенной на плите (3), оказался бы нулевым. В ряде экспериментов между торцевой поверхностью волновода-излучателя (5) и поверхности деты помещали шарики (6) из стали LL1XI5. Величину знакопеременных напряжений ультразвуковой частоты, возбуждаемых в движущейся с заданной скоростью аморфной ленте, варьировали в диапазоне п„ = 45.7-225,6 МПа и контролировали с помощью электродинамического датчика амплитуды (7). Температуру аморфной ленты поддерживали на заданном уровне путем регулируемой подачи паров жидкого азота и контролировали с помощью термопары (8).
Результаты экспериментов по ультразвуковому воздействию на температуру Тх для сплава 3 представлены на рис. 4. Можно видеть, что ультразвуковая обработка движущейся с заданной скоростью (i»cr = 1,310 4 м/с) аморфной ленты плоским колеблю-
щимся торцом волновода-излучателя приводит к возрастанию температуры охрупчивания сплава 3 во всем исследованном диапазоне амплитуд знакопеременных напряжений а„ (кривая 1). При этом зависимость АТх(а„) имеет характер кривой с максимумом значения А7', при определенной величине ег„. Аналогичный характер имеет зависимость А7\ (»>„) при постоянном значении а„ = 45,7 МПа (кривая 2) в условиях ультразвуковой обработки аморфной ленты через шарики.
Таким образом, при использовании разработанной схемы нагружения, величина изменения температуры охрупчивания аморфных сплавов под действием знакопеременных напряжений ультразвуковой частоты зависит как от их амплитуды, гак и от скорости перемещения аморфной ленты, то есть от времени пребывания в зоне активной ультразвуковой обработки. Использование оптимальных параметров обработки позволило на 40 °С поднять значение Т, для сплава 3 и на 1,5 года увеличить временной ресурс пластичности этого сплава при комнатной температуре.
ВЫВОДЫ
1. Показано, что использование оптимальных режимов предварительной термомеханической и ультразвуковой обработки способно сместить температуру охрупчивания ряда промышленных аморфных сплавов на основе железа в область более высоких температур и тем самым расширить температурный интервал их термической обработки.
2. Полученные результаты находят свое непротиворечивое объяснение в рамках предложенной ранее релаксационной модели коапесценции областей свободного объема.
ЛИТЕРАТУРА
1. Г.пчср Л.М.. Мапотилоа ЯД, Механические свойстиа аморфных сплавов. М.: Металлургия. 1992. 208 с.
2. (Не:a' A.M.. Bvtekhlin IFree volume and microfraciure mechanisms of amorphous alloys. // Phys. Solid Slate. 1996. V. 38. № 6. I>. 983-986.
3. Прецизионные сплавы: Справочник / Пол ред. Б.В. Молотилова. М.: Металлургия. 1983. 437 с.
4. Либерлюп Х.Х. Способы такалкн in расплава // Аморфные металлические сплавы / Под рея. Ф.Н. Люборскога. М.: Металлургия.
1987. С. 38-52.
5. Г.ичер А М.. Утсвскан О.Л и tip. Огжш иол напряжением и отпускная хрупкость аморфных сплавов // Фит. мет. и металловед.
1988. Т. 66. Вып. 5. С. 1035-1037.
6. Смирнов О. М.. Глси’р А.М. Влияние ультразвуковой обработки на охрупчивание аморфных сплавов при отжиге // фи шка и химия обработки материалов. 1992.№3.С. 131-135.
БЛАГОДАРНОСТИ. Авторы признательны РФФИ (грант № 03-02-17296) за финансовую поддержку.
