УДК 669.018.237.86
ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ АМОРФНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОИСТОГО КОМПОЗИТА Ti50Ni25Cu25 ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ КРУЧЕНИЯ В КАМЕРЕ БРИДЖМЕНА
© 2015 г. Р. В. Сундеев1, 2, А. В. Шалимова1, Е. А. Печина3, А. М. Глезер1, 2, 4, Г. И. Носова1, Н. Н. Ситников5, 6
E-mail: sundeev55@yandex.ru
Методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии изучены особенности структурно-фазовых превращений в процессе деформации кручением под высоким давлением слоистого аморфно-кристаллического композита Ti50Ni25Cu25, с соотношением толщины слоев аморфной и кристаллической фаз соответственно 3 : 1. Приложенное давление варьировали от 2 до 8 ГПа. Установлено, что эволюция структуры слоистого композита Ti50Ni25Cu25 происходит по-разному в разных частях материала.
DOI: 10.7868/S0367676515090227
Металлические аморфно-кристаллические сплавы представляют собой новый перспективный класс материалов с уникальными физико-механическими свойствами. В ряде случаев они не только наследуют в определенной пропорции свойства аморфных и кристаллических или нанокристаллических структурных составляющих, но и проявляют синергетический эффект, т.е. обнаруживают качественно новые характеристики [1]. Чтобы понять природу этого явления, необходимо, на наш взгляд, получить детальную информацию о поведении по отдельности аморфной и кристаллической фаз при определенных внешних воздействиях, а затем сравнить их с поведением в аналогичных условиях аморфно-нано-кристаллического композита.
Известно [2, 3], что наноструктурированный аморфно-кристаллический композит 1150№25Си25 может быть получен в процессе закалки из рас-
1 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии имени И.П. Бардина", Москва.
2 Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники, Москва.
3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт Уральского отделения Российской Академии наук, Ижевск.
4 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Москва.
5 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва.
6 Государственный научный центр Российской Федерации федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша", Москва.
плава методом спиннингования при варьировании эффективной скорости охлаждения. Ранее мы исследовали структурные и фазовые превращения этого сплава в процессе деформации кручением в камере Бриджмена в исходно аморфном и в исходно кристаллическом состояниях [4].
При деформировании в камере Бриджмена материал испытывает совместное действие высокого давления и сдвига. Такая мегапластическая (интенсивная) деформация приводит к значительному повышению плотности дефектов, изменяется фазовое состояние вещества вследствие возникновения и протекания различных фазовых переходов, невозможных при атмосферном давлении. Естественно, что откликом на такое воздействие является изменение структуры и, следовательно, физических свойства материала.
Цель данной работы — детально изучить изменения структуры и фазового состава слоистого аморфно—кристаллического композита 1150№25Си25 под воздействием различных условий деформации в камере Бриджмена и на основании этого зафиксировать возможные различия в эволюции структуры и в деформационном поведении, с одной стороны, в аморфном и кристаллическом сплавах и, с другой стороны, в композите на их основе.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ
В работе исследовался аморфно-кристаллический сплав 1150№25Си25, изготовленный (в МИФИ) методом закалки из расплава со скоростью охлаждения около 105 К • с-1. Лента толщиной 47 мкм, шириной 8 мм содержала слой поверхностной кристаллизации около 12 мкм со свободной (неконтактной с диском-холодильником) поверхно-
7
1305
Рис. 1. Структура поперечного сечения слоистого композита Т15о№25Си25.
сти. Толщина кристаллического слоя определялась двумя независимыми способами: по изменению вида рентгеновского спектра от кристаллического к рентгеноаморфному при утонении образца со стороны поверхностной кристаллизации и по измерению поперечного сечения кристаллической составляющей ленты (рис. 1), приготовленного на оборудовании для металлографических исследований фирмы ВиеЫег [3]. Текстура поверхностной кристаллизации выбранного материала определялась кристаллографическим направлением [202] В19-фазы. Остальной объем образца находился в аморфном состоянии. Таким образом, выбранный материал можно определить как слоистый композит с соотношением толщины слоев аморфной и кристаллической фаз соответственно 3 : 1.
