научная статья по теме АКТИВИРУЕМАЯ ФОТОННОЙ ОБРАБОТКОЙ НАНОКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ТВЕРДОСТЬ СПЛАВА FE78P20SI2 Химия

Текст научной статьи на тему «АКТИВИРУЕМАЯ ФОТОННОЙ ОБРАБОТКОЙ НАНОКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ТВЕРДОСТЬ СПЛАВА FE78P20SI2»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 3, с. 333-337

УДК 539.213;620.178.156

АКТИВИРУЕМАЯ ФОТОННОЙ ОБРАБОТКОЙ НАНОКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

И ТВЕРДОСТЬ СПЛАВА Fe78P2oSi2

© 2015 г. М. C. Антонова*, Е. К. Белоногов*, А. В. Боряк**, В. В. Вавилова***, В. М. Иевлев***, ****, С. В. Канныкин**, Н. А. Палий***

*Воронежский государственный технический университет **Воронежский государственный университет ***Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва ****Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва e-mail: palii@ultra.imet.ac.ru Поступила в редакцию 11.07. 2014 г.

Методом рентгеновской дифрактометрии сопоставлены структурные изменения, происходящие в результате термической обработки и фотонной обработки (ФО) аморфного сплава (АС) Fe78P20Si2. Показано, что основной эффект ФО — ускорение процесса кристаллизации. В режиме наноинтентиро-вания, не приводящего (по результатам ПЭМ) к кристаллизации под действием сосредоточенной нагрузки, определены твердость (8 ± 0.3 ГПа) и модуль Юнга (130 ± 10 ГПа) АС. Определен режим формирования при ФО аморфно-нанокристаллического композита с твердостью, почти в два раза превышающей твердость исходного АС при сохранении пластичности.

DOI: 10.7868/S0002337X1503001X

ВВЕДЕНИЕ

Кристаллизация металлических аморфных сплавов (АС) — один из подходов к синтезу многофазных нанокристаллических металлических материалов с относительно высокой твердостью [1]. В подавляющем большинстве исследований кристаллизации АС используют традиционную термическую обработку (ТО). В то же время в ряде работ показана эффективность кратковременной (от долей до единиц секунды) фотонной обработки (ФО) АС широкополосным излучением мощных газоразрядных ламп [2—5]. Эффект быстрой ФО в активации твердофазных процессов проявляется в ускорении синтеза, снижении температурных порогов образования фаз, более высокой дисперсности синтезируемых фаз, обусловленной большей скоростью их зарождения [6, 7]. Эффект собственно фотонной активации процесса перестройки структуры АС как результат фотонного возбуждения электронной подсистемы атомов материала обсуждается в работах [5, 6] в связи с наблюдаемым, почти двукратным, увеличением модуля упругости и соответствующим упрочнением образцов в результате малодозной ФО АС системы Ре—Мо—№, при которой методом рентгеновской дифрактометрии еще не регистрируется образование кристаллических фаз.

Цель настоящего исследования — сопоставление твердости сплава Ре78Р20812 с аморфной структурой и со структурой, формирующейся на разных стадиях кристаллизации. Поскольку в

процессе измерения твердости действие сосредоточенной нагрузки может приводить к кристаллизации АС в зоне индентора [8] даже в процессе наноиндентирования [9, 10], мы исходили из того, что корректная оценка твердости собственно АС возможна только при величинах нагрузки, не приводящих к кристаллизации образца.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Аморфный сплав состава (F©^, P20, Si2 ат. %) был получен методом закалки из жидкого состояния в виде лент шириной 3 мм и толщиной = 40 мкм. Кристаллизацию АС проводили посредством ТО или быстрой ФО в вакууме 10-3 Па излучением импульсных ксеноновых ламп (X = 0.2—1.2 мкм) при дозах энергии поступающего на образец излучения D = 5, 10, 15, 20 и 40 Дж/см2 (соответствующее этим дозам время обработки — 0.25, 0.5, 0.75, 1 и 2 с) на установке УОЛ.П-1М. ТО проводили в вакууме 10-3 Па в камере Anton Paar HTK-1200N в режиме, представленном диаграммой на рис. 1: скорость нагрева составляла 25 К/мин, образец выдерживали в каждой точке в течение 3.5 ч (время съемки дифрактограммы); после обработки при максимальной температуре образец медленно охлаждался до комнатной температуры.

Фазовые превращения в сплаве в результате ФО и непосредственно в процессе ТО исследовали методом рентгеновской дифрактометрии на приборе ARL X'TRA в геометрии параллельного

T, К 750

650 550 450 3504250

0 200 400 600 800 1000 1200 т, мин

Рис. 1. Режим проведения ТО.

пучка (оптическая схема: параболическое зеркало—тонкопленочный коллиматор). Съемку производили в режиме 9—9, при этом образцы помещали на кремниевые подложки с "нулевым фоном". В качестве источника использовали рентгеновскую трубку с медным анодом (СпХа), а дискриминацию неупруго рассеянного излучения осуществляли полупроводниковым энергодисперсионным детектором с разрешением 250 эВ с охладителем на элементах Пельтье.

Средний размер областей когерентного рассеяния (ОКР) определяли по методу Селякова— Шеррера, в качестве инструментального стандарта использовали образец SRM №8Т 1976а. Степень кристалличности сплава рассчитывали по методу Хуанга [11] из следующего соотношения:

т

V =

1СГ + <xlam

где Icr и Iam — интегральные интенсивности отражений от кристаллической и аморфной фаз соответственно, а — некая константа (параметр Хуанга), которая для сплавов на основе железа близка к единице [12]. Расчет выполнялся в программе "Crystallinity", входящей в состав программного комплекса WinXRD-2.05 (Thermo Scientific).

