Известия РАН. Механика твердого тела, 2020, № 1, стр. 21-27

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕКОЛ В УСЛОВИЯХ ЛОКАЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ И ПОСЛЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

А. Д. Березнер a, Т. Н. Плужникова a, В. А. Федоров a*, Д. Ю. Федотов a, А. В. Яковлев a

a Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина
Тамбов, Россия

* E-mail: fedorov@tsutmb.ru

Поступила в редакцию 12.08.2019
После доработки 22.08.2019
Принята к публикации 18.09.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Для определения склонности к образованию трещин в аморфных металлических сплавах (АМС) или металлических стеклах предложен метод, основанный на определении относительной трещиностойкости (χ) в зависимости от приложенной нагрузки на индентор микротвердомера ПМТ-3. В методе относительную трещиностойкость при нагрузке 160 г принимали за единицу. При более низких нагрузках трещиностойкость определялась как среднее из 10 измерений. В работе предложен также метод определения температуры нагрева ленточных АМС при лазерной обработке, основанный на сравнении зависимости относительной трещиностойкости АМС от нагрузки на индентор, в образцах, отожженных в печи и после лазерного воздействия. Обнаружено, что трещины начинают появляться в образцах после десятиминутного отжига при Т = 773 K.

На специально разработанной установке проведены усталостные испытания образцов нагрузкой, изменяющейся от некоторого максимального значения 750 МПа до минимального 400 МПа во времени, в знакопостоянном цикле с частотой 2 Гц. В зоне воздействия лазерного излучения на поверхности образца, можно выделить четыре характерные области: внутренняя область оплавления; область роста дендритов; область с незавершенным ростом дендритов, область, не подвергавшаяся воздействию излучения. В этих областях относительная трещиностойкость (χ), определяемая через критический коэффициент интенсивности напряжений 1-го рода K1c, меняется от 1 в центре, монотонно убывая до 0 на периферии. Установлено, что лазерное воздействие не влияет на усталость, предел усталости образцов сохраняет свое значение и составляет 428 МПа. Выявлены характерные особенности разрушения. Обнаружены трещины, которые развиваются с ветвлением в зоне оплавления, и после перехода через ее границу развиваются прямолинейно.

Ключевые слова: металлическое стекло, лазерное излучение, относительная трещиностойкость, усталость

1. Введение. На современном этапе развития науки и техники актуальными остаются исследования влияния различных комбинированных воздействий на структуру и свойства перспективных материалов, таких как аморфные металлические сплавы АМС [13] или металлические стекла. Это связано с тем, что изделия, из этих материалов, эксплуатируются в различных условиях, например, в агрессивных средах, при циклических нагрузках, в электромагнитных полях и т.д. В связи с этим, вызывают интерес исследования такого комбинированного влияния [48] на структуру и свойства ленточных АМС и изделий из них. Области применения данных материалов постоянно расширяются. Свойства и структура ленточных АМС в полной мере не изучены [915], еще меньше информации об объемных АМС [1620], которые получены сравнительно недавно.

Исходя из вышеизложенного, исследование действия различных внешних факторов на свойства АМС является одной из актуальных задач физики и механики твердого тела. В рамках указанных проблем, комплексное исследование механических свойств АМС в зонах локального воздействия, в частности, импульсов когерентного излучения, является практически значимой задачей, в связи с тем, что лазерное излучение является одним из способов термической обработки. Одним из методов исследований механических свойств ленточных АМС является индентирование по Виккерсу. При индентировании АМС в исходном состоянии образуется деформационная розетка. По мере повышения температуры отжига деформационная розетка постепенно заменяется розеткой, состоящей из сети микротрещин (кольцевых и радиальных). Зная температуры отжигов, можно каждой из них сопоставить вид розетки, полученной при воздействии индентора. Этот подход был использован в нашей работе при определении температуры нагрева в зонах воздействия лазерным излучением на ленточные аморфные сплавы.

2. Постановка задачи. Цель работы провести сравнение изменений механических характеристик ленточных АМС под действием отжига и лазерного излучения, а также изучить комбинированное действие лазерного излучения и усталостного нагружения на поведение АМС. Оценить трещинностойкость сплавов, после различного вида воздействий.

