ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 10, с. 1507-1511
УДК 548.5
ФРАКТАЛИЗАЦИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ АМОРФНОГО СПЛАВА
КАК ПРИЗНАК РАЗРЫВА
© 2009 г. В. И. Бетехтин, В. Л. Гиляров, А. Г. Кадомцев, В. Е. Корсуков,
М. М. Корсукова, Б. А. Обидов
Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург E-mail: vjacheslav.korsukov@mail.iojfe.ru
Фольги аморфного сплава Fe77Ni1Si9B13 одноосно растягивали вплоть до разрыва. Методами сканирующей туннельной, атомной силовой, электронной и оптической микроскопии исследовали рельефы поверхности нагружаемых фольг и их поверхности разрыва. С помощью методов вейвлет-преобразований и покрытия поверхности системой кубиков показано, что перед разрывом поверхности фольг в области будущего разрыва стремятся к монофрактальности, а поверхность разрыва наследует эту фрактальность.
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в изучении механизмов деформации и разрушения материалов, в частности металлов, достигнутый в последнее время, во многих отношениях связан с осознанием того факта, что это в большой степени статистическая проблема. При этом заметная роль отводится изучению дефекто-образования в приповерхностных слоях. В [1—5] авторы предложили рассматривать деформируемое твердое тело как самоорганизующуюся критическую систему с фрактальными свойствами. Этот подход был экспериментально подтвержден в [6—12]. В [6] зафиксирован фазовый переход порядок — беспорядок на поверхности Р1 (111) при деформировании и разрыве образца. В [7] изучали трансформацию фрактальных характеристик поверхности аморфного сплава (АС) при его деформировании. В [8—11] изучали эволюцию поверхностного профиля образцов при пластической деформации меди и алюминия. Авторы этих работ наблюдали изменения во фрактальной топологии дислокационной структуры и пришли к выводу о том, что деформация металла ведет к формированию самоподобия в ансамбле дислокаций.
Упомянутые здесь и многие другие работы были выполнены в основном на кристаллических металлах, где микромеханический процесс в деформированных областях почти полностью определяется дислокационной структурой материала. Интересно было проверить описанный выше подход на материалах, где нет классических дислокаций, например АС.
Известно, что при растяжении лент аморфных сплавов изменяются фрактальные характеристики их поверхности. Поверхности разрыва метал-
лов (в том числе АС) также фрактальны [13—15]. Мы предполагаем, что фрактальность поверхности разрыва "закладывается" на боковой поверхности в области, где в дальнейшем сформируется магистральная трещина. Цель настоящей работы — проверка этого предположения.
1. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
1.1. Приготовление образцов В работе изучали АС Fe77Ni1Si9B13 (промышленная марка 2НСР), полученный путем сверхбыстрой закалки из жидкой фазы методом одно-валкового спинингования [16]. Сплав представлял собой ленту толщиной 20 мкм, из которой вырезали образцы длиной 20 мм, шириной 3—5 мм. Поверхность образцов промывали ацетоном и изопропиловым спиртом и высушивали в потоке сухого азота. Механическое напряжение при растяжении прикладывали вдоль направления спи-нингования. В основном исследовали неконтактную сторону фольги. Выбор неконтактной стороны ленты как объекта исследования объясняется тем, что эта сторона менее прочная, и на ней ожидалось зарождение разрушения ленты АС [17]. После разрыва образца исследовали образовавшуюся поверхность.
1.2. Методы исследования
Рельеф исходной поверхности исследовали методами атомной силовой и сканирующей туннельной микроскопии (АСМ и СТМ). Изучение рельефа поверхности при одноосном растяжении лент производили in situ методом СТМ. Диапазон напряжений составлял величину 0—3 ГПа. Образовавшиеся поверхности разрыва исследовали
1508
БЕТЕХТИН и др.
мкм
мкм 1.0
0.5
0
Рис. 1. Влияние растяжения на рельеф поверхности АС. Ненагруженные поверхности — а—в. Нагруженные поверхности — г—е. Механические напряжения (а), ГПа: г — 1,7, д — 1.2, е — 2.3.
методами СТМ, АСМ оптической и сканирующей электронной микроскопии (ОМ, СЭМ). Дополнительно для аттестации химического состава и структуры поверхности образцов применялась электронная оже-спектроскопия (ЭОС), трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) и электронная дифракция (ЭД). При обработке изображений поверхности использовали методы вейвлет-преобразований и покрытий [7, 14, 18].
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Поверхности ненагруженных фольг Характерные нано- и микрорельефы поверхности фольги, полученные методами АСМ и СТМ, приведены на рис. 1 и 2. Упомянутые рельефы, топограммы, сняты для областей поверхности фольги в разных масштабах. На рис. 1 (а—в) помещены топограммы участков поверхности,
полученные от ненагруженных фольг. Видно, что рельефы различны: есть сравнительно гладкие участки, есть шероховатые, содержащие элементы рельефа разного масштаба. Такие поверхности характеризуются как мультифрактальные. Статистический анализ рельефа, проведенный нами методами вейвлет-преобразований и покрытий, показал, что это действительно так. Для нас интересно отметить, что на рис. 1а изображен участок поверхности фольги, по которому при нагруже-нии образца в будущем пройдет магистральная трещина.
