Микроструктура и нанорельеф аморфного сплава Ti-Ni-Cu, подвергнутого интенсивной пластической деформации Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

раздел ФИЗИКА

УДК 539

МИКРОСТРУКТУРА И НАНОРЕЛЬЕФ АМОРФНОГО СПЛАВА Ti-Ni-Cu, ПОДВЕРГНУТОГО ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

© Д. В. Гундеров1'2*, А. А. Чуракова12, А. В. Лукьянов2, Е. В. Болтынюк4, Е. В. Убыйвовк4, Ю. С. Замула3, Э. С. Батыршин13, Д. А. Хасанова2, Г. И. Заманова3

1Институт физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

2Уфимский государственный авиационный технический университет Россия, Республика Башкортостан, 450000 г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

3Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

4Санкт-Петербургский государственный университет Россия, 199034 г. Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

*Email: [email protected]

Различными современными методами проведены исследования микроструктуры быстро-закаленного аморфного сплава Ti50Ni25Cu25, подвергнутого воздействию интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК). Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) показывает наличие в структуре подвергнутых ИПДК образцах нанометровых аморфных кластеров. Исследования методом атомной сканирующей микроскопии показывают, что поверхность фольги подвергнутых ИПДК образцов имеет развитый рельеф. Размер углублений соответствует размерам кластеров, наблюдаемых в ПЭМ. На приготовленных аналогичным образом объектах (фольгах для ПЭМ) из исходного аморфного сплава подобного контраста в ПЭМ и развитого рельефа в АСМ не наблюдается. Развитый рельеф и кластеры наблюдаются в АСМ и ПЭМ только на фольгах из ИПДК образцов, и эти структуры выявляются при ионном травлении при подготовке фольг. Можно предположить, что в результате ИПДК в аморфном сплаве Ti50Ni25Cu25, формируется структура наноразмерных аморфных кластеров, разделенных аморфными же границами.

Ключевые слова: аморфные сплавы, интенсивная пластическая деформация, структуры, просвечивающая электронная микроскопия.

было показано, что ИПДК обработка приводит к по-еде е явлению пластичности на растяжение в ОМС на ос-

Аморфные материалы, в том числе так назы- нове циркония. Природа этого явления возможно

ваемые объемные металлические стекла (ОМС), связана с формированием очень высокой плотности

представляют большой научный и практический полос сдвига (ПС) или границ иной топологии

интерес [1-4]. Последние годы активно проводятся (плотности) в аморфной фазе. В ряде последних ра-

исследования влияния на аморфные материалы ин- бот при ИПД БЗС Ti5oNi25Cu25 наряду с нанокристал-

тенсивной пластической деформации кручением лизацией наблюдалось также формирование кла-

(ИПДК) [5-13]. ИПДК позволяет достачь деформа- стерной структуры. При исследовании ИПД образ-

ции высокой степени даже на малопластичных ма- цов методом ПЭМ в аморфной фазе наблюдались

териалах поскольку высокое квазигидростатиче- аморфные области нанометровых размеров различ-

ское давление препятствуют разрушению образцов ного контраста - нанокластерная аморфная струк-

[14-16]. тура [13, 14].

За последние два десятилетия активно развива- таким образом многие вопросы влияния ИПД на ется тематага ми™ ИПДК на аморфные матери- тонкую структуру аморфных сплавов TiNiCu в значимы разных составов, в частности работы [5-13]. Ис- тельной степени не решены и требуют продолжения следования [5-9] гоказали, что при воздействии исследований, чему и посвящена данная работа. ИПД на исходно-аморфные сплавы может происходить расслоение на элементы и нанокристаллизация Материалы и методики в исходной аморфной фазе основного металла, в исследования частности, нанокристаллизация Fe, Al при ИПДК Исходный аморфный быстрозакаленный сплав сплавов системы Nd-Fe-B и на основе Al соответ- (БЗС) TisoNi25Cu25 (50 ат. % Ti, 25 ат. % Ni, 25 ат. % Cu) ственно [5-8]. При воздействии ИПД на другие в виде ленты получен по технологии быстрой закалки аморфные сплавы нанокристаллизация может не расплава на вращающийся диск. Исходная лента наблюдаться [10, 12], однако происходит трансфор- имела ширину около 2 мм, толщину около 40 мкм и мация структуры, изменяется свободный объем, из- длину - несколько метров. Фрагменты ленты насы-менение комплекса свойств и т.д. Так, в работе [12] панные на бойки диаметром 10 мм, подвергали ИПД

кручением при комнатной температуре, давлении 6 ГПА при 10 оборотах , что соответствует логарифмической степени деформации на краю образца ~7 [15].

