Механизмы деформации и разрушения аморфных и нанокристаллических металлических сплавов при испытаниях на ползучесть

Тема нашей работы: Механизмы деформации и разрушения аморфных и нанокристаллических металлических сплавов при испытаниях на ползучесть.

Аморфные металлы (металлические стёкла) — класс металлических твердых тел с аморфной структурой, характеризующейся отсутствием дальнего порядка и наличием ближнего порядка в расположении атомов. Интерес к металлическим стеклам был инициирован, прежде всего, возможностями их применений в технике, основанными на необычных свойствах этих материалов. Механические свойства металлических стекол позволяют применять их в качестве упрочняющих нитей в композитных материалах, используемых в строительстве, аэронавтике и спорте, а также для армирования бетона и подобных материалов. На данный момент свойства аморфных металлических сплавов ещё недостаточно изучены и представляют особый интерес. Экспериментальные исследования физики пластического течения МС удобно осуществлять посредством измерения ползучести.

Цели работы: Первое, исследовать механизмы деформации и разрушения аморфных и нанокристаллических металлических сплавов при испытаниях на ползучесть. Второе, изучить влияние 20% раствора азотной кислоты и отжига при температуре 300°С на изменение механических свойств при испытаниях на ползучесть. Третье, изучить релаксационные процессы в МС при различной температуре испытаний.

Ползучесть – это медленная  непрерывная пластическая деформация твердого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Для проведения исследований использовали ленты аморфных сплавов на основе кобальта: АМАГ-172, АМАГ-180 и ленты нанокристаллического сплава на основе железа АМАГ-200. Элементный состав сплавов и геометрические параметры исследуемых образцов показаны в таблицах 1 и 2.

На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки. Образец закреплялся между двумя зажимами, один из которых неподвижно соединялся  с помощью винтов с верхней частью установки, нижний же зажим в свою очередь оставался в подвешенном состоянии, тем самым нагружая образец с силой (F=0,94 H). После этого образец помещали в специально изготовленную печь. И поднимали в ней температуру, подавая напряжение с источника питания (от 0 до 250 В). Параллельно этому поведение образца фиксировали на видео, и снимали показания температуры с помощью пирометра Тesto 845.

Несмотря на кажущуюся  внешнюю простоту, практическая реализация этого метода достаточно сложна, так  как малая толщина ленточных  образцов, полученных закалкой из расплава сильно осложняет исследования.

В результате проведенных  экспериментов получены видеосъемки, на которых видно, что деформация происходит неравномерно.

Экспериментально обнаружено, что при комбинированном воздействии  нагрузки и нагрева образцы исследуемых  аморфных металлических стекол удлиняются. На рисунке 2 показана покадровая развертка этого процесса. На данной покадровой развертке представлен сплав АМАГ-180 и температура образца в момент разрушения составляла 740°С. Аналогичные видеосъемки получены для всех исследуемых сплавов.

По резултатам покадровой развертки построены зависимости  относительного удленнения образцов от времени воздействия, для сплава АМАГ-180. На вставке показан более  крупный масштаб. Видно, что деформация происходит не однородно, а ступенчато.

На рисунке 4 представлена аналогичная зависимость для  нанокристаллического сплава АМАГ-200. Деформация также носит ступенчатый  характер.

Поверхности образцов в результате термической обработки видоизменяются. На аморфных сплавах наблюдается волнообразный рельеф. Нанокристаллические сплавы являются менее пластичными и более хрупкими.

На рисунке 7 показаны морфологические особенности поверхности образцов сплава АМАГ-180 до и после эксперимента на ползучесть. Видно, что поверхность меняется и наблюдаются очаги термической коррозии.

Проведены на растровом  электронном микроскопе Quanta 200 3D микроскопические исследования поверхности разрушения. Характерные изломы показаны на рисунке 8. Установлено, что у образцов при температуре нагрева более 400 ^°C, наблюдается ярко выраженная зеренная структура. С увеличением температуры нагрева образца увеличивается размер кристаллов. При нагреве до 400 ^°C их размер составляет ~100нм, при нагреве до 500 ^°C и 600 ^°C ~250нм и ~500нм соответственно.

На рисунке 9 показана поверхность  разрушения сплава при большем увеличении. Видно, что при разрушении аморфных сплавов наблюдается образование  трещин по поверхности разрушения.

В следующей части работы проведены  испытания на ползучесть для образцов предварительно выдержанных в 20% растворе азотной кислоты в течение 40 минут. Покадровая развертка процесса деформации приведена на рисунке 10. Морфологические особенности наблюдаемые на поверхности представлены на рисунке 11. Отмечено, что наблюдаются корозионные очаги на поверхности. На рисунке 12 представлены аналогичные картины, наблюдаемые и для образцов подвергнутых предварительному отжигу.

В настоящее время ведется обработка  полученных результатов для построения графиков зависимости относительного удлинения от времени.

В третьей части работы проведены  эксперименты по построению релаксационных кривых. Образцы аморфного металлического сплава АМАГ-180 зажимались в разрывной  машине Instron 5565 и нагружались до механического напряжения 400 МПа. Далее процесс останавливался, и фиксировалось изменение нагрузки на образце с частотой в одно измерение в секунду. На рисунке 13, показана зависимость уменьшения нагрузки с течением времени.

Экспериментально установлено, что  при комнатной температуре релаксационная кривая для сплава АМАГ-180, носит  так же ступенчатый характер.  В дальнейшем планируется провести эксперименты по снятию релаксационных кривых для других сплавов и при различных температурах.

Выводы: Экспериментально установлено,