3. Метод и построение решения. В первой части работы были проведены исследования влияния лазерного излучения и усталостного нагружения на механическое поведение АМС.

Материалом для проведения исследования были выбраны ленты АМС марки АМАГ-186 (Сo – 85.5%; Fe – 2.27%; Si – 5.15%; Mn – 4.07%; B – 2%; Cr – 1%). Размер рабочей области образцов 20 × 3.5 × 0.02 мм. Перед проведением усталостных испытаний образцы подвергали лазерному облучению на установке ЛТА-4-1. Длина волны излучения 1064 нм. Образцы облучались одиночным импульсом по центру рабочей области. Длительность импульса составляла 4 мс, энергия 0.17 Дж. Площадь зоны облучения ≈0.283 мм2.

Усталостные испытания образцов проводили на специально разработанной установке нагрузкой, изменяющейся от некоторого максимального значения 750 МПа до минимального 400 МПа во времени, в знакопостоянном цикле с частотой 2 Гц.

Одним из технических параметров для предсказания механического поведения высокопрочных и малопластичных конструкционных и инструментальных материалов является трещиностойкость, определяемая через критический коэффициент интенсивности напряжений 1-го рода K1c [21].

(3.1)
${{K}_{{1c}}} = A{{\left( {\frac{E}{H}} \right)}^{{1/2}}}\frac{P}{{{{C}^{{3/2}}}}}$
где A = 0.016 – коэффициент пропорциональности, E – модуль Юнга, H – микротвердость по Виккерсу, P – критическая нагрузка появления радиальных трещин, C – длина радиальной трещины.

В оценке трещиностойкости ленточных образцов АМС при их микроиндентировании на подложках возникает ряд трудностей. Во-первых, при индентировании АМС на твердой подложке значительными нагрузками P ≥ 160 г, не стоит исключать тот факт, что трещины могут образоваться первоначально в подложке и инициировать разрушение покрытия – АМС. Во-вторых, отпечатки на поверхности АМС окружены системой трещин, имеющих разную длину – от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.

Для установления склонности к образованию трещин в АМС предложен метод, основанный на определении относительной трещиностойкости (χ), определяемой по формуле (3.2) в зависимости от прикладываемой нагрузки. В этом методе относительную трещиностойкость при 160 г нагрузки принималась за единицу. При меньших нагрузках трещиностойкость определялась как среднее значение по 10 измерениям.

(3.2)
$\chi = \frac{{K_{{1c}}^{i}}}{{K_{{1c}}^{{\max }}}}$
Здесь $K_{{1c}}^{{\max }}$ – критический коэффициент интенсивности напряжений 1-го рода определенный при нагрузке 160 г, $K_{{1c}}^{i}$ – критический коэффициент интенсивности напряжений 1-го рода при некоторой заданной нагрузке.

4. Анализ результатов и примеры. В результате лазерного воздействия на поверхности образца наблюдали локальную зону оплавления (рис. 1а), в которой можно выделить четыре характерные области: внутренняя область оплавления; область роста дендритов; область с незавершенным ростом дендритов.

Область, не подвергавшаяся воздействию лазерного излучения отделена четкой границей (на рис. 1a отмечена стрелкой). Для этих областей определяли критический коэффициент интенсивности напряжений 1-го рода и относительную трещиностойкость (χ). Установлено, что относительная трещиностойкость (χ), определяемая через критический коэффициент интенсивности напряжений 1-го рода K1c, меняется от 1 в зоне воздействия лазерного излучения и монотонно убывает до 0 при переходе от зоны оплавления к области, не подвергавшейся воздействию лазерного излучения.

Рис. 1

Полученные образцы подвергали усталостному нагружению. Усталостное разрушение образца может проходить как по зоне воздействия излучения, так и на некотором удалении от нее. При этом, если разрыв образца происходит на удалении от области лазерного воздействия, в момент разрушения, при сбросе нагрузки, происходит выкрашивание оплавленной области (рис. 1b), что объясняется высоким значением относительной трещиностойкости (χ), определяемой через критический коэффициент интенсивности напряжений 1-го рода K1c, в этой области она равна 1.