Кручение под высоким давлением (КВД) проводили (в ФТИ УрО РАН) на установке типа "СКРУДЖ 60М", на базе гидравлического пресса ДГ2434, адаптированного для непрерывной фиксации момента кручения [5]. Образцы деформировали кручением под давлением Р = 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 ГПа. Скорость вращения подвижной наковальни составляла 0.66 об • мин-1. Число полных оборотов подвижной наковальни п варьировалось в пределах: 0, %, 1А, 1, 2, 4, 6, 7, 8 и 9. В качестве параметра, характеризующего величину деформации кручением, использовали число полных оборотов подвижной наковальни п вместо величины истинной деформации е, что более корректно в подобных экспериментах [6]. Время выдержки под давлением без кручения (п = 0) было тождественно времени одного оборота. В ходе деформации производилась непрерывная запись изменения момента кручения М(п). После снятия нагрузки получали рентгеновские спектры (РС) в излучении Со^ с использованием графитового монохроматора на дифрагированном пучке. Съемка велась по методу Брегга-Брентано в пошаговом режиме. Обработку рентгеновских спектров проводили по методике, разработанной в МИСиС [7]. Кроме стандартных характеристик определяли
М, Нм
80 г 600
70 " 500
60 -
50 _ 400
40 - 300
30 " 200
20 -
10 _ 100
0 -
ст, МПа
7 ГПа 6 ГПа
0
2
4
6
8
Рис. 2. Зависимость М(п) и ст(я) аморфно-кристаллического композита Т150№25Си25 при различных значениях Р.
объемную долю кристаллической фазы Vкр. Проводили также структурные исследования методом просвечивающей электронной микроскопии при ускоряющим напряжении 160 и 200 кВ. Образцы для электронной микроскопии готовились с помощью, электрохимической полировки и последующей очисткой поверхности ионным пучком.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ кривых момента кручения
В деформационном эксперименте, проведенном при комнатной температуре, фиксировались зависимости М(п) при разных значениях Р для аморфно-кристаллических ленточных образцов Т150№25Си25. Далее был проведен пересчет величины М(п) в напряжения сдвига ст(я) по формуле (1) [8, 9] с учетом поправок на геометрию установки, что позволяет получить картину изменения величины среднего напряжения сдвига в испытуемом материале в ходе деформации в наковальнях Бри-джмена (рис. 2).
M = (2я/3)аг3, (1)
где а — напряжение сдвига, г — радиус рабочей площадки камеры Бриджмена.
На рис. 2 приведены кривые а(п) не только для исследуемого композита, но и для кристаллического образца Т150№25Си25, испытанного при Р=4 ГПа. Данные по кристаллическому образцу взяты из [10].
Все приведенные кривые имеют приблизительно одинаковую форму: после резкого линейного подъема величины а^), связанного с приложением квазигидростатического давления и небольшого подъема, практически для всех кривых, соответствующего п = 1/4, происходит плавное
п
Приложенное Стадия 1 Стадия 2
давление Р, ГПа (п < 4) (п > 4)
2 28.23 9.42
3 29.29 10.47
4 19.18 9.06
6 18.24 5.54
8 17.39 5.49
ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ СЛОИСТОГО КОМПОЗИТА Т150№25Си25 1307
уменьшение ст(п). Если сравнивать вид представ- Таблица 1. Величина для кривых напряжений сдвига ленных зависимостей ст(п) с имеющими в литературе данными, полученными в ходе аналогичной деформации [10—13] на однофазных поликристаллических материалах, не испытывающих фазовых превращений, можно отметить качественные различия. Кривые для этих материалов также содержат стадии резкого подъема, после перегиба следует установившаяся стадия (насыщение). В нашем случае отсутствует стадия установившегося изменения крутящего момента. При всех величинах приложенного давления после подъема кривой значение М(п) и ст(п) уменьшается с более или менее выраженной цикличностью вплоть до окончания процесса деформирования.
При сравнении кривых ст(п) для композита и кристаллического материала выявлены следующие особенности: 1) уровень значений ст(п) в случае композита заметно выше, чем для кристаллического образца при одном и том же значении приложенных давлений (Р = 4 ГПа); 2) форма кривых после деформации практически подобны. Различия в уровне напряжений, по-видимому, связаны с тем обстоятельством, что три четверти объема материала составляет высокопрочная аморфная фаза, значение ств которой практически в 2 раза выше, чем у кристаллической фазы того же состава [14]. Кроме того, в структуре присутствует межфазная граница "аморфное/кристаллическое состояние" [3]. Следовательно, сопротивление слоистого композита Т150№25Си25 комплексной деформации (совместному действию высокого давления и кручения) выше, чем у кристаллического материала того же состава. Отсутствие стадии насыщения, по-видимому, связано с непрерывными структурно-фазовыми превращениями, характерными для этого сплава при деформировании в камере Бриджмена [4].
Вид зависимостей ст(п) (рис. 2) указывает на тот факт, что в каждый момент времени, начиная с п = 1/4, для поддержания процесса деформирования материала требуется прилагать все меньшую величину напряжений сдвига. Следует отметить, что скорость изменения уровня напряжения сдвига неодинакова вдоль кривой ст(п). Видно, что отрицательный наклон кривой изменяется в районе, приблизительно соответствующем деформации п = 4. В связи с этим для удоб
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.