Аттестация структуры исходного быстрозака-ленного сплава (БЗС) Ti5oNi25Cu25 и образцов после ПЭМ была проведена методами просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе JEM-2100. Сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (СПЭМ) выполняли на микроскопе Libra 200FE. Фольги для ПЭМ были получены следующим образом: вырезанный из образца диск 3 мм в диаметре сначала подвергался механической шлифовке и полировке с двух сторон поверхностей до толщины 100 мкм, затем на установке двусторонней электрополировки «TenuPol-5» с использованием электролита 10%НСЮ4 + 90%СНз(СН2)зОН. Финальная полировка/чистка фольги производилась с помощью ионов аргона на установке JEOL ION-SLICEREM-09100 15.

Исследование топографии поверхности фольги для ПЭМ проводилось на атомно-силовом микроскопе Agilent 5500 AFM (Agilent) в полуконтактном режиме. В качестве сканирующего элемента использовался зонд PPP-NCH (NANOSENSORS) с резонансной частотой 330 кГц, коэффициентом жесткости 28 Н/м и радиусом острия < 10 нм.

Результаты и обсуждение

Согласно данным РСА исходный быстрозака-ленный сплав и сплав после ИПДК находится в аморфном состоянии [13].

Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии, картина микродифракции также указывают на аморфное состояние сплава в исходном быстрозакаленном состоянии (рис. 1).

10 nm

Рис. 1. Микроструктура аморфной БЗС Ti5oNi25Cu25 ленты, светлое поле и микродифракция.

В образцах БЗС ^50^25^25, подвергнутых ИПДК в разных областях одной фольги, фиксировалась и аморфная, и аморфно-нанокристалическая структура. Наблюдаемая аморфная структура характеризовалась специфическим «кластерным» контрастом (рис. 2). В ИПДК образце наблюдаются плотно-упакованные нанокластеры (светлые окружности) с темными границами (рис. 2). Средний размер кластеров в наблюдаемой области составил около 30 нм. Электронная дифракция с представленного участка (селективная апертура диаметром 80 нм) показывает аморфное состояние сплава этой области (рис. 2).

» | . ^

200nm

Рис 2. Кластерный контраст в образцах БЗС Ti5oNi25Cu25, подвергнутых ИПДК n = 520 °С РПЭМ, светлое поле и микродифракция.

Отметим, что кластерный контраст в HPT БЗС Ti50Ni25Cu25 в ПЭМ светлопольное изображение выражен слабо и в большинстве предыдущих работ [5, 6, 9] на данном контрасте внимание не акцентировалось. При формировании кластерной аморфной структуры наряду с нанокристаллизацией в HPT MS Ti50Ni25Cu25 по данным ПЭМ светлое поле было отмечено в [13, 14], однако кластерный контраст при исследованиях в режиме STEM выявляется более отчетливо.

Светлый контраст РПЭМ соответствует большей «прозрачности» данных областей для электронов. Отсюда кластеры светлого контраста могут иметь увеличенный свободный объем (уменьшенную плотность) или контраст отражает рельеф фольги, т.е. светлые области более тонкие.

Для анализа природы кластерного контраста в ИПДК Ti50Ni25Cu25 были проведены дополнительные АСМ исследования рельефа фольг для ПЭМ, приготовленной по принятым режимам. Полученные АСМ снимки поверхности и профили поверхности фольг исходного БЗС Ti50Ni25Cu25 и образца после ИПДК представлены на рис. 3.

Анализ данных АСМ показывает, что образец после ИПДК демонстрирует значительно более развитую

поверхность (рельеф поверхности), чем исходный БЗС Т5о№25Си25 (рис. 3). Средняя глубина неровностей рельефа фольги исходного БЗС Т5с№25Си25 составляет около 0.3 нм. Средняя глубина неровностей рельефа фольги подвергнутого ИПДК БЗС ^№25^25 составляет около 2 нм, а ширина углублений около 25 нм, что близко к размерам наблюдаемых кластеров.

Формирование такого рельефа, возможно, является результатом обработки/травления поверхности при подготовке фольги для ПЭМ путем электрохимического травления с последующей ионной полировкой. Однако формирование такого рельефа также означает более интенсивное травление, кластеров, что определяется, вероятно, их уменьшенной плотностью.