Механические свойства исследовали методом динамического наноиндентирования на приборе NanoHardnessTester фирмы CSM Instruments. При наноиндентировании использовали линейный режим нагружения и разгрузки индентора; скорость нагружения составляла 0.02 Н/мин, выдержка при максимальной нагрузке 1 с, скорость разгрузки 0.03 Н/мин. Индентирование проводили с максимальной нагрузкой на индентор (P) 15 и 30 мН. Согласно международному стандарту ISO 14577-4, для корректного определения твердости минимальная глубина проникновения индентора Берковича в материал должна превышать 5% от величины средней шероховатости поверх-

ности (Sa) на площади, близкой к площади отпечатка. Исследование морфологии поверхности и оценку Sa по результатам программной обработки сканов поверхности образцов проводили на сканирующем зондовом микроскопе Solver P47. Для площади сканирования 2 х 2 мкм2 усредненная величина Sa составила 4.7 нм для исходного сплава и 10.7 нм для сплава после ФО; для площади сканирования 3 х 3 мкм2 усредненная по результатам серии измерений величина Sa составила 12.1 нм для исходного сплава и 17.6 нм для сплава после ФО. Указанные размеры площади сканирования соответствуют размерам отпечатков при индентировании с максимальной нагрузкой на индентор 15 и 30 мН. При P = 15 мН глубина проникновения индентора была не менее 300 и 270 нм для исходных сплавов и сплавов после ФО соответственно; при P = 30 мН глубина проникновения индентора была не менее 520 и 400 нм для исходных сплавов и сплавов после ФО соответственно, что обеспечивало корректность измерения твердости при данных величинах нагрузки. Твердость по Мейру и модуль Юнга образцов определяли по методу Оливера и Фарра [13]. Для каждой нагрузки средние значения определяли по результатам не менее десяти измерений.

Оценку твердости аморфного сплава проводили с учетом контроля его структуры методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и дифракции электронов на cross-section-образ-цах, включающих зону наноиндентирования, которые были приготовлены на установке Quanta 3D.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Структурные превращения при ТО и ФО. На

рис. 2 приведены рентгеновские дифрактограммы, характеризующие последовательность фазовых превращений в процессе ТО сплава. Характерное диффузное гало в диапазоне углов 29 = 36°—54° свидетельствует об исходной аморфной структуре сплава. В режиме 470 K начинают проявляться рефлексы, соответствующие кристаллическим фазам, причем кристаллизация начинается не с основного компонента, а с образования фазы Fe3P, что соответствует диаграмме состояния системы Fe—P [14].

При увеличении температуры отжига до 570 К фазовый состав дополняется нанокристаллами Fe2P и, возможно, a-Fe(P,Si) при сохранении аморфной фазы (~ 20%). В связи с тем, что положения рефлексов 420 Fe3P и 110 твердого раствора на основе Fe практически совпадают, вывод о наличии последнего сделан по результату анализа профиля данного рефлекса. Средний размер ОКР основной кристаллической фазы составлял около 35 нм. При 770 К средний размер ОКР составил

335

1

4 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 29, град

Рис. 2. Дифрактограммы, характеризующие фазовый состав сплава в соответствие с режимом ТО (рис. 1): исходный образец (1), Т = 370 (2), 470 (3), 570 (4), 670 (5), 770 К (б).

2

3

32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 29, град

Рис. 3. Дифрактограммы сплава Fe78P2oSi2 после ФО с Е = 10 (1), 20 (2) и 40 Дж/см2 (3).

АКТИВИРУЕМАЯ ФОТОННОЙ ОБРАБОТКОЙ НАНОКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

около 55 нм, а доля аморфной матрицы уменьшалась до на ~6 %.

При ФО в диапазоне Б = 5—15 Дж/см2 сохранялась в основном аморфная структура. При 10 Дж/см2 (дифрактограмма 1 на рис. 3) предельно слабыми рефлексами на фоне гало проявляется начало кристаллизации сплава — зарождение нанокри-сталлической фазы Бе3Р. При 15 Дж/см2 дифрак-тограмма аналогична дифрактограмме образца, подвергнутого ТО (470 К). При 20 Дж/см2 доля и число кристаллических фаз существенно увеличиваются: на дифрактограмме помимо отражений основной фазы (Бе3Р) слабо проявляются рефлексы фаз Бе2Р и а-Бе(Р,81) при сохранении =30% аморфной фазы (дифрактограмма 2 на рис. 3). Средний размер ОКР основной фазы (Бе3Р) составлял 75 нм. При увеличении Б до 40 Дж/см2 новые кристаллические фазы не образуются: при среднем размере ОКР =90 нм доля аморфной фазы составляет около 10%. Следует отметить, что с увеличением Б происходит смещение рефлексов в сторону увеличения параметра кристаллической решетки, что можно объяснить увеличением содержания фосфора.

Согласно анализу дифрактограмм на рис. 2 и 3, доля аморфной фазы одного порядка величины для 670 К (ТО) и 40 Дж/см2 (ФО), что свидетельствует об ускорении процесса кристаллизации: во втором случае время обработки меньше на четыре порядка величины. Формирование текстуры (112 Fe3P при ТО — следствие более длительного процесса обработки.

Возможные механизмы ускорения кристаллизации АС при фотонной активации процесса об-

суждались в работах [3, 7]. Наличие в спектре излучения ксеноновых л

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»