Особенности рельефа поверхности ленточных аморфных металлических сплавов, образующегося при локальном деформировании Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ЛЕНТОЧНЫХ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

© В.А. Федоров, А.В. Яковлев, Т.Н. Плужникова, Ю.В. Черемисина,

Д.А. Колесников, И.Ю. Гончаров, О.Н. Марадудина

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

Исследован процесс формирования рельефа поверхности аморфных металлических сплавов при микроиндентировании и его морфологические особенности.

Аморфные сплавы, или металлические стекла (МС), обладают набором уникальных свойств, одним из таких свойств является способность к пластическому течению. Пластическая деформация в аморфных сплавах может протекать гомогенно или негомогенно. 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, продеформированной растяжением, сжатием, изгибом или прокаткой образцов, формируются ступеньки сдвига. 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 существенной локальной пластичностью в области негомогенной деформации [2]. В [3, 4] исследованы особенности пластической деформации при индентировании пирамидой Виккерса поверхности ленточного аморфного сплава Ре-Сг-Мо-У-Б-81, где рассмотрена зона деформирования под индентором. Установлено [3], что при вдавливании индентора возникает деформация в виде чешуйчатых навалов, представляющих собой полосы сдвига одной части материала относительно другой, причем указанный тип дефектов образуется только до некоторой предельной нагрузки (порядка 150 г). Другим типом деформации, возникающей при нагрузке более 150 г, оказываются расходящиеся от отпечатка под определенным углом друг к другу полосы сдвига, 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] установлены две стадии реализации пластической деформации - вначале возникают чешуйчатые навалы, а затем полосы сдвига.

Цель работы - исследование морфологических особенностей рельефа поверхности, формируемого при микроиндентировании.

Исследовали ленточное МС, находящееся в состоянии поставки. Использовали сплав на основе Со (Со-Ре-Мп-81-Б-№, Со-80 %), полученный методом спиннингования. Толщина лент 20 мкм. Исследования проводили на образцах с размерами 3,5x90 мм. Индентирование ленточных МС осуществляли со стороны бесконтактной поверхности ленты (рис. 1) в специальном

1816

устройстве. Исследования рельефа поверхности МС после указанных воздействий проводили на растровом электронном микроскопе Quanta 3D и на сканирующем зондовом микроскопе Ntegra Aura.

Рис. 1. Схема устройства для наблюдения полос деформации: 1 - микротвердомер ПМТ-3;

2 - металлографический микроскоп МИМ 7; 3 - образец; 4 - фотокамера

Рентгеновские исследования были выполнены на дифрактометре Rigaku Ultima IV с использованием СиКа 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. Разработанная методика позволяет наблюдать деформацию на противоположной стороне поверхности образца (рис. 1). Исследование противоположной индентиро-ванию поверхности МС показало, что наблюдается ступенчатая деформационная структура. В центре области индентирования создается максимальное деформирование, проявляющееся в виде полос сдвига, радиально расходящихся от отпечатка (рис. 2), высота которых может достигать 0,3—0,5 мкм. В зоне отпечатка деформационные полосы пересекаются, ветвятся. Наблюдали как правоступенчатый, так и левоступенчатый относительно направления роста полосы деформационный рельеф.

Эти полосы представляют собой ступенчатую структуру (рис. 3).

Характерные средние высоты ступеней находятся в пределах от десятков до сотен нанометров. Ступени располагаются под углом ~ 10-15° к нормали к поверхности образца.

Сами ступени неоднородны, рельефность ступеней составляет десятки нанометров.

В ходе экспериментов было установлено, что рельеф формируется не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. Была проведена видеосъемка, иллюстрирующая это, некоторые кадры которой приведены на рис. 4.

Рис. 2. Рельеф поверхности в зоне воз- Рис. 3. Ступенчатый характер полос деформирования

действия индентора на стороне противоположной воздействию в сплаве АМАГ - 180 (80 % Co)

1817

0,133 с

0,167 с

0,2 с

0,233 с 0,267 с 0,3 с

Рис. 4. Кинетика формирования деформационной розетки на поверхности противоположной индентиро-ванию (скорость съемки 30 к/с). Масштаб изображений '

Изменение скорости роста полос сдвига можно проследить по рис. 5. В ходе эксперимента фиксировали изменение длины одной из полос сдвига, а также изменение количества полос с момента начала эксперимента через каждые 0,033 с.

Скорость роста длины полосы (рис. 5а) аппроксимируется экспоненциальной функцией (с большим коэффициентом корреляции ~ 1) вида:

I = а + Ь ехр(— / с),

где а = 0,04459 ± 0,0043; Ь = -0,04466 ± 0,00399; с = 0,18802 ± 0,03161. Максимальная скорость роста полосы сдвига равна ~ 0,2 мм/с. Скорость нарастания количества полос аппроксимируется линейной функцией (рис. 5б) и составляет в среднем ~ 50 полос/с. Таким образом, видно, что при микроиндентировании бесконактной стороны образцов МС на контактной образуется ступенчатый рельеф в виде расходящихся радиально полос сдвига.

1818

а) б)

Рис. 5. Скорость роста: а) средней длины полосы, б) количества полос в деформационной розетке

Ступени имеют свои характерные особенности, отличающие их от полос сдвига, образуемых при растяжении, сжатии, изгибе или прокатке. Совокупность экспериментальных результатов позволяет предположить, что в зоне полосы сдвига происходит упорядочение структуры аморфных сплавов за счет механической активации, которая переводит систему в более устойчивое энергетическое состояние. В подтверждение высказанного предположения можно привести результаты экспериментов, подтверждающие отсутствие обратимой деформации в аморфных сплавах. Кроме того, в экспериментах не нашел подтверждение эффект Баушингера. Это говорит о необратимости процесса формирования полосы сдвига или о том, что область деформации находится энергетически в более стабильном состоянии по сравнению с матрицей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кобелев Н.П., Колыванов Е.Л., Хоник В.А. Нелинейные упругие характеристики объемных металлических стекол Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 и Fd40Cu30Ni10P20 // 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 Fe-Cr-Mo-V-B-Si // 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 Fe-Cr-Mo-V-B-Si // Кристаллография. 2002. Т. 47. № 4. С. 691-696.

БЛАГОДАРНОСТИ: Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов».

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

Поступила в редакцию 20 августа 2010 г.

Fedorov V.A., Yakovlev A.V., Pluzhnikova T.N., Cheremisina Yu.V., Kolesnikov D.A., Goncharov I.Yu., Maradudina O.N. Features of relief surface of tape amorphous metal alloys, formed at local deformation.

The formation process of a relief surface of amorphous metal alloys at microindentation and its morphological features is investigated.

Key words: metallic glass; amorphous alloy; microindentation; kinetics; relief; step; straps of shift.

1819