Механизм контролируемой нанокристаллизации аморфных металлических материалов при термоциклическом воздействии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

МЕХАНИЗМ КОНТРОЛИРУЕМОЙ НАНОКРИСТАЛЛИЗАЦИИ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

© С.Ф. Забелин1*, В.А. Зеленский2), А.А. Феофанов1'

^ Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н.Г. Чернышевского,

г. Чита, Россия

2) Институт металлургии и материаловедения им. А. А Байкова РАН, г. Москва, Россия

e-mail: [email protected]

Ключевые слова: механизм нанокристаллизации; аморфные металлические материалы; термоциклирование; активационный объем; энергия активации процесса.

Установлено, что для наноструктурированных аморфных металлических материалов (АММ) кинетические зависимости пластичности от температуры и режима термического воздействия носят экспоненциальный характер. Учитывая термоактивационный характер и релаксационную природу поведения наноструктурированных материалов, предложен подход, включающий оценку энергетических характеристик материала - активационный объем и энергия активации процесса.

При температурном переходе металлических сплавов из аморфного состояния (АС) в нанокристалличе-ское (НКС) наблюдается падение их пластичности. Известно, что решающую роль в падении пластичности играют избыточный свободный объем и характер его эволюции при термических воздействиях на аморфную структуру и то, что это явление имеет релаксационную природу [1, 2]. Однако не ясен конкретный механизм, по которому структурная релаксация приводит к резкому охрупчиванию с позиции физики пластической деформации и разрушения. В настоящее время предложено две группы моделей для объяснения хрупкости аморфных сплавов [3]: «сегрегационная» модель, объясняющая хрупкость образований сегрегации атомов-мелаллоидов в определенных участках аморфной матрицы; и «кристаллическая» модель, связывающая хрупкость с образованием в аморфной матрице заметного ближнего порядка или нанокристаллических фаз определенного типа. Поэтому исследования по кинетике процессов нанокристаллизации аморфных сплавов, по оценке изменения пластичности и охрупчивания на-нокристаллических материалов, являются одними из актуальных задач практического материаловедения.

Анализ проведенных исследований и результатов других работ показал, что кинетические зависимости пластичности от температуры и режима термического воздействия 8 = $Г,1) носят экспоненциальный характер. Учитывая, что процесс перехода из АС в НКС имеет термоактивационный характер и определяется релаксационной природой поведения материала, возникает необходимость проведения оценки энергетических характеристик материала - активационного объёма и энергии активации процесса [4, 5].

Понимая, что материал при переходе из АС в НКС находится в активированном состоянии [6, 7], для объяснения механизма падения пластичности нанострук-

турированного материала необходимо учитывать его энергетическое состояние. Тогда модель и механизм, объясняющие повышение хрупкости материала при нанокристаллизации, включают три взаимозависимых аспекта:

- структурная релаксация, важнейшая причина, сопровождающаяся протеканием сегрегационных процессов, связанных с перераспределением избыточной части свободного объема и атомов металлоидов;

- кристаллизация, связанная с образованием в аморфной матрице ближнего порядка или нанокри-сталлических фаз различного типа;

- активированное состояние материала, связанного с кинетикой генерации и релаксации внутренних напряжений, влияющих на диффузионную подвижность атомов металлических и металлоидных компонентов сплава.

Модель аморфно-нанокристаллического материала представляет собой многоуровневую систему с непрерывно распределенным спектром энергии активации [4, 5].

Зависимость пластичности материала от режима контролируемой кристаллизации (изотермический или термоциклический отжиг) характеризуется кинетическими кривыми lnt - 1/7Ч03 и может быть описана экспоненциальной функцией:

ео =ео • expWo - w(ст)/RT], (1)

где s - деформация при термическом воздействии; s0 -величина, зависящая от режима отжига и характеризующая структурное состояние материала; w0 - энергия активации процесса изотермического отжига, зависящая от степени упорядочения структурного строения и композиции сплава; W(a) - энергия активации процесса, обусловленная воздействием термоциклического режима отжига; а - напряжения, обусловленные тем-

пературным и структурно-фазовым состоянием материала; Я - газовая постоянная; Т - температура.

Значение є0 оценивается путем экстраполяции зависимостей 1п є - 1/Г. Учитывая, что параметр є0 в уравнении (1) зависит от напряжений, возникающих при термоциклированиии, эта величина должна оцениваться с учетом структурного и напряженного состояния материала, например [5]:

Єо =є0 • ехр[уст], (2)

где є'0 - постоянная, характеризующая структурное состояние материала; у - постоянная, имеющая размерность обратной размерности напряжения; а - внутренние напряжения, обусловленные режимом термического воздействия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глезер А.М., Молотилов В.Б. Структура и механические свойства аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1992. 208 с.

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

3. Федоров В.А., Яковлев А.В., Капустин А.Н. Влияние отжига на кинетику процессов охрупчивания аморфных сплавов // МиТОМ. 2008. № 8. С. 39-41.

4. Забелин С.Ф., Зеленский В.А., Васильев А.А. Кинетика процесса нанокристаллизации аморфных металлических материалов // Перспективные материалы и технологии; материалы международного симпозиума. Витебск: Изд-во НБАН, 2009. С. 133-135.

5. Забелин С.Ф., Васильев А.А., Забелин К.С. Влияние режима отжига на кинетику процессов кристаллизации и охрупчивания АММ // Физика прочности и пластичности материала: материалы международной конференции. Самара: Изд-во СГТУ, 2009. С. 74-75.

6. Забелин С.Ф., Зеленский В.А., Забелин К.С. К вопросу об активированном состоянии нанокристаллических материалов // ПРОСТ-2006: материалы международной конференции. М.: МИСиС(ТУ), 2006. С. 134.

7. Забелин С.Ф., Зеленский В.А., Трофимов В.М. Особенности поведения сплавов при переходе из аморфного в нанокристаллическое состояние при термоциклировании // ПР0СТ-2008: материалы международной конференции. М.: МИСиС(ТУ), 2008. С. 134.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Zabelin S.F., Zelensky V.A., Feofanov A.A. The mechanism of supervised nanocystallization of amorphous metal materials at thermocyclic influence.

It is established, that for nanostructured amorphous metal materials (АММ) kinetic dependences of plasticity on temperature and a mode of thermal influence carry exponential character. Considering termoactivational character and relaxational the behavior nature of nanostructured materials the approach including an estimation of power characteristics of a material - activation volume and energy of activation of process is offered.

Key words: the mechanism of nanocrystallization; amorphous metal materials; termocycling; activational volume; energy of activation of process.