CC BY
0
УДК 544.234
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ АМОРФНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А. А. Снежко, Н. В. Захарова, М. К. Мартюхов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: golenkova.aleksa@mail.ru
Авиа- и ракетостроению требуется не только конструкционные материалы, но и надежные приборы: датчики скорости, ускорения и крутящего момента и т.д., при изготовлении которых успешно применяются аморфные материалы. Методы контроля качества аморфных материалов являются достаточно сложными и дорогими для производственных условии. В работе рассматривается возможность осуществления контроля состава аморфных материалов через электропроводность.
Ключевые слова: аморфные сплавы, методы контроля, электроводностъ.
IMPROVEMENT OF METHODS OF CONTROL OF AMORPHIC MATERIALS A. A. Snezhko, N. V. Zakharova, M. K. Martyukhov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: golenkova.aleksa@mail.ru
Aircraft and rocket science require not only structural materials, but also reliable devices: speed, acceleration and torque sensors, etc., the manufacture of which amorphous materials are successfully used. Quality control methods for amorphous materials are currently quite complex and expensive for production conditions. The paper considers the possibility of controlling the composition of amorphous materials through electrical conductivity.
Keywords: amorphous alloys, control methods, electrical conductivity.
В силу уникального сочетания механических, электрических и антикоррозионных свойств аморфные материалы используют для изготовления датчиков физических параметров, пружин часовых механизмов, весов, индикаторов часового типа и других прецизионных пружинных устройств. Сплав марки, содержащий никель, бор и кремний имеет прочность при растяжении 2000 МПа, модуль Юнга 1,5105 МПа, плотность 8 г/см , электросопротивление 0,9 Ом мм2/м, предел выносливости при изгибе около 800 МПа на базе 107 циклов. Сплав рекомендуется для изготовления пружин, мембран и контактов [1].
К аморфным материалам относят твердые тела с аморфной структурой, характеризующиеся отсутствием дальнего порядка и наличием ближнего порядка в расположении атомов, а также фазовой однородностью.
Особый интерес представляют аморфные металлы (металлические стекла), подразделяющиеся на два типа:
- Металл-металл (Be, Mg, Al, Ca, Ti, V, Fe, Co, Ni и др.);
- Металл-металлоид (B, C, Si, Al, P, Ti и др.).
Особенности структуры металлических стекол на атомном уровне за счет высокой плотности дислокаций обуславливают очень высокие прочность и износостойкость.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 2
Согласно кривой Одинга, высокая плотность дислокаций в аморфных сплавах приводит к такому же уровню прочности и твердости, как и у выращенных монокристаллов (рубин, сапфир и т.д), что на порядки выше по сравнению с закаленными сталями. Испытания данных материалов на растяжение обнаруживают их удлинение, что доказывает их пластичность в отличие от оксидных стекол.
Металлические аморфные железо-хромистые сплавы обладают очень высокой коррозионной стойкостью. Высокая коррозионная стойкость металлических стекол обусловлена, прежде всего, отсутствием четких границ зерен, макровключений и т.п. [2].
Сопротивление аморфных металлов составляет 100...300 мкОмсм, что значительно выше сопротивления кристаллических металлов [3]. Кроме того, сопротивление разных металлических стёкол в определённых температурных диапазонах характеризуется слабой зависимостью от температуры, а иногда даже убывает с увеличением температуры.
По величине сопротивления аморфные металлы делят на три группы.
Металлические стёкла типа простой металл - простой металл отличаются низким удельным сопротивлением (менее 100 мкОмсм). При повышении температуры сопротивление разных материалов данной группы может, как возрастать, так и убывать.
Сопротивление материалов типа переходный металл - металлоид находится в интервале 100.200 мкОм см. Температурный коэффициент сопротивления до середины интервала остается положительным, а после принимает отрицательные значения. Минимальное значение сопротивления достигается при температурах 10.20 К.
Сопротивление материалов типа переходный металл - переходный металл превышает 200 мкОм см. При этом с ростом температуры сопротивление уменьшается.
У некоторых аморфных сплавов отмечают свойства сверхпроводимости при сохранении пластичности [3].
На сегодня решены далеко не все проблемы, связанные с производством, применением и метрологическим обеспечением производства аморфных материалов. В частности, контроль структуры и свойств аморфных сплавов связан с наукоемкими затратными методами исследования (рентгеноструктурный анализ, дифференциально-термический анализ, ферромагнитный резонанс, электронная микроскопия), что требует разработки новых методов диагностики. В металловедении электропроводность рассматривается как ценное вспомогательное средство для изучения состава и свойств материалов.
Фазовый количественный анализ можно осуществить косвенно по электропроводности и составу для слабомагнитных материалов, в том числе изначально ферромагнитных сплавов при процессе снижения степени дальнего порядка с возрастанием доли аморфизатора. Можно даже выстроить шкалу аморфности по зависимости электросопротивления, например, сплава №-Р от концентрации Р (см. рисунок) и использовать ее в виде градуировочного графика определения состава без рентгенофазового анализа и др. наукоемких методов. Возможна корректировка графика относительно способа получения аморфных материалов.
При использовании индукционных вихретоковых измерителей для измерения электропроводности определенного типа достаточно приложить датчик к поверхности исследуемого объекта. Такой неразрушающий метод измерения электропроводности не требует изготовления специальных образцов и дает возможность в течение нескольких секунд измерить ее на выбранном участке детали.
Для определения значения поправки на краевой эффект при измерении электропроводимости объектов контроля, имеющих небольшую площадку для измерения измеряют кажущуюся электропроводимость образцов разного диаметра с торцовой поверхности. Вихретоковый преобразователь устанавливают по центру каждого образца. Результаты измерений электропроводимости сводят в экспериментальный график. Значение поправки определяют по графику как разность между значением электропроводимости
образца наибольшего диаметра и кажущейся электропроводимостью образца диаметром, соответствующим диаметру исследуемого объекта. Значения поправки определяются для каждого измерения [4].
р, мкОм-см
210
190
170
150
130
110
90
/
10
15
20
25
30
ат. % Р
Зависимость электросопротивления Ni-P от концентрации P
Значение поправки на толщину при измерении электропроводимости тонкостенных объектов также определяют по экспериментальному графику, предварительно выстроенному по результатам измерения контроля кажущейся электропроводимости образцов разной толщины. Поправку уточняют по графику для каждого измерения.
Необходимо подчеркнуть, что применение данного способа носит ограниченный характер, так как большая доля изготавливаемых аморфных материалов в виде порошка, пленок, проволоки, гранул, имеет малые размеры. Данный метод может применяться для контроля качества лент, прессовок из аморфных материалов не только при выпуске, но и в процессе эксплуатации с учетом релаксационных процессов в аморфных материалах, приводящим к их нестабильности.
Библиографические ссылки
1. Основные области применения аморфных металлических материалов [Электронный ресурс]. URL: https://steeltimes.ru/books/allmet/newmaterialinmetallurgy/125/125.php (дата обращения: 28.05.2020).
2. Павлов П. В. Физика твердого тела: учебник/ П. В. Павлов, А. Ф. Хохлов // Москва: Издательство «Высшая школа», 2000. - 494с.
3. Судзуки К. Аморфные металлы: учебник пер.с японского / К. Судзуки, X. Фудзимори, К. Хасимото// Москва: издательство «Металлургия», 1987. - 328с.
4.ГОСТ 27333-87 Контроль неразрушающий. Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом. Контроль неразрушающий. Методы: Сборник стандартов.- М.: ИПК Издательство стандартов, 2005 год.
© Снежко А. А., Захарова Н. В., Мартюхов М. К., 2020
