ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 12, с. 1745-1750
УДК 620.178.15:539.52
СТРУКТУРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ НАНОЧАСТИЦЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ
© 2007 г. А. М. Глезер, С. Е. Манаенков, И. Е. Пермякова
Институт металловедения и физики металлов им. Г.В. Курдюмова ГИЦ "ЦИИИчермет им. И.П. Бардина", Москва E-mail: glezer@imph.msk.ru
Впервые экспериментально в ходе структурных исследований изучены картины пластической деформации аморфно-нанокристаллических композитов, обусловленной локальным воздействием индентора на тонкую фольгу, заранее подготовленную для электронно-микроскопического анализа. Дана классификация наблюдаемых вариантов поведения полос сдвига с кристаллическими нано-частицами, которая хорошо согласуется с теоретически предсказанными механизмами их взаимодействия.
Аморфно-нанокристаллические сплавы представляют собой новый класс материалов, обладающих, благодаря особому структурному состоянию, уникальным комплексом физико-механических свойств [1]. Необычность подобных сплавов состоит, в первую очередь, в том, что структурные (фазовые) составляющие системы кардинальным образом различаются по характеру своей атомной структуры. С одной стороны, кристаллическая составляющая с регулярным, в соответствии с закономерностями трансляционной симметрии, расположением атомов. С другой стороны, аморфная составляющая с почти неупорядоченным, статистическим расположением атомов в пространстве. Подобное "единство противоречивостей" приводит, очевидно, к ряду эффектов, сказывающихся, в частности, на механическом поведении этих материалов. Ситуация становится еще более драматичной, если кристаллическая фаза в аморфно-кристаллическом состоянии имеет нанокристалличе-ские масштабы (менее 100 нм).
Рассмотрим основные методы получения аморф-но-нанокристаллических композитов (АНК). Осуществление ранних стадий нанокристаллизации возможно в условиях резкого охлаждения расплава со скоростью, близкой к критической, при эффективном теплоотводе от кристаллизующейся системы. Контролируемый отжиг аморфного состояния способствует образованию в аморфной матрице новой четко сформированной структурной составляющей - нанокристаллической. При этом существуют определенные условия, при которых кристаллизация аморфного состояния будет осуществляться путем нанокристаллизации, т.е. путем образования в аморфной матрице нанокристаллов на продолжительном этапе кристаллизации [2]. Кроме того, в последнее время большой интерес проявляется
также к получению АНК с помощью так называемой "интенсивной" пластической деформации или импульсного лазерного воздействия на аморфное состояние [3-5].
Можно условно выделить два предельных случая формирования аморфно-нанокристалличе-ских структур.
Первый тип. Нанокристаллический материал с нанозернами, разделенными тонкими аморфными межкристаллитными прослойками.
Второй тип. Аморфный сплав с наночастица-ми (объемная доля не превышает 0.4-0.5), однородно распределенными в аморфной матрице.
Безусловно, актуальны и практически не изучены вопросы, связанные с механизмами пластической деформации и разрушения АНК, а также с закономерностями формирования их механических свойств. В работах А.М. Глезера и В.А. Позднякова [6, 7] теоретически и экспериментально были рассмотрены особенности механического поведения первого типа АНК. Был предложен принципиально новый механизм пластического течения: микропроскальзывание по межкристаллитным аморфным прослойкам. Далее этот механизм был распространен теми же авторами [8] на однофазные нанокристаллы, где деформация реализовалась по границам зерен, имеющих структуру, близкую к аморфной. Этот механизм был назван авторами механизмом зернограничного микропроскальзывания в нанокристаллах и получил позднее блестящее подтверждение в экспериментах по машинному моделированию [9].
В случае АНК второго типа наблюдается явный дефицит исследований механического поведения. Здесь следует упомянуть работу [7], в которой впервые электронно-микроскопически было уста-
1745
Рис. 1. Схема, поясняющая гомогенную (а) и негомогенную (•) пластическую деформацию образца.
новлено, что при относительно небольшой (менее 0.4-0.5) объемной доле нанокристаллической фазы пластическая деформация реализуется путем образования сильно локализованных полос сдвига в аморфной составляющей АНК. В [10] для аморфного и частично кристаллизованного сплава на основе Zr обнаружено влияние нанокристалли-зации на геометрические параметры полос сдвига: снижение средней длины и мощности (высоты ступенек), а также повышение плотности полос сдвига на поверхности образца, протестированного методом сканирующей электронной микроскопии. В [11] теоретически проанализированы возможные механизмы взаимодействия наночастиц с движущейся в аморфной матрице полосой сдвига, а в [12] нами обнаружен очень интересный эффект: аномальное возрастание вязкости разрушения на определенной стадии нанокристаллизации аморфных сплавов на основе железа и кобальта. Имеющихся в литературе сведений явно недостаточно, и требуется проведение систематических исследований картины реального скольжения в АНК в зависимости от их реальной структуры.
