УДК 539.3
Формирование рельефа на поверхности объемных и ленточных металлических стекол при Микроиндентировании , ,
Тамбовский государственный университет им. ,
*****@***tmb. ru
Одним из воздействий на материал является деформация. Причем деформация материала может происходить и в ходе эксперимента и процессе эксплуатации изделий из этого материала. В связи с этим любая информация о том, что происходит с материалом при деформировании, является важной. В настоящий момент имеется достаточно много данных о деформации кристаллических материалов. Данных о деформации аморфных тел значительно меньше, т. к. аморфное состояние твердого наименее изученная область современного структурного материаловедения. Аморфные металлические сплавы (АМС) обладают набором уникальных свойств, одним из таких свойств является способность к пластическому течению. Эта способность связана с коллективизированным металлическим характером межатомной связи, при которой легче идут процессы коллективных перемещений. Пластическая деформация в аморфных сплавах может протекать гомогенно или негомогенно. При гомогенной пластической деформации однородно нагруженный образец испытывает однородную деформацию. При негомогенной пластической деформации пластическое течение локализовано в тонких дискретных полосах сдвига, а остальной объем твердого тела остается недеформированным. Изучение смены механизмов течения представляет собой сложную экспериментальную задачу. Сведения об условиях изменения характера течения аморфных сплавов носят противоречивый характер. В случае негомогенной 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° 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. Таким образом, аморфные сплавы обладают огромной локальной пластичностью в области негомогенной деформации.
Вопросы эволюции структуры металлических стекол (МС) относятся к ряду наиболее значимых проблем физики сильно неупорядоченных систем. Главная трудность заключается в способе описания структуры аморфного состояния. В совокупности с малой эффективностью методов, основанных на взаимодействии твердого тела с электромагнитным излучением различных длин волн (нейтроны, рентгеновские лучи, электроны), здесь отсутствуют привычные кристаллографические термины и понятия. Перспективным является расширение арсенала методов исследования механических свойств МС.
Исследования проводили на ленточном МС на основе Co (Co-Fe-Mn-Si-B-Ni, Co-80%), полученном методом спиннингования. Толщина лент 20 мкм. Объектами исследования служили образцы размером 3,5´90 мм. А также на объемных МС на основе циркония, полученных методом вакуумной индукционной плавки в условиях левитации и на основе палладия. Объектами исследования служили образцы размером 2x5x4 мм системы Zr - Ti - Си - Ni - Al (52,5% Zr) и системы Pd - Си - Ni - Р (40% Pd) соответственно. Индентирование МС проводили на микротвердомере ПМТ-3 со стороны бесконтактной поверхности ленты. Исследования рельефа поверхности МС после указанных воздействий проводили на растровом электронном микроскопе Quanta 3D и на сканирующем зондовом микроскопе Ntegra Aura.
В результате воздействия механической нагрузки на поверхность ленточных МС образуются зоны деформирования. Причем деформация наблюдается не только в области воздействия индентора, но и на противоположной стороне поверхности образца (рис. 1а). Изучение противоположной индентированию поверхности МС показало, что наблюдается ступенчатая деформационная структура. В центре области индентирования создается максимальное деформирование, связанное с гетерогенной деформацией, проявляющейся в виде полос сдвига, расходящихся от отпечатка (рис. 1б). По мере приближения к центральной части отпечатка величина ступеней возрастает и может достигать 300-500 нм. В зоне отпечатка отмечается наибольшее деформирование и деформационные полосы расходятся радиально.
а) б)
Рис. 1. а) Схема наблюдения полос деформации: 1 – индентор; 2 – микроскоп; 3 – образец; 4 – фотокамера; б) рельеф поверхности в зоне воздействия индентора на стороне противоположной воздействию в сплаве АМАГ – 180 (80% Co). Снято при различных увеличениях.
Эти полосы представляют собой ступенчатую структуру (рис. 2). Характерная размерность этого первичного рельефа составляет сотни нанометров. Величина ступеней может различаться от десятков до сотен нанометров. Ступени располагаются под углами близкими к 800 к поверхности образца.
Рис. 2. Ступенчатый характер полос деформирования
Максимальная высота ступеней наблюдается в области наибольшей деформации и равномерно спадает по мере удаления от области индентирования (рис. 3).
Рис. 3. Изменение высоты ступени на полосе сдвига в зависимости от расстояния до ее вершины.
Сами ступени неоднородны, рельефность ступеней составляет десятки нанометров. Таким образом, установлено что полосы сдвига, возникающие на поверхности МС при микроиндентировании имеют свои характерные особенности, отличающие их от полос сдвига, образующихся при сжатии, растяжении, разрушении и прокатке, характеристики которых описаны выше. 3D-изображение нескольких полос приведено на рис. 4. Видно, что при микроиндентировании не происходит изменений во всем материале они локализованы вблизи воздействия.
Рис. 4. 3D изображение полос сдвига, формируемых при микроиндентировании.
В ходе экспериментов было установлено, что рельеф, описанный выше формируется не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Была проведена видеосъемка иллюстрирующая это, некоторые кадры которой приведены на рис. 5.
0 с 0,067 с 0,2 с
0,233 с 0,367 с 0,4 с
Рис. 5. Видеосъемка образования полос сдвига.
Кинетку образования полос сдвига можно проследить по рис. 6. Кинетика изменения длины полосы (рис. 6а) аппроксимируется экспоненциальной функцией (с большим коэффициентом корреляции ~ 1) вида:
,
где коэффициенты A, t и y0 определяются из эксперимента. Средняя скорость роста полосы сдвига равная ~ 0,2 мм/с падает со временем. Кинетика роста количества полос аппроксимируется линейной функцией (рис. 6б). Средняя скорость роста ~ 50 полос/с.
а) б)
Рис. 6. Кинетика формирования рельефа при микроиндентировании: а) кинетика изменения длины полосы, б) кинетика изменения количества полос.
Поверхности образцов объемных АМС на основе циркония и палладия также подвергали локальному воздействию пирамидой Виккерса на микротвердомере ПМТ-3 (нагрузка на индентор 50 г). В зонах деформирования показано образование деформационных навалов, структура которых неоднородна. Деформирование при равных нагрузках показало, что МС на основе палладия более пластичны. Высота навалов на поверхности АМС на основе циркония ~ 0,2 мкм, а на поверхности МС на основе палладия ~ 0,6 мкм. Механизм формирования пластических зон вокруг отпечатка одинаков – это образование «чешуйчатых сдвигов». При внедрении индентора тонкие поверхностные прослойки подвержены действию касательных напряжений от индентора и деформируются последовательным сдвигом по мере нарастания нагрузки (рис. 7).
а) б)
Рис. 7. Рельеф, образуемый на поверхности объемных МС от воздействия индентора, полученные на ПМТ-3М: а) МС на основе Zr, б) МС на основе Pd.
Часть исследований проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов».
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(грант №09-01-97514 р_центр_а)
Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ, д. ф.-м. н., профессор -
