СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................6
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ И МЕТОДАХ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СВОЙСТВ.......................................15
1.1. Получение аморфных металлических сплавов.................15
1.2. Структура аморфных металлических сплавов.................20
1.3. Классификация аморфных металлических сплавов.............24
1.4. Свойства аморфных металлических сплавов..................25
1.5. Методы исследования свойств аморфных металлических
сплавов.......................................................27
1.5.1. Исследование свойств методом изгиба........................28
1.5.2. Исследование свойств методом микроиндеитирования...........31
1.5.3. Исследование свойств методом одноосного растяжения.........34
1.5.4. Исследование свойств методом внутреннего трения............35
1.5.5. Исследование свойств методом экзоэлектрон ной эмиссии......40
1.5.6. Исследование свойств методом акустической эмиссии..........42
1.5.7. Другие физические методы исследования свойств аморфных металлических сплавов.............................................43
1.6. Изменение свойств аморфных металлических сплавов под
действием внешних факторов....................................47
1.6.1. Термическая стабильность аморфных металлических сплавов 47
3
1.6.2. Воздействие лазерного излучения на свойства аморфных металлических сплавов.......................................50
1.6.3. Влияние наводороживаиия на свойства аморфных металлических сплавов.....................................................54
1.6.4. Действие облучений заряженными и незаряженными частицами на свойства аморфных металлических сплавов.....................57
1.7. Выводы из литературного обзора.........................59
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА, ПОДВЕРЖЕННЫХ ВЛИЯНИЮ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЫ...........................62
2.1. Материалы, использованные в эксперименте..................63
2.2. Методика эксперимента.....................................64
2.2.1. Методика отжига...........................................65
2.2.2. Схемы экспериментов.......................................67
2.3. Исследование пластичности металлического стекла методом на изгиб для двух методик отжига...............................69
2.4. Исследование пластичности металлических стекол методом на изгиб при различных температурах и малых временах отжига 71
2.5. Рентгенографические исследования структуры металлических стекол на основе кобальта...................................77
2.6. Исследование кинетики процессов охрупчивания
4
металлического стекла на основе кобальта......................82
2.7. Исследование влияния концентрации основы на свойства
металлических стекол..........................................89
2.8. Исследование температурно-зависимых свойств металлических
стекол на основе кобальта.....................................91
2.9. Исследование действия водородосодержащей среды на механические свойства металлического стекла на основе кобальта... 96
2.10. Выводы по главе 2.....................................103
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЪЕМНЫХ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ И ПАЛЛАДИЯ, ПОДВЕРЖЕННЫХ
ЛАЗЕРНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ..........................................105
3.1. Материалы и методика эксперимента.....................107
3.1.1. Материалы, использованные в эксперименте..................107
3.2.2. Методика эксперимента.....................................108
3.2. Исследование механических свойств объемных аморфных
металлических сплавов на основе циркония и палладия, подверженных влиянию лазерного излучения..............................109
3.3. Исследование механических свойств объемных аморфных
металлических сплавов на основе циркония и палладия, подверженных влиянию лазерного излучения методом наноиндентирования...113
3.4. Исследование морфологии поверхности объемных аморфных
5
металлических сплавов на основе циркония и палладия, подверженных влиянию лазерного излучения в зависимости от формы и количества импульсов.........................................117
3.5. Исследование температурно-зависимых свойств объемных аморфных металлических сплавов на основе циркония и палладия.. 121
3.6. Выводы по главе 3................................125
ГЛАВА 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ
АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ........................127
4.1. Материалы и методика эксперимента................128
4.2. Формирование рельефа на поверхности ленточных аморфных металлических сплавов при микроиндентировании......130
4.3. Формирование рельефа на поверхности аморфных метаплических сплавов при испытании на разрыв.......138
4.4. Статистические закономерности разрушения металлического стекла в условиях локального нагружения.............139
4.5. Выводы по 4 главе................................144
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ................................146
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................146
6
ВВЕДЕНИЕ
А ктуальность темы.