Заключение

Установлены особенности микроструктуры аморфного сплава ^50^25^25, подвергнутого сдвигу под давлением при различных режимах деформации. Просвечивающая электронная микроскопия показывает, что формирующаяся структура состоит из наноразмерных аморфных кластеров, разделенных аморфными же границами. Данные атомной сканирующей микроскопии показывают, что фольга образца после ИПДК демонстрирует значительно более развитый рельеф поверхности, в 10 раз большую глубину ямок рельефа, чем аналогично приготовленная ионным травлением фольга исходного БЗС ТЬ0№25Си25. При этом ширина углублений

Рис. 3. АСМ изображения поверхности фольги для ПЭМ: а) исходного БЗС ^5о№25Сш5, Ь) образца после ИПДК, с) профиль поверхности фольги исходного БЗС, d) профиль поверхности фольги образца после ИПДК.

поверхности фольги образца после ИПДК составляет около 25 нм (что близко к размерам наблюдаемых кластеров). Развитый рельеф и кластеры наблюдаются в АСМ и ПЭМ только на фольгах из ИПДК образцов, и эти структуры вывялятся при ионном травлении при подготовке образцов. Можно предположить, что в результате ИПДК в аморфном сплаве Ti50Ni25Cu25, формируется структура наноразмерных аморфных кластеров, разделенных аморфными же границами.

Работа выполнена при поддержке проекта РФФИ 17-08-00974. Исследования проводились при содействии Междисциплинарного Ресурсного центра по направлению Нанотехнологии Научного Парка СПБГУ и ЦКП «Нанотех» УГАТУ.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Абросимова Г. Е. Эволюция структуры аморфных сплавов // Успехи физических наук. 2011. Т. 181. №12. С.1265-1281.

3. Глезер А. М. Шурыгина Н. А. Аморфно-нанокристаличе-ские сплавы. М.: Физмалит, 2013, 452 с.

4. Louzguine-Luzgin D. V. "Bulk Metallic Glasses and Glassy/Crystalline Materials" in Novel Functional Magnetic Materials, Fundamentals and Applications, Vol. 231 of the Springer Series in Materials Science Editor: Arkady Zhukov, Springer International Publishing, Switzerland, March (2016), pp 397-440.

5. Валиев Р. З., Пушин В. Г., Гундеров Д. В., Попов А. Г. Использование интенсивных деформаций для получения объемных нанокристаллических материалов из аморфных сплавов // Докл. РАН. 2004. Т. 398. №1. С. 54.

6. Valiev R. Z., Gunderov D. V., Zhilyaev A. P., Popov A. G., Pushin V. G. Nanocrystallization induced by severe plastic deformation of amorphous alloys // Journal of Metastable and Nano-crystalline Materials. 2004. V.22, ISSN 1422-6375. P. 21-26.

7. Wei Li, Xiaohong Li, Defeng Gu1, K. Sat, Gunderov D. V., Stoly-arov V. V., Xiangyi Zhang1. Atomic-scale structural evolution in amorphous Nd9Fe85B6 subjected to severe plastic deformation at room temperature // Appl. Phys. Letters. 2009. V. 94. P. 231904.

8. Abrosimova G. E., Aronin A. S., Dobatkin S. V., Kaloshkin S. D., Matveev D. V., Rybchenko O. G., Tatiyanin E. V., Zverkova I. I. The formation of nanocrystalline structure in amorphous Fe-Si-B

alloy by severe plastic deformation // Journal of Metastable and nanocrystalline Materials v. 24-25. 2005. p.69.

9. Носова Г. И., Шалимова А. В., Сундеев P. В., Глезер A. M. Наблюдение аморфно-кристаллическихфазовых переходов при мегапластической деформации сплава Ti50Ni25Cu25// Кристаллография. 2009. Т. 54. №6. С. 1111-1119

10. Wang X. D., Cao Q. P., Jiang J. Z., Franz H., Schroers J., Valiev R. Z., Ivanisenko Y., Gleiter H., Fecht H.-J. Atomic-level structural modifications induced by severe plastic shear deformation in bulk metallic glasses // Scripta Materialia. 64 2011. рр. 8184.

11. Гундеров Д. В., Попов А. Г., Щеголева Н. Н., Столяров В.

B., Явари А. Р. Фазовые превращения в кристаллическом и аморфном сплаве Nd2Fe14B, подвергнутом интенсивной пластической деформации. Сб. «Проблемы нанокристалли-ческих материалов», под ред. В. В. Устинова, Н. И. Носковой. Екатеринбург, УрО РАН. 2002. С. 358-367.

