ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 9, с. 1288-1293
УДК 669.018.225.11
ВЯЗКОХРУПКИЙ ПЕРЕХОД И ТЕМПЕРАТУРНО-ВРЕМЕННАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ © 2015 г. А. М. Глезер1, 2, Е. Н. Блинова2, И. Е. Пермякова2, А. О. Черетаева2
E-mail: a.glezer@mail.ru
Рассмотрено явление вязкохрупкого перехода в аморфных сплавах на основе железа. На его основе разработан критерий механической деградации (охрупчивания) в климатическом интервале температур. Установлены временные интервалы стабильности ряда многокомпонентных аморфных сплавов на основе железа типа "металл—неметалл", полученных закалкой из расплава. Проведено сравнение предложенного критерия температурно-временной стабильности с ранее независимо разработанным критерием, который базируется на измерении эволюции релаксационных спектров тепловыделения.
DOI: 10.7868/S0367676515090069
ВВЕДЕНИЕ
Проблема устойчивости аморфного и накокри-сталлического состояний твердого тела и соответственно его физико-механических свойств — одна из актуальных проблем современного материаловедения [1]. Хорошо известно, что при термических и других дестабилизирующих воздействиях в аморфных, нанокристаллических и двухфазных аморфно-нанокристаллических сплавах на основе железа, никеля и кобальта, закаленных из жидкого состояния, происходит вязко-хрупкий переход, следствием которого является резкое охрупчива-ние. Представляет безусловный интерес установление физически обоснованного критерия оценки температурно-временных параметров сохранения аморфными сплавами достаточной пластичности, особенно в климатическом интервале температур. По нашему мнению, это актуально по следующим причинам. Во-первых, переход аморфных сплавов в хрупкое состояние имеет релаксационную природу и сопровождается заметным, часто негативным изменением многих уникальных свойств аморфных сплавов [2]. Во-вторых, установление физического ресурса пластичности при дестабилизирующих воздействиях позволит целенаправленно воздействовать на аморфное состояние с тем, чтобы затормозить и, возможно, полностью исключить вязко-хрупкий переход как нежелательное явление.
Ранее проведенные исследования показали, что практически все аморфные сплавы полно-
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Москва.
2 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина", Москва.
стью или частично становятся хрупкими при комнатной температуре по достижении определенной температуры предварительного отжига Тх в пределах устойчивости аморфного состояния. Как правило, значение Тх всегда чуть ниже значения температуры стеклования Т&, что, безусловно, указывает на релаксационную природу вязко-хрупкого перехода [2]. Мы также сочли возможным назвать это явление отпускной хрупкостью аморфных сплавов по аналогии с явлением необратимой отпускной хрупкости, которое наблюдается в кристаллических сталях [3]. Именно отпускная хрупкость в значительной мере существенно ограничивает температурный интервал практического использования и/или реализации необходимых режимов термической обработки промышленных сплавов, полученных закалкой из жидкого состояния. Например, для аморфных сплавов на основе железа с уникальными магнитными свойствами температурный интервал предварительных термических воздействий должен охватывать область температур, заметно превышающих пороговое значение резкого охрупчивания [4].
Типичная сериальная кривая вязко-хрупкого перехода, полученная нами в результате механических испытаний на изгиб при комнатной температуре для аморфного сплава Ре75Сг10Б15, прошедшего изохронный отжиг при различных температурах, показана на рис. 1. Катастрофический переход в хрупкое состояние, как видно на рис. 1, осуществляется в очень узком интервале температур отжига, где значения параметра е^ (пластичность при испытании на изгиб [5]) изменяется от максимального значения, равного единице, практически до нуля. Точное значение Тх определяется, как правило, значением температуры отжига Тотж, при котором происходит двукратное снижение е^
Прецизионные измерения показали, что пластичность аморфных сплавов после столь резкого скачка остается хотя и низкой, но ненулевой, и существует вторая стадия вязко-хрупкого перехода при более высокой температуре предварительного отжига (рис. 1). В дальнейшем за температуру отпускной хрупкости мы, тем не менее, будем принимать значение Тх, при которой происходит заметно более существенное снижение пластичности.
В литературе предложен лишь один способ оценки температурно-временной стабильности сильно неравновесных аморфных сплавов с использованием диаграмм термовременной стабильности [6]. К сожалению, этот метод корректен только в области относительно высоких температур, близких к температуре стеклования Т&, при относительно малых временных интервалах. По этой причине его нельзя применять для прогнозирования деградации механических и физических свойств в климатическом (ниже 400 К) интервале температур отжига при очень длительных (месяцы и, возможно, даже годы) временах воздействий. Это связано, в первую очередь, с тем обстоятельством, что определение температурно-временных параметров вязко-хрупкого перехода в низкотемпературной (климатической) области температур отжига в реальном эксперименте может потребовать не только сотни, но и тысячи часов.