Среди перспективных материалов нового поколения аморфные металлические сплавы или металлические стекла (МС) играют важную роль. МС из-за их уникальных физических свойств давно являются предметом пристальных экспериментальных исследований. В настоящее время известны аморфные состояния для многих металлических систем [1]. Под воздействием различного рода дестабилизирующих факторов (облучение, механические и/или термические воздействия, химическая обработка) в МС осуществляется переход от метастабильного равновесия к новому, более равновесному состоянию, сопровождающийся изменением совокупности свойств МС, в частности, существенным снижением макроскопической пластичности [2]. В связи с этим одной из значимых проблем физики неупорядоченных сред остается проблема термической стабильности МС и контроля изменений их физических и механических характеристик. Исследование термической стабильности МС, решаемой, как правило, при отжиге, является актуальной задачей физики неупорядоченных сред. При достижении определенной температуры предварительного отжига в пределах устойчивости аморфного состояния некристаллические сплавы становятся хрупкими при комнатной температуре.
В течение последнего десятилетия идут интенсивные исследования нового класса аморфных материалов - так называемых объемных аморфных материалов. Их особенность- состоит в том, что они, во-первых, легко аморфизируются, то есть затвердевают в аморфном состоянии, при малых скоростях охлаждения расплава, а во-вторых, температура стеклования этих сплавов существенно ниже температуры их кристаллизации. Такие материалы можно получать в виде объемных аморфных заготовок. В переохлажденном жидком состоянии они показывают очень низкую вязкость и хорошую деформируемость. В этом смысле объемные аморфные заготовки можно вполне рассматривать в качестве нового типа конструкционных и
функциональных материалов. Современное машиностроение предъявляет высокие требования к эксплуатационным характеристикам конструкционных материалов и сплавов с особыми физико-механическими свойствами. Наряду с улучшением свойств созданных ранее материалов ведутся поиски материалов с принципиально новыми, качественно более высокими эксплуатационными показателями. Такими материалами являются металлические стекла [3].
Основные области применения аморфных металлических сплавов в
настоящее время связаны с их использованием в качестве магпито-мягких
материалов. Наиболее обширной такой областью (по масштабу применения
аморфных металлических сплавов в весовом отношении, измеряемом
десятками тысяч тонн в год) является силовая электротехника. Проведенные
оценки показали, что стоимость электроэнергии, теряемой в силовых
трансформаторах промышленной частоты, за счет потерь на
псремагничиванис сердечника в течение срока службы трансформатора
достигает сто первоначальной стоимости. Использование магнито-мягких аморфных металл!гчес]а1х сплавов в качестве магнитопровода позволяет снизить потери на перемагничивание в 3-4 раза по сравнению со стандартным текстурированным листом при таком же уровне магнитного потока [4].
Применение аморфных металлических сплавов в качестве магнитопроводов электродвигателей позволяет снизить потери в сердечниках более чем на 90%. Эти потери особенно велики в промышленных электродвигателях переменного тока. Применение аморфных металлических сплавов позволяет снизить примерно на порядок потери энергии в балластных сопротивлениях люминесцентных и дуговых ламп. Экономия достигается как при использовании промышленной частоты, так и при высоких частотах. Однако, высокочастотные сопротивления, хотя и обеспечивают повышенный уровень потребительских свойств, являются более дорогими [5].
Высокая индукция насыщения, высокое удельное электросопротивление и высокий коэффициент прямоугольности (который
может быть обеспечен путем соответствующей термомагнитной обработки) определяют применение аморфных металлических сплавов в устройствах, использующих явление магнитного насыщения: магнитных усилителях, активных сетевых- фильтрах, феррорезонансных стабилизаторах, магнитных модуляторах.
В настоящее время широкое внимание уделяется исследованию магнитных свойств АМС на основе железа. Такие сплавы обладают низкой коэрцитивной силой и высоким значением константы магнитострикции, благодаря чему находят применение в качестве чувствительных элементов различного рода звуковых и ультразвуковых преобразователей, линий задержки и т. д. Возможность использования АМС на основе железа в этом качестве обусловлена возникновением в них магнитоупругих колебаний под действием переменного магнитного поля.
Перспективной областью является использование аморфных металлических сплавов в качестве магнитных головок звуко- и видеозаписи, а также в магнитных головках периферийных устройств ЭВМ. Для этого обычно используются аморфные металлические сплавы на основе кобальта с высокой индукцией насыщения, высокой проницаемостью (после термомагнитной обработки), нулевой или близкой к нулю магнитострикцией, высокой твердостью и стойкостью к истиранию.