12. Soo-Hyun Joo, Dong-Hai Pi, Albertus Deny Heri Setyawan, Hidemi Kato, Milos Janecek, Yong Chan Kim, Sunghak Lee, Hyoung Seop Kim. Work-Hardening Induced Tensile Ductility of Bulk Metallic Glasses via High-Pressure Torsion // Scientific reports 2015, P. 9660.

13. Gunderov D. V., Slesarenko V.Yu., Churakova A. A., Luky-anov А. V., Soshnikova E. P., Pushin V. G., Valiev R. Z. Evolution of the amorphous structure in melt-spun Ti50Ni25Cu25 alloy subjected to high pressure torsion deformation// Inter-metalics Volume 66, 2015, PP. 77-81.

14. Гундеров Д. В., Чуракова А. А., Лукьянов А. В., Прокофьев Е. А., Хасанова Д. А., Заманова Г. И. Тонкая микроструктура аморфных сплавов Ti-Ni-Cu подвергнутых кручению под высоким давлением // Вестник БГУ. 2015 Т. 20. №2.

C. 403-407.

15. Валиев Р. З., Александров И. В. НС материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М: Логос, 2000. 272 с.

16. Гундеров Д. В., Низамутдинова А. М., Валеев К. А., Столяров В. В. Сплавы RFeB в исходном состоянии и подвергнутые интенсивной пластической деформации кручением // Вестник БашГУ. 1998. №2. С. 28-32.

17. Гундеров Д. В. Валиев Р. З. Попов А. Г., Пушин В. Г., Рааб Г.И, Кондратьев Д. В. Трансформация структуры и свойств кристаллических и аморфных сплавов систем Nd(Pr)-Fe-B и Ti-Ni при воздействии интенсивной пластической деформации. Уфа: Гилем, Башк. Энциклопедия. 2016 .280 с.

18. Ubyivovk E. V., Boltynjuk E. V., Gunderov D. V., Churakova A. A., Kilmametov A. R., Valiev R. Z. HPT-induced shear banding and nanoclustering in a TiNiCu amorphous alloy// Materials Letters 209 C. 2017 pp. 327-329.

Поступила в редакцию 29.09.2017 г.

THE MICROSTRUCTURE AND NANORELIEF OF THE AMORPHOUS Ti-Ni-Cu ALLOY SUBJECTED TO HIGH-PRESSURE TORSION

© D. V. Gunderov12*, A. A. Churakova12, A. V. Lukyanov2, E. V. Boltynjuk4, E. V. Ubyivovk4, Yu. S. Zamula3, E. S. Batyrshin13, D. A. Khasanova2, G. I. Zamanova3

1Institute of molecule and crystal physics, RAS 151 Oktyabrya Avenue, 450075 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

2Ufa State Aviation Technical University 12 Karl Marx Street, 450008 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

3Bashkir State University 32 Zaki Validi Street, Ufa 450076, Republic of Bashkortostan, Russia.

4Saint Petersburg State University 7/9 Universitetskaya Embankment, 199034 Saint Petersburg, Russia.

*Email: [email protected]

Bulk metallic glasses (BMG) are subject of great scientific as well as potential practical interest due to their unique mechanical properties including high strength, large elastic elongation along with low Young's modulus. High-pressure torsion (HPT) seems to be a promising method for the transformation of the structure of amorphous alloys and formation of multiple SBs in the structure. Shear bands formation can be observed in the direction along the applied force. The features of the microstructure of an amorphous Ti50Ni25Cu25 alloy subjected to HPT were studied by scanning force microscopy (SFM). The SFM data show that the foil of the sample after the HPT demonstrates a much more developed surface relief (up to 10 times deeper relief pits) than the similarly prepared Ti foil of the initial Ti50Ni25Cu25. In this case, the width of the hollows of samples' foil surface after the HPT is about 25 nm (which is close to the size of the observed clusters). Presumably, there is a difference in the free volume between clusters and their boundaries, and due to the lower density, the "body" of clusters is ionically polished more intensively, which is fixed by the more developed relief of the foil of the HPT-subjected sample and on TEM images.

Keywords: amorphous alloys, high-pressure torsion, structure, transmission electron microscopy.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.