2.2. Нагруженные поверхности
На рис. 1 (г—е) показаны СТМ топограммы участков нагруженной поверхности, записанные in situ. Эти участки составляют часть поверхности, показанной на рис. 1а. Видно, что рельефы раз-
@@@+!>>>P7777
ФРАКТАЛИЗАЦИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ АМОРФНОГО СПЛАВА - ПРИЗНАК РАЗРЫВА
1509
личны. На рис. 1г изображена монофрактальная поверхность с размерностью Б = 2.4. Эта поверхность непосредственно предшествует мульти-фрактальной поверхности, изображенной на рис. 1е. Похожая монофрактальная поверхность предшествует мультифрактальной поверхности, помещенной на рис. 1д, на котором видны выходы на поверхность полос деформирования, а на рис. 1е видна поверхностная трещина, при этом остальные части поверхности гладкие. Средняя фрактальная размерность этих поверхностей, определенная по методу покрытий из коэффициента Херста, составляет величину примерно Б = = 2.1. При увеличении нагрузки перед разрывом образца поверхность снова монофрактализуется с характерной размерностью Б = 2.3-2.5. Следует отметить, что мультифрактальные поверхности удобнее характеризовать с помощью метода вей-влет преобразований.
На рис. 2 показаны зависимости максимума показателя Гельдера к и полуширины спектра сингулярностей Г от величины приложенного напряжения а. Видно, что зависимости величин параметров к и Г от приложенного напряжения немонотонны. Это отражает переход от моно к мультифрактальным поверхностям и наоборот. Возрастание показателя к при неизменности параметра Г означает уменьшение фрактальной размерности поверхности, а при увеличении Г свидетельствует о переходе поверхности в муль-тифрактальное состояние. Это происходит при образовании глубоких "долин" (полосы деформации или поверхностные трещины), рядом с которыми поверхность разглаживается (рис. 1д, е) [14]. Уменьшение параметра к при уменьшении параметра Г означает переход от мульти- к монофрактальной поверхности с увеличением ее размерности (рис. 1г). Это предшествует "критическому" событию - появлению глубокой «долины» на поверхности или образованию магистральной трещины, предшествующей разрыву образца.
2.3. Поверхности разрыва
На рис. 3 показаны изображения поверхности разрыва, образовавшейся после прохождения магистральной трещины, полученные методами ОМ и РЭМ. Видно, что в оптическом диапазоне можно различать гладкий, начальный участок распространения трещины (рис. 3а) и шероховатый, средний участок (рис. 3б). Видно, что по мере продвижения магистральной трещины рельеф образуемой поверхности в оптическом диапазоне измерений становится более грубым. Это явление хорошо известно [16], однако фрактальность отдельных частей поверхности разрыва ранее не исследовали. С увеличением латерального разреше-
к, Г, усл. ед.
ст, ГПа
Рис. 2. Зависимость показателя Гельдера (к) и полуширины спектра сингулярности (Г) от величины напряжения (ст) при растяжении образца.
Рис. 3. ОМ — а, б и СЭМ — в, г изображения участков поверхности разрыва: а, в — начальный участок роста магистральной трещины; б, г — средний участок. Стрелка показывает направление распространения трещины.
ния (рис. 3в, г) — метод СЭМ — различие между начальным и средним участками становится не столь заметным, т.е. на микро- и наноуровнях поверхность разрыва шероховатая. Количественно измерить эти шероховатости позволяет фрактальный анализ.
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
С целью извлечения количественных характеристик шероховатости нами были получены методом СТМ топограммы в разных масштабах различных участков поверхности — это топограммы как на оптически гладком, начальном участке
1510
БЕТЕХТИН и др.
б
D =
нм 10
1000 нм
нм 8
D = 2.5
1000 нм
35 нм
10
нм
D = 2.4
нм 25
1000 нм
D = 2.5
1000 нм
нм 16
35 нм
35
нм
Рис. 4. СТМ-топограммы разных участков поверхности разрыва: а, б — начальный участок, в, г — средний участок. Б — фрактальная размерность, полученная методом покрытий. Стрелка показывает направление распространения трещины.
распространения трещины (рис. 4а, б), так и на среднем оптически шероховатом участке (рис. 4в, г). Видно, что на поверхности располагаются хребты и долины различных размеров с характерными расстояниями между хребтами 100—200, 10—15, 2—4 нм. Рельефы поверхностей, измеренные в на-нометровом диапазоне, качественно похожи. На СЭМ-изображениях поверхности также наблюдается характерная ребристость, качественно похожая на систему долин и хребтов, измеренную методом СТМ. Интересно отметить, что наибольшие расстояния между хребтами (100— 200 нм), измеренные методами СТМ и СЭМ, совпадают и коррелируют с размерами микро-пор в АС [14, 17].
Фрактальный анализ показал, что поверхности разрыва, представленные на рис. 4, близки к монофрактальным, фрактальная размерность Б лежит в пределах 2.4—2.6. Это совпадает с фрактальной размерностью поверхности фольги до
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.