Деформация и разрушение термически обработанных лент аморфного сплава системы Co – Fe – Cr – Si – B при индентировании

Введение

Процесс аморфизации, осуществляемый сверхбыстрой закалкой из жидкого состояния, дает возможность получать однородные по составу многокомпонентные аморфные сплавы (АС). Изменение условий закалки из расплава позволяет значительно расширить область взаимной растворимости элементов, в результате чего можно варьировать свойства АС в более широких пределах, чем свойства кристаллических материалов [1 – 4]. Если к этому добавить термообработку, с помощью которой возможно получить множество промежуточных состояний от «чисто» аморфного, аморфно-нанокристаллического и полностью кристаллического, то появляется возможность создания уникальных и разнообразных аморфных систем (метастабильные формы существования двойных, тройных, многокомпонентных сплавов) [5 – 7]. При варьировании состава и контролируемого нагрева можно получать полезные и наперед заданные физические свойства, расширяя границы применения АС в технике и промышленности в качестве конструкционных и функциональных материалов [8 – 11]. Отличные магнитные характеристики АС дополняются другими весьма ценными свойствами: высокими значениями прочности, твердости, электросопротивления, коррозионной стойкости, удовлетворительной пластичности и т. д. Однако при практическом использовании остро стоят вопросы термической стабильности АС, охрупчивания, спонтанной кристаллизации в условиях повышенных температур [12 – 14]. Для оценки структурно-фазового состояния АС привлекается комплекс методов исследования (например, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), рентгеноструктурный и дифференциально-термический анализ и др.). Часть из них требуют многоэтапную пробоподготовку, длительный и трудоемкий процесс идентификации фаз. А в случае, если АС был подвергнут обработке при температурах ниже кристаллизации и находится в аморфном состоянии, существуют серьезные трудности в методологии изучения аморфной структуры. Даже ПЭМ высокого разрешения и EXAFS-спектроскопия (Extended X-Ray Absorption Fine Structure) не способны однозначно представить данные о расположении атомов, смене их позиций при релаксации. На помощь приходит изучение структурно-чувствительного отклика свойств (механических, электрических, химических, магнитных), что позволяет анализировать процессы структурной релаксации [15 – 17].

В настоящее время информативным методом исследования механических характеристик быстрозакаленных АС (твердости, модуля Юнга, трещиностойкости) является метод микро- и наноиндентирования [18 – 22]. Привлекателен он и для понимания микромеханизмов их деформации, так как можно визуализировать картину деформации, оценить протяженность, форму деформационных зон в сопоставлении со структурным состоянием АС. Испытания на вдавливание являются отличным средством для таких исследований, особенно требующих лишь небольшого объема материала. Деформация при вдавливании по своей сути стабильна, по крайней мере, макроскопически, поскольку площадь контакта между индентором и деформируемым материалом увеличивается в ходе вдавливания, чтобы выдерживать любую приложенную нагрузку. Однако локальное нагружение АС имеет ряд специфических особенностей, связанных, в частности, с их особой геометрией – малой толщиной лент АС и имеющимся качественным различием контактной (прилегающей к закалочному барабану при получении) и свободной сторон ленты [23]. Кроме того, пластическое течение в АС при высоких напряжениях и низких температурах происходит неоднородно, локализуясь в полосах сдвига вдоль плоскостей максимального сдвига [24; 25]. Их образование связано с локализованными атомными перестройками, коррелирующими с областями избыточного свободного объема [26 – 28]. Полосы сдвига имеют решающее значение для деформационного поведения АС. Контроль над ними вполне эквивалентен управлению пластичностью и разрушением АС.

Целью данной работы является изучение механического поведения термически обработанных тонких лент АС при микроиндентировании, а именно выявление закономерностей видоизменения зон деформации и микроразрушения поверхности АС вокруг отпечатков, сформированных пирамидой Виккерса, по мере увеличения температуры отжига.

Материалы и методы их исследования

В качестве объектов исследования выбран АС Co_70,5Fe_0,5Сr₄Si₇B₁₈ (ат. %), полученный методом спиннингования, в виде ленты толщиной 30 мкм и шириной 20 мм. Образцы сплава размером 15×20 мм подвергали вакуумному отжигу в интервале температур T_an = 538 – 823 К с выдержкой 10 мин. Далее они были закреплены с помощью эластичной подложки – клея «Момент» (20.52.10.190 ОКПД 2 / ГОСТ 22345-77) толщиной ≈ 1,0 – 1,5 мм на стальную пластину. В итоге была сформирована композитная заготовка (рис. 1, а).

Индентирование осуществлялось на свободной стороне лент АС в широком диапазоне нагрузок (0,3 – 2,0 Н) с использованием микротвердомера ПМТ-3М (ЛОМО). Следует отметить, что локальное нагружение на твердой подложке (например, на шпатлевке) имеет принципиально неустранимую трудность: трещины могут образовываться первоначально в подложке и инициировать разрушение покрытия – АС.

Поведение макропластичности АС исследовали U-методом на изгиб. Для этого образец помещали между двумя плоскопараллельными пластинами и при их сближении с постоянной скоростью определяли расстояние d, при котором изогнутый образец разрушался (рис. 1, б). За меру пластичности ε_f принималось отношение

\[{\varepsilon _f} = \frac{h}{{d - h}},\]

где h – толщина ленты.

Температура вязко-хрупкого перехода Т_f рассчитывалась как средняя температура от Т₁ и Т₂, где Т₁ – наибольшая температура отжига, при которой еще ε_f = 1, Т₂ – наиболее низкая фиксируемая температура, при которой происходит резкий спад пластичности (ε_f  → 0).