Сочетание высокой механической прочности и высокой чувствительности определяет возможность использования аморфных металлических сплавов в подводной- эхо-локации. В этом случае чувствительность приборов может достигать величины, которая примерно на порядок выше чувствительности пьезокерамики [6].
Применение аморфных металлических сплавов основано не только на их особенных магнитных свойствах. Варьирование химического состава
позволяет получить положительную, отрицательную или нулевую величину температурного коэффициента электросопротивления.
Аморфные сплавы с нулевым значением коэффициента можно использовать для создания прецизионных резисторов. Сочетание высокого удельного электросопротивления и большого температурного коэффициента электросопротивления создает предпосылки для изготовления низкотемпературных термометров.
Качественные отличия структуры аморфных металлических сплавов от структуры кристаллов определяют особенности их взаимодействия с химически агрессивными средами [3]. Ряд аморфных металлических сплавов на основе Ре, N4, Со с добавками Сг характеризуется высокой коррозионной стойкостью во влажном воздухе, морской воде, кислотах, растворах солей и т.д. Такие аморфные материалы проявляют устойчивость ко всем видам коррозии - общей, местной, точечной, коррозии под напряжением.
Более подробно применение АМС описано в работах [7-9].
Исходя из вышеизложенного, исследование действия различных внешних факторов на свойства аморфных металлических сплавов является одной из актуальных задач физики неупорядоченных сред и материаловедения.
Цель и задачи исследований.
Цель работы: исследование изменения свойств ленточных аморфных металлических сплавов на основе Со в условиях изохронного отжига и объемных аморфных металлических сплавов на основе Рс1 и Ъх при локальном лазерном воздействии.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
ю
1. Разработать методику и установку для оптимизации режимов изохронного отжига ленточных аморфных металлических сплавов на основе Со.
2. Установить закономерности изменения характеристики пластичности
для ленточных аморфных металлических сплавов на- основе Со,
подвергнутых изохронным отжигам при различных температурах.
3. Сопоставить полученные экспериментальные данные с результатами, полученными методами термического анализа и рентгеноструктурными исследованиями.
4. Установить закономерности изменения свойств ленточных аморфных металлических сплавов в зависимости от соотношения основных компонентов сплавов.
5. Определить влияние наводороживающпх сред на характеристику пластичности аморфных металлических сплавов на основе Со после изохронного отжига при различных температурах.
6. Установить параметры и кинетику формирования рельефа поверхности аморфных металлических сплавов, подвергнутых локальному механическому воздействию индентором, а также изгибу и растяжению.
7. Определить структурные превращения в зонах воздействия лазерного излучения и изменение элементного состава на поверхности объемных аморфных металлических сплавов на основе Рс1 и Ъх.
8. Установить методами микро- и наноиндентирования изменение механических характеристик объемных аморфных металлических сплавов на основе Рс1 и Ъх в зонах воздействия лазерного излучения.
Научная новизна работы:
1. Предложены методика и установка изохронного отжига ленточных аморфных металлических сплавов в стабилизирующих пластинах, позволяющие оптимизировать режимы отжига и повысить достоверность получаемых результатов, в сравнении с отжигом на керамической подложке.
11
2. Определены интервалы термовременной стабильности для ленточных аморфных металлических сплавов, позволяющие проводить регламентированный отжиг аморфных металлических сплавов, и получать заданные значения характеристики пластичности в пределах 1>е>0,01.
3. Установлено снижение характеристики пластичности ленточных аморфных металлических сплавов при наводороживании и предложен механизм ее возврата к более высоким значениям при температурах отжига выше температур начала кристаллизации, базирующийся на изменении свободного объема.
4. Впервые определены кинетические характеристики формирования деформационного рельефа при индентировании ленточных аморфных металлических сплавов. Определена скорость роста деформационной полосы, составляющая 0,2 мм/с и предложен механизм ее формирования.
5. Установлены закономерности формирования зон локального лазерного воздействия и структурные превращения на поверхностях объемных аморфных металлических сплавов на основе Рс1 и Ъх.
6. Установлены основные закономерности изменения свойств объемных аморфных металлических сплавов на основе Рс1 и Ъх в зонах воздействия импульсного лазерного излучения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика изохронного отжига ленточных аморфных металлических сплавов в стабилизирующих пластинах и закономерности изменения характеристики пластичности ленточных аморфных металлических сплавов в зависимости от режимов изохронного отжига.
