Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема прочности занимает одно из ведущих мест в разработке функциональных материалов нового поколения, эксплуатация которых требует достаточного запаса прочности. На стыке двух классов материалов - аморфных и кристаллических - находятся материалы с аморфно-нанокристаллической структурой (АНС), которые по уровню механических свойств превосходят, как нанокристаллические материалы, так и аморфные. Необычность материалов с АНС состоит в том, что структурные составляющие такой системы кардинальным образом различаются между собой по характеру атомной структуры: неупорядоченная аморфная матрица и полностью упорядоченные (кристаллические) выделения. Свойства материалов с АНС определяются во многом структурными параметрами кристаллической фазы.
Эффективным способом получения объемных нанокристаллических материалов является контролируемая нанокристаллизация аморфного состояния, полученного методом спиннингования расплава. Термин «нанокристаллизация» означает, что продукты кристаллизации имеют в этом случае наноразмеры (менее 100 нм). На начальных стадиях кристаллизации формируется структура, состоящая из аморфной матрицы с равномерно расположенными частицами кристаллической фазы с объемной долей Vv < 0,5 (АНС первого типа). На поздних стадиях кристаллизации (Vv > 0,5) структура представляет собой нанокристаллические зерна, разделенные аморфными межкристаллитными прослойками (АМП) (АНС второго типа).
Цель и задачи исследования. Основная цель настоящей работы заключается в детальном анализе механического поведения сплавов с АНС на ранних и поздних стадиях нанокристаллизации аморфных сплавов на основе железа, никеля и титана, а также в установлении структурных факторов, определяющих изменение механических свойств и механизмов пластической деформации сплавов с АНС.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
Для сплавов с АНС первого типа:
1. Комплексное исследование структурных параметров наночастиц
кристаллической фазы (среднего размера, объемной плотности и объемной
доли), образующихся при нанокристаллизации пяти закаленных из расплава
аморфных сплавов на основе железа и никеля различного состава при
варьируемых температурно - временных режимах изотермического отжига.
2. Измерение механических свойств (микротвердости) пяти сплавов с АНС
после соответствующих варьируемых температурно - временных режимах
изотермического отжига.
3. Построение и анализ зависимостей механических свойств
(микротвердости) от структурных параметров пяти сплавов на основе железа и
никеля с АНС.
-
Измерение магнитных свойств (намагниченности насыщения и коэрцитивной силы) для сплава на основе железа, имеющего высокие магнитные характеристики при формировании АНС.
-
Электронно-микроскопический анализ структурных механизмов взаимодействия деформационных полос сдвига, распространяющихся в аморфной матрице, с отдельными нанокристаллическими частицами.
Для сплавов с АНС второго типа:
-
Изучение кинетики кристаллизации аморфных сплавов на основе титана, содержащих и не содержащих компоненты, нерастворимые в кристаллической фазе.
-
Изучение структуры и механических свойств (нано- и микротвердость) сплавов на основе титана на поздних стадиях кристаллизации.
-
Анализ условий для реализации теоретической (предельной) твердости путем использования принципа инженерии границ зерен в нанокристаллах изученных сплавов.
Научная новизна. Установлены основные закономерности кинетики кристаллизации и влияния структурных параметров выделяющейся нанокристаллической фазы на механические свойства на начальных и поздних стадиях кристаллизации аморфных сплавов на основе железа, никеля и титана, полученных закалкой из расплава и прошедших термическую обработку. Определены основные причины упрочнения аморфных сплавов на начальных стадиях кристаллизации. Впервые экспериментально изучен и классифицирован характер взаимодействия частиц нанокристаллической фазы с деформационными полосами сдвига в аморфной матрице в сплавах с аморфно -нанокристаллической структурой. Показано, что применение принципа инженерии границ зерен (введение наночастиц боридов в аморфные межкристаллитные прослойки) дает возможность подавить процессы зернограничного микропроскальзывания на поздних стадиях кристаллизации аморфных сплавов ТІ49№24Сіі24Вз и экспериментально получить значения твердости, близких к теоретическому пределу.
Достоверность результатов. Достоверность представленных результатов обеспечивается современными методами исследования в сочетании с обработкой большого массива экспериментальных данных. Полученные результаты согласуются с экспериментальными и теоретическими данными, имеющимися в литературе.
Практическая ценность работы. На основании проведенного исследования предложены режимы контролируемого отжига, повышающие механические и магнитные характеристики ряда промышленных аморфных сплавов на начальной стадии кристаллизации. Показана перспективность применения принципа инженерии границ зерен на поздних стадиях кристаллизации аморфных сплавов для повышения механических характеристик сплавов в нанометровом диапазоне размеров зерен.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Упрочнение на ранних стадиях первичной кристаллизации аморфных сплавов (Vv < 0,5) обусловлено увеличением объемной плотности частиц
нанокристаллической фазы (при постоянном среднем размере частиц « 20 нм), в соответствии с зависимостью HV~ K(Vv)n, где п= 1/3.
2. Изменение микротвердости на ранних стадиях первичной
кристаллизации аморфных сплавов в зависимости от среднего размера
нанокристаллов (при постоянной объемной плотности частиц) описывается
кривой с максимумом при среднем размере 70 - 80 нм.
3. Основными причинами упрочнения аморфных сплавов на ранних
стадиях кристаллизации являются различие модулей Юнга выделяющейся
кристаллической фазы и аморфной матрицы («модульный» фактор упрочнения)
и взаимодействие деформационных полос сдвига с нанокристаллическими
частицами («структурный» фактор упрочнения).
4. При взаимодействии деформационных полос сдвига,
распространяющихся в аморфной матрице сплавов с аморфно -
нанокристаллической структурой, и нанокристаллических частиц реализуется
пять различных механизмов взаимодействия («поглощение», «огибание»,
«перерезание», «торможение» и «аккомодация»).
5. Определяющим фактором характера взаимодействия полос сдвига и
наночастиц кристаллической фазы является размер наночастиц.
6. Путем целенаправленного введения боридных наночастиц в
межкристаллитные области аморфно - нанокристаллических материалов на
поздних стадиях кристаллизации (Vv > 0,5) можно достичь прочности
(твердости), близкой к теоретическому пределу.
Личный вклад автора. Автор принимал активное творческое участие в постановке задач исследования и в обсуждении полученных в диссертации результатов. Она изучила структуру методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа, а также самостоятельно выполнила измерения механических и магнитных свойств, результаты которых полностью отражены в диссертации. Она провела измерение, расчет и статистическую обработку структурных параметров нанокристаллических фаз, а также математическое описание полученных параметрических зависимостей.
Апробация работы. Результаты работы доложены на следующих международных и российских конференциях: V Международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов (2010); 50-ый Международный научный симпозиум «Актуальные проблемы прочности», Витебск, Беларусь (2010); VI Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка (2010); IV Всероссийская конференция по наноматериалам, Москва (2011); 51-ая Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», Харьков, Украина (2011); II Международная конференция «Нанотехнологии и наноматериалы в металлургии», Москва (2011); IX международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии», Санкт-Петербург (2011); VI Всероссийская молодежная научная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тольятти (2011); Вторые Московские чтения по проблемам прочности, Черноголовка (2011); V международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва (2011); Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов, Москва (2011).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 12 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы, включающего 137 наименований. В заключение каждой из глав, содержащих результаты исследований, приведены детальные выводы. Работа изложена на 209 страницах, содержит 13 таблиц, 28 формул и 95 рисунков.