Установлено, что лазерное воздействие с указанными параметрами не влияет на усталость. Предел усталости образцов сохраняет свое значение и составляет 428 МПа.

Проведены фрактографические исследования разрушения в зоне лазерного воздействия. Выявлены характерные особенности разрушения.

Трещины могут развиваться прямолинейно, хрупко, в области остановки трещины наблюдаются полосы сдвига (рис. 2). Также были обнаружены трещины, которые развиваются с ветвлением в зоне оплавления, и после перехода через ее границу развиваются прямолинейно (рис. 3). Разрушение может происходить в плоскости параллельной плоскости образца, что приводит к сколам (рис. 4).

Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4

Во второй части работы предложен метод определения температуры поверхности в зоне воздействия лазерного излучения.

На основании статистической обработки экспериментальных данных, полученных при индентировании отожженных АМС, определены закономерности их деформирования и разрушения.

Каждый образец многократно нагружали при разных нагрузках, начиная с P = 40 г, при которой трещины не образуются, и постепенно увеличивая ее с шагом 5–10 г до появления трещин при каждом индентировании. Если в результате индентирования появлялись трещины, то относительная трещиностойкость (χ) вычислялась по формуле (3.2), а если трещины отсутствовали – то относительная трещиностойкость (χ) считалась равной нулю.

Охрупчивание АМС, как правило, начинается с приповерхностных слоев аморфных лент. Охрупченные слои находятся также в аморфном состоянии, но отличающемся от состояния аморфной матрицы. Отжиг приводит к перераспределению атомов металлоидов, в результате которого образуются кластеры с повышенной концентрацией атомов металлоидов по сравнению с матрицей, которые и являются причиной охрупчивания (появления трещин). Структурные микронеоднородности, обнаруженные в приповерхностных слоях аморфных лент, могут быть отождествлены с такими кластерами новой аморфной фазы. Толщина охрупченных слоев аморфных лент является функцией химического состава сплава и увеличивается при возрастании времени и температуры отжига. Причем в результате десятиминутного отжига трещины начинают появляться у образцов, отожженных при T = 773 K. На основании полученных данных в ходе экспериментов была построена зависимость относительной трещиностойкости (χ) от нагрузки (P). Каждая точка на зависимости соответствует 10 опытам. Экспериментальные результаты аппроксимировали в линейном приближении зависимостями вида:

(4.1)
$\chi = aP + b$

Значения коэффициента корреляции для температуры выдержки для t = 10 мин – R = 0.96–0.99. Коэффициенты a и b определяются из эксперимента.

Зависимость относительной трещиностойкости (χ) от нагрузки на индентор при микроиндентировании определена для областей термического воздействия лазерного излучения, в которых был определен критический коэффициент интенсивности напряжений 1-го рода K1c.

Эта зависимость была сопоставлена с зависимостями χ(P) при печном отжиге для разных температур, полученных индентированием на идентичной подложке.

Установлено, что нагрев граничной области зоны облучения на разных расстояниях от эпицентра воздействия (или разного расстояния до зоны оплавления) эквивалентен отжигу в печи при разных температурах и временах отжига.

На рис. 5 изображена относительная трещиностойкость χ от нагрузки P [г] на индентор для образца АМС, подвергнутого импульсному лазерному облучению – 2 и термической обработке в печи – 1. Температура отжига Tan = 773 K. Прямая 1, приведенная на рис. 5, качественно и количественно согласуется с аналогичной линейной зависимостью 2 при лазерном облучении, что позволяет говорить о равенстве температур нагрева.

Рис. 5

5. Заключение. Таким образом, в образцах АМС зоны воздействия лазерного излучения являются зонами локальной неоднородности структуры, что сопряжено с формированием структурно-термических напряжений. Последние, суммируясь с напряжениями усталостного нагружения, вызывают образование радиальных и кольцевых трещин в зоне воздействия излучения, что приводит к выкрашиванию. Определение относительной трещиностойкости АМС от нагрузки на индентор, через определение критического коэффициента интенсивности напряжений 1-го рода K1c позволяет, на основании сопоставления зависимостей χ(P), полученных на образцах, отожженных в печи, оценить эквивалентную температуру нагрева при лазерной обработке.