2. Метод определения термовременной стабильности аморфных металлических сплавов, позволяющий* получать заданные значения характеристики пластичности и закономерности влияния соотношения компонентов сплавов на пластичность.
3. Закономерности влияния паводороживающих сред на характеристику пластичности ленточных аморфных металлических сплавов на основе Со и
12
механизм ее возврата в наводороженных сплавах к значениям характерным для ненаводороженных образцов.
4. Кинетические закономерности и механизм формирования деформационного рельефа при индентировании поверхности ленточных аморфных металлических сплавов.
5. Закономерности изменения свойств и структуры объемных аморфных металлических сплавов на основе Рс1 и Ъх в зонах воздействия лазерного излучения.
Практический значимость работы.
Разработанные методы позволяют определять температурно-временные интервалы воздействия на промышленные сплавы МС, допустимые концентрации наводороживающих сред и т.д., что может позволить избежать негативных последствий при эксплуатации сплавов, а в ряде случаев привести к улучшению свойств изделий из аморфных металлических сплавов.
Полученные при выполнении работы результаты могут быть использованы в учебном процессе при изучении курсов «Материаловедение», «Нанотехнологии и наноматериалы», а также, могут послужить дополнением к развиваемым теориям прочности и пластичности перспективных материалов и сильно неупорядоченных сред.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе экспериментальных данных подтверждается их воспроизводимостью при стандартных условиях эксперимента. Все научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, аргументированы собственными теоретическими рассуждениями, логикой научного анализа диссертанта, тщательно проиллюстрированы значительным по объему экспериментальным материалом, не противоречащим физическим теориям и результатам других исследователей.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: 5-й
13
Международной научно-технической конференции . «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2007); Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2007,. 2008,.' 2010); IV-ой,. У-ой:
Международных школах-конференциях «Микромеханизмы, пластичности,, разрушения и сопутствующих явлений», МРБР — 2007, 2010 (Тамбов,. 2007, 2010); 2-й, 3-й международных конференциях «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2007, 2009); IX Российско-Китайском симпозиуме (Астрахань, 2007); II Международной конференции N07X55 (Германия, 2007); 46-й, 47-й, 48-й Международных конференциях «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2007; Нижний Новгород, 2008; Тольятти, 2009); 5-й Международной научной конференции «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование» (Алматы, Казахстан, 2007); VIII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2007); 1У-ой; У-ой Евразийских научно-практических конференциях “Прочность неоднородных структу р”, ПРОСТ 2008, ПРОСТ 2010 (Москва, МИСиС, 2008, 2010); Четырнадцатой, пятнадцатой
Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых, ВНКСФ-14, 15 (Уфа, 2008; Кемерово-Томск, 2009); XIX Уральской школе металловедов-термистов “Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов”, посвященной 100-летию со дня;рождения академика В.Д. Садовского (Екатеринбург, 2008); Международной научной конференции «Перспективные материалы и технологии», посвященной 75-летию со дня рождения академика В.В. Клубовича (Витебск, Беларусь, 2008); Международном Семинаре МНТ-Х “Структурные основы модифицирования материалов методами нетрадиционных технологий” (Обнинск, 2009); XVII Международной конференции “Физика прочности' .и пластичности материалов” (Самара, 2009); Всероссийских конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ' по физике (Владивосток, 2009, 2010); Международном симпозиуме “Перспективные материалы, и технологии”
14
(Витебск, Беларусь, 2009); Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, 2009, Москва; Первых Московских чтениях по проблемам прочности материалов, 2009, Москва; V (XXXVII) Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей», 2010, Кемерово; на научных конференциях преподавателей и сотрудников ТамбГУ (2006-2010 г.г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 48 работах, опубликованных в российских и международных научных изданиях. Из них 13 статей опубликовано в журналах из списка рекомендованных ВАК РФ. Список основных работ приведен в конце диссертации.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка и апробация новых методов исследования механических характеристик ленточных образцов металлического стекла, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка полученных данных, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из обзора литературы, трех глав, общих выводов, содержит 168 страниц текста, включая 65 рисунков, 8 таблиц, списка использованной литературы, содержащего 199 наименований.
- Київ+380960830922