Оценку температуры кристаллизации осуществляли, применяя дифференциально-сканирующую калориметрию, на анализаторе DSC 8271 (Rigaku). Перевод аморфного состояния в кристаллическое при термической обработке контролировался проведением рентгеноструктурного анализа (РСА) на многофункциональном дифрактометре ULTIMA IV (Rigaku).

Результаты исследования и их обсуждение

Как показал эксперимент, в процессе индентирования исследованных АС Co_70,5Fe_0,5Cr₄Si₇B₁₈, по мере перехода из аморфного в кристаллическое состояние при отжиге, происходит существенная эволюция микрокартин их деформации и разрушения. На рис. 2 представлено разнообразие морфологических модификаций поверхности АС после внедрения индентора при локальном нагружении с разной нагрузкой.

По мере нагрева АС можно наблюдать определенные закономерности в формировании зон деформации. В температурном диапазоне T_комн < 613 К при малых нагрузках наблюдается типовой отпечаток от индентора, а при больших нагрузках – отпечаток окружен полосами сдвига (рис. 2, а, б). Полосы сдвига – это явление пластической нестабильности, которое локализует большие сдвиговые деформации в относительно тонкой полосе при деформации материала. В интервале температур 613 К ≤ T_an ≤ 748 К в области локального нагружения АС образуются прямые радиальные трещины (рис. 2, в). Некоторые из них могут пересекаться с кольцевыми трещинами (рис. 2, г). Несмотря на охрупчивание, возможны пластические деформации АС (наличие редких полос сдвига) до T_an = 748 К. И, наконец, в интервале нагрева 748 К < T_an ≤ 803 К преимущественно формируются отпечатки, представляющие сетку трещин, ориентированных параллельно граням пирамиды (рис. 2, д). Наряду с ними могут образовываться кольцевые трещины по мере удаления от зоны индентирования (рис. 2, е).

После индентирования максимальной нагрузкой P = 2 H определена температура отжига T_cr, при которой в образцах АС формируются и распространяются первые трещины с вероятностью не меньше 0,5: T_cr = 628 К [29]. Установленная T_cr на эластичной подложке является фактически температурой вязко-хрупкого перехода АС, которая близко совпадает с данными независимых исследований при испытаниях аморфных лент на изгиб U-методом – T_f  = 613 К (рис. 3).

Далее внимание было обращено к калориметрическим и структурным исследованиям для выяснения температурных диапазонов фазовых превращений, которые претерпевает АС Co_70,5Fe_0,5Cr₄Si₇B₁₈. По данным ДСК температура кристаллизации исследуемого АС T_crys = 803 К (рис. 4).

По результатам структурных исследований выделение первых нанокристаллов в аморфной матрице, соответствующих α-Co с ГПУ решеткой (a = b = 2,514 Å, c = 4,105 Å), происходит после отжига свыше 688 К [30]. Далее по мере роста температуры зафиксировано увеличение интенсивности протекания процессов кристаллизации и увеличение объемной доли кристаллических фаз. Наряду с α-Co появляется фаза β-Co с ГЦК решеткой (a = b = с = 3,554 Å), а также соединения Co₂Si, Co₄B, Co₃B, Co₂B (рис. 5).

Сопоставив морфологический атлас поверхности отожженного АС системы Co – Fe – Сr – Si – B после индентирования (рис. 2) с результатами его структурных изменений (рис. 4, 5), можно выделить три температурных диапазона. При переходе от одного к другому происходит смена характерных картин деформирования и разрушения, что является следствием протекающих процессов структурной релаксации и последующей кристаллизации [31].

• При T_комн < T_f АС демонстрируют свою уникальную пластичность, когда даже максимальная нагрузка на индентор может вызвать проявление только сильно локализованной пластической деформации в виде полос сдвига вокруг отпечатка.

• Интервал температур T_f  ≤ T_an ≤ T_sb является переходным, так как при более низких температурах не образуются трещины (для Co_70,5Fe_0,5Сr₄Si₇B₁₈ температура отпускной хрупкости T_f  = 613 К), а при более высоких полосы сдвига отсутствуют (температура их полного исчезновения для Co_70,5Fe_0,5Сr₄Si₇B₁₈ T_sb = 748 К). В данном интервале температур АС находится все еще в аморфном, но охрупченном состоянии по причине явления вязко-хрупкого перехода. Именно поэтому наблюдаются масштабные радиальные и кольцевые трещины, а также отколы.

• Интервал T_sb < T_an ≤ T_crys соответствует окончательной трансформации АС в кристаллическое состояние (для Co_70,5Fe_0,5Сr₄Si₇B₁₈ T_crys = 803 К). Его отличительной чертой является формирование достаточно симметричных картин разрушения, состоящих из квадратных сеток трещин, вложенных друг в друга.

Выводы

На примере быстрозакаленных лент АС системы Co – Fe – Сr – Si – B показано, что индентирование на эластичной подложке с разными нагрузками позволяет осуществить приближенную экспресс-оценку структурного состояния АС, вследствие того, что образующиеся под индентором области деформации и разрушения (наличие/отсутствие полос сдвига, трещин, их взаимное расположение) весьма структурно-чувствительны и имеют характерные отличительные черты в определенных температурных диапазонах отжига.

В целом, испытание на индентирование является привлекательным методом для изучения деформационного поведения АС по следующим причинам. Во-первых, не будучи специфичными к размеру образца, эти испытания просты в выполнении и не приводят к макроразрушению. Во-вторых, пластическая деформация в материале ограничена локально, что облегчает изучение пластического течения АС в зонах, окружающих и находящихся под индентором. Кроме того, прямое сравнение результатов индентирования с откликами, например, на изгиб или растяжение дополнительно делает метод индентирования эффективным «зондом» для понимания физики пластической деформации и разрушения АС.