Относительная трещиностойкость (χ) ленточных АМС, характеризуемая через вероятность образования трещин описывается по линейному закону в зависимости от приложенной нагрузки.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 18-01-00513).

Список литературы

  1. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. Аморфные металлические сплавы // УФН. 1990. Т. 160. С. 75–110.

  2. Гилман Д.Д., Лими Х.Д. Металлические стекла. М.: Металлургия, 1984. 264 с.

  3. Аморфные металлические сплавы: сб. науч. тр. / Под редакцией Ф.Е. Люборского. М.: Металлургия, 1987. 584 с.

  4. Глезер А.М., Пермякова И.Е., Громов В.Е., Коваленко В.В. Механическое поведение аморфных сплавов. Новокузнецк: Издательство СибГИУ, 2006. 416 с.

  5. Алехин В.П., Хоник В.А. Структура и физические закономерности деформации аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1992. 248 с.

  6. Петров А.Л., Гаврилюк А.А., Зубрицкий С.М. Структура и свойства неупорядоченных твердых тел: учеб. пособие. Иркутск: Иркутский гос. ун-т, 2004. 70 с.

  7. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986. 176 с.

  8. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. М.: Металлургия, 1987. 328 с.

  9. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Сидоров С.А. Влияние импульсного электрического тока на ход зависимостей механическое напряжение – деформация в аморфных и нанокристаллических металлических сплавах // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2013. № 12. С. 60–65.

  10. Федоров В.А., Яковлев А.В. Проявление электропластического эффекта в металлических стеклах // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2013. № 3 (25). С. 99–105.

  11. Stolyarov V.V. Electroplastic effect in nanocrystalline and amorphous alloys // Materials Science and Technology. 2015. V. 31 (13). P. 1536–1540.

  12. Yiu, P., Hsueh C.H., Shek C.H. Electroplastic forming in a Fe-based metallic glass ribbon // Journal of Alloys and Compounds. 2016. 658. P. 795–799.

  13. Korolev A.V., Kourov N.I., Pushin V.G., Gunderov D.V., Boltynjuk E.V., Ubyivovk E.V., Valiev R.Z. Paramagnetic susceptibility of the Zr62Cu22Al10Fe5Dy1 metallic glass subjected to high-pressure torsion deformation // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. V. 437. P. 67–71.

  14. Huang B. et al. Saturated magnetization and glass forming ability of soft magnetic Fe-based metallic glasses // Intermetallics. 2017. V. 84. P. 74–81.

  15. Яковлев А.В., Плужникова Т.Н., Федотов Д.Ю., Березнер А.Д., Франсишку Д.А. Изменение магнитных свойств аморфных металлических сплавов, вызванное внешним воздействием // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2016. Т. 21. № 3. С. 1453–1455.

  16. Boltynjuk E.V., Gunderov D.V., Ubyivovk E.V., Monclús M.A., Yang L.W., Molina-Aldareguia J.M., Tyurin A.I., Kilmametov A.R., Churakova A.A., Churyumov A.Y., Valiev R.Z. Enhanced strain rate sensitivity of Zr-based bulk metallic glasses subjected to high pressure torsion // Journal of Alloys and Compounds. 2018. V. 747. P. 595–602.

  17. Inoue A. Bulk Glassy Alloys: Historical Development and Current Research // Engineering. 2015. V. 1. № 2. P. 185–191.

  18. Li H.F., Zheng Y.F. Recent advances in bulk metallic glasses for biomedical applications // Acta Biomaterialia, 2016. V. 36. P. 1–20.

  19. Chenguang Wu et al. Thermoplastic deformation of ferromagnetic Co Fe based bulk metallic glasses // Appl. Phys. A. 2017. V. 123. № 742.

  20. Joo S.-H., Pi D.-H., Setyawan A.D.H., Kato H., Janecek M., Kim Y.C., Lee S., Kim H.S. Work-Hardening Induced Tensile Ductility of Bulk Metallic Glasses via HighPressure Torsion // Scientific Reports. 2015. V. 5. № 9660.

  21. Bikramjit Basu Biomaterials Science and Tissue Engineering: Principles and Methods. Cambridge University Press, 2017. 695 p.

Дополнительные материалы отсутствуют.