Как было упомянуто выше, основным параметром, характеризующим вязко-хрупкое поведения аморфных сплавов при термических воздействиях, является температура отпускной хрупкости Тх. Представляется вполне логичным попытаться применить эту характеристику для прогнозирования вязко-хрупкого перехода при низкотемпературной релаксации в климатическом интервале температур при длительных воздействиях. В связи с этим цель данного исследования состояла в создании физически обоснованного метода оценки временной стабильности механических свойств аморфных сплавов до момента наступления их перехода в хрупкое состояние в климатическом (до 400 К) интервале температур.
10
10-2
10-3 0
1 111
ЛТ
523 573
623
673
723
773 Т, К
Рис. 1. Зависимость относительной деформации до разрушения от температуры изохронных отжигов (т = 1 ч) для аморфного сплава Ре^СгщВ^.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Все эксперименты проводились на ряде многокомпонентных аморфных сплавов типа "переходный металл—неметалл", полученных в виде лент толщиной 25—35 мкм и шириной 5—10 мм методом закалки из расплава на воздухе методом спиннингования расплава [1]. Химический состав и основные характеристики сплавов приведены в табл. 1. Первые три сплава относятся к конструкционным и отличаются содержанием атомов — неметаллов (бора и фосфора). Сплав 3 содержит также небольшое количество алюминия (1 ат. %), положительно влияющего на качество поверхности ленточных образцов аморфных сплавов с высоким содержанием фосфора. Сплавы 4 и 5 близки по составу к промышленным магнитно-мягким сплавам. Значения температуры кристаллизации ТК определялись методом ДТА при скорости непрерывного нагрева 30 град/мин, а значения температуры вязко-хрупкого перехода 1х — построением зависимостей = ДТотж), аналогичных представленной на рис. 1 и отвечающих верхней границе диаграммы термовременной стабильности, т.е. хрупкому разрушению всех образцов выборки после изохронных отжигов в течение 1 ча-
1
Таблица 1. Химический состав и основные характеристики изученных аморфных сплавов
Обозначение Химический состав, ат. % Тк, К Тх, К к, град ■ ч 1
1 Ре70Сг15В15 788 593 12.0
2 Ре7еСг15Р7В8 808 493 7.7
3 ре70Сг15Р12В2А11 818 473 7.0
4 Fe76Ni2Si9Blз 823 553 10.5
5 ре46 С°32^9В13 793 573 10.0
И, А
Рис. 2. Концентрационные профили в приповерхностной зоне ленты сплава 3 в исходном состоянии после закалки из расплава (а) и после вылеживания на воздухе при комнатной температуре в течение 5000 ч (б); свободная поверхность.
са. Физический смысл величины к будет понятен из дальнейшего рассмотрения.
Часть образцов каждого из пяти аморфных сплавов после закалки из расплава подвергалась вылеживанию при комнатной температуре в течение длительного времени (до 8000 часов). Другая часть образцов отжигалась в вакууме при температурах 333, 393 и 453 К в течение 1, 5, 10 и 100 часов в распрямленном состоянии, а также навиты-
ми на сердечник диаметром 1.5 и 10 мм. Механические испытания ленточных образцов после термических и временных обработок проводились при комнатной температуре путем одноосного растяжения и изгиба по методикам. подробно описанным в работах [2, 5].
Контроль за возможным изменением химического состава приповерхностных областей ленточных образцов в процессе термической обработки и вылеживания осуществлялся методом оже-спектроскопии (микроскоп JAMP-1000).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 в качестве примера показаны концентрационные профили различных эоементов по мере проникновения от поверхности в глубину ленточных образцов сплава 3 в свежезакаленном состоянии (а) и после вылеживания при комнатной температуре в течение 5000 часов. Анализ концентрационных профилей для различных элементов по глубине ленточных образцов после закалки из расплава, длительного вылеживания при комнатной температуре и после различных режимов термической обработки показал (рис. 1), что возможное изменение механических свойств, включая вязкохрупкий переход, никак не может быть связано с окислением или каким-либо иным локальным изменением химического состава поверхности образцов. Аналогичные результаты получены для всех изученных аморфных сплавов. Следует лишь отметить, что легирование фосфором сплава Бе70Сг15Б15 вызывает незначительное науглероживание поверхностных слоев и обеднение их железом.
Во всех сплавах, содержащих бор, он окислен до глубины не более 10 А как в свежезакаленном, так и после длительной выдержки при комнатной температуре. При наличии в сплаве фосфора на поверхности лент всегда присутствует сера до глубины около 12 А.
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.