В связи с этим цель настоящей работы - экспериментальное электронно-микроскопическое изучение деформационного поведения АНК второго типа, полученных контролируемым отжигом исходно аморфных металлических сплавов, изготовленных с помощью закалки из расплава.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В качестве объектов исследования использовали аморфный сплав Fe58Ni25B 17, полученный методом закалки из расплава в виде ленты толщиной 25 мкм. Изохронно отожженные образцы (Тап = = 623-673 К в течение 1 ч в вакууме) подвергались микроиндентированию на микротвердомере ПМТ-3 для инициирования локальных полос сдвига. Структуру и фазовый состав изучали с помощью просвечивающей электронной микроскопии при ускоряющем напряжении 120 кВ. Тонкие фольги изготавли-
вали методом электролитической полировки при напряжении 24 В в растворе ортофосфорной кислоты и хромового ангидрида в количественной пропорции 100 г Сг03 + 430 мл Н3Р04. При изучении фазовых превращений использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии (калориметр "Rigaku 8230") со скоростью нагрева 20 К/мин. Определенная этим методом температура кристаллизации исследованного сплава Тс составила 723 К.
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННО-
МИКРОСКОПИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ПОЛОС СДВИГА В АМОРФНЫХ СПЛАВАХ
Пластическая деформация в аморфных сплавах может протекать по-разному: гомогенно или негомогенно [13]. При гомогенной пластической деформации каждый элемент твердого тела претерпевает пластическое формоизменение (рис. 1а), так что однородно нагруженный образец испытывает однородную деформацию. При негомогенной пластической деформации пластическое течение локализовано в тонких дискретных полосах сдвига, а остальной объем твердого тела остается неде-формированным (рис. 16).
Негомогенное течение происходит при низких температурах (Т < 0.8Тс) и высоких приложенных напряжениях (т > С/50). Оно, как правило, наблюдается при растяжении, сжатии, прокатке, волочении и других способах деформации ленточных, проволочных и массивных образцов аморфных сплавов. Негомогенное течение слабо реагирует на скорость активной деформации и демонстрирует практически полное отсутствие деформационного упрочнения.
Результирующая степень макроскопической деформации определяется числом полос сдвига, сформировавшихся в аморфной матрице при приложении внешней нагрузки. В свою очередь склонность к образованию большого числа полос сдвига определяется рядом факторов и, в частности, схемой нагружения. Например, при одноосном растяжении наблюдается механическая неустойчивость, формируется малое число полос сдвига до катастрофического разрушения, и общая пластическая деформация достигает лишь 1-2%. В то же время при прокатке удается получить степень деформации до 50-60% [14]. Наибольшую степень пластической деформации при негомогенном течении удается, по-видимому, достичь при изгибе ленточных образцов. Радиус изгиба в пределе может быть соизмерим с толщиной ленты, т.е. достигать значений 30-40 мкм [15]. Характерной чертой негомогенной пластической деформации, кардинально отличающей ее от гомогенной деформации, является то, что негомогенное течение вызывает не возрастание, а, наоборот, снижение степени порядка в аморфной матрице.
СТРУКТУРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
1747
В случае негомогенной пластической деформации на поверхности продеформированных растяжением, сжатием, изгибом или прокаткой образцов формируются ступеньки сдвига. Эти ступеньки соответствуют выходу на поверхность полос сдвига. Они располагаются, как правило, под углом 45-55°С к оси одноосного растяжения (или сжатия) - под тем же углом к направлению прокатки, а также параллельно оси изгиба. Высота ступенек над поверхностью образцов достигает 0.1-0.2 мкм, а толщина отдельных полос сдвига не превышает 0.05 мкм. Отсюда ясно, что аморфные сплавы обладают огромной локальной пластичностью в области негомогенной деформации.
Проведенные эксперименты показали, что полосы сдвига характеризуются избирательным травлением [16]. Они возникают в одних и тех же местах аморфной матрицы при повторном нагру-жении и в то же время исчезают при приложении к образцу деформации противоположного знака [17].
Особо интересны эксперименты in situ, фиксирующие характер зарождения и развития полос сдвига непосредственно в процессе деформации. Структурные исследования такого рода, выполненные с помощью растровой электронной микроскопии [18], показали, что можно выделить три стадии негомогенной деформации: стадия "гомогенной" деформации, при которой деформация происходит без регистрации на изображении полос сдвига; стадия, при которой сдвиговая деформация протекает путем образования и развития полос сдвига и, наконец, заключительная стадия, на которой деформация локализуется только в некоторых полосах с образованием трещины в "голове" полос или в участках их пересечения. Измеренные в [18] время образования и скоро
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.