REFERENCES

1. A. M.Glezer, B. V. Molotilo. Struktura i mekhanicheskie svoistva amorfnykh splavov [Structure and mechanical properties of amorphous alloys]. M: Metallurgiya, 1992,

2. Abrosimova G. E. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2011. Vol. 181. No. 12. Pp. 1265-1281.

3. Glezer A. M. Shurygina N. A. Amorfno-nanokristalicheskie splavy [Amorphous nanocrystalline alloys]. Moscow: Fizmalit, 2013,

4. Louzguine-Luzgin D. V. "Bulk Metallic Glasses and Glassy/Crystalline Materials" in Novel Functional Magnetic Materials, Fundamentals and Applications, Vol. 231 of the Springer Series in Materials Science Editor: Arkady Zhukov, Springer International Publishing, Switzerland, March (2016), pp 397-440.

5. Valiev R. Z., Pushin V. G., Gunderov D. V., Popov A. G. Dokl. RAN. 2004. Vol. 398. No. 1. Pp. 54.

6. Valiev R. Z., Gunderov D. V., Zhilyaev A. P., Popov A. G., Pushin V. G. Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials. 2004. V.22, ISSN 1422-6375. Pp. 21-26.

7. Wei Li, Xiaohong Li, Defeng Gu1, K. Sat, Gunderov D. V., Stolyarov V. V., Xiangyi Zhang1. Atomic-scale structural evolution in amorphous Nd9Fe85B6 subjected to severe plastic deformation at room temperature. Appl. Phys. Letters. 2009. Vol. 94. Pp. 231904.

8. Abrosimova G. E., Aronin A. S., Dobatkin S. V., Kaloshkin S. D., Matveev D. V., Rybchenko O. G., Tatiyanin E. V., Zverkova I. I. Journal of Metastable and nanocrystalline Materials v. 24-25. 2005. p.69.

9. Nosova G. I., Shalimova A. V., Sundeev P. V., Glezer A. M. Kristallografiya. 2009. Vol. 54. No. 6. Pp. 1111-1119

10. Wang X. D., Cao Q. P., Jiang J. Z., Franz H., Schroers J., Valiev R. Z., Ivanisenko Y., Gleiter H., Fecht H.-J. Scripta Materialia. 64 2011. rr. 81-84.

11. Gunderov D. V., Popov A. G., Shchegoleva N. N., Stolyarov V. V., Yavari A. R. Fazovye prevrashcheniya v kristallicheskom i amorfnom splave Nd2Fe14B, podvergnutom intensivnoi plasticheskoi deformatsii. Sb. «Problemy nanokristallicheskikh materialov», pod red. V. V. Ustinova, N. I. Noskovoi. Ekaterinburg, UrO RAN. 2002. Pp. 358-367.

12. Soo-Hyun Joo, Dong-Hai Pi, Albertus Deny Heri Setyawan, Hidemi Kato, Milos Janecek, Yong Chan Kim, Sunghak Lee, Hyoung Seop Kim. Work-Hardening Induced Tensile Ductility of Bulk Metallic Glasses via High-Pressure Torsion. Scientific reports 2015, Pp. 9660.

13. Gunderov D. V., Slesarenko V.Yu., Churakova A. A., Lukyanov A. V., Soshnikova E. P., Pushin V. G., Valiev R. Z. Intermetalics Volume 66, 2015, PP. 77-81.

14. Gunderov D. V., Churakova A. A., Luk'yanov A. V., Prokofev E. A., Khasanova D. A., Zamanova G. I. Vestnik BGU. 2015 T. 20. No. 2. Pp. 403-407.

15. Valiev R. Z., Aleksandrov I. V. NS materialy, poluchennye intensivnoi plasticheskoi deformatsiei [Nanostructured materials produced by severe plastic deformation]. M: Logos, 2000.

16. Gunderov D. V., Nizamutdinova A. M., Valeev K. A., Stolyarov V. V. Vestnik BashGU. 1998. No. 2. Pp. 28-32.

17. Gunderov D. V. Valiev R. Z. Popov A. G., Pushin V. G., Raab G.I, Kondrat'ev D. V. Transformatsiya struktury i svoistv kristallicheskikh i amorfnykh splavov sistem Nd(Pr)-Fe-B i Ti-Ni pri vozdeistvii intensivnoi plasticheskoi deformatsii. Ufa: Gilem, Bashk. Entsiklopediya. 2016 .

18. Ubyivovk E. V., Boltynjuk E. V., Gunderov D. V., Churakova A. A., Kilmametov A. R., Valiev R. Z. Materials Letters 209 Pp. 2017 pp. 327-329.

Received 29.09.2017.