Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время широкое применение получили аморфные металлические сплавы (АМС) и аморфно-нанокристаллические металлические сплавы (АНМС). АМС и АНМС могут обладать уникальными физическими свойствами. Известны АНМС с высокими значениями твёрдости, модуля Юнга, вязкости. Ряд АНМС характеризуется сверхвысокой магнитной проницаемостью, близкой к нулю магнитострикцией, высокой коррозионной и радиационной стойкостью. Магнитные свойства ряда АМС и АНМС (84КХСР, 82КЗХСР, 5БДСР, Vitroperm500 и пр.) на порядок выше, чем у специализированных сталей.
На практике не всегда удаётся оптимизировать эксплуатационные свойства АНМС. Как правило, дополнительная обработка включает в себя печной отжиг, наплавку, измельчение материала до порошкообразного состояния и пр. При этом теряется пластичность материала, целостность образца и т.д. До настоящего времени отсутствуют достаточно эффективные методики обработки наноструктурных материалов. Попытки устранить нежелательные свойства АНМС дополнительной обработкой оказываются недостаточно эффективными или приводят к потере наноструктурного состояния.
Перспективным инструментом формирования механических свойств АНМС является лазерное излучение. Лазерный импульс может воздействовать локально на участки, где необходимо изменение свойств материала, и в то же время сохранять прежнюю структуру и свойства материала за пределами границ области обработки. Существует возможность регулировать время воздействия с высокой точностью, что позволяет создавать уникальные условия обработки. Для тонких лент («30 мкм) АМС и АНМС лазерная обработка достаточно эффективна, так как малая толщина ленты обеспечивает возможность определённой избирательности воздействия на неоднородные/дефектные области. Таким образом, возможность формирования механических свойств тонкой ленты АНМС без потери наноструктурного состояния в целом и получения новых знаний о физических свойствах АНМС обусловливает актуальность исследования.
Цель диссертационной работы - выявление механизмов формирования механических свойств тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава, подвергаемого воздействию наносекундных лазерных импульсов, и определение режимов обработки, обеспечивающих получение аморфно-нанокристаллического металлического сплава с определёнными свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Выявить механизм формирования механических свойств тонкой ленты АНМС, подвергаемого воздействию наносекундных лазерных импульсов.
-
Разработать модель залечивания трещин в наноструктурном материале с учётом специфики нагрева образца наносекундными лазерными импульсами.
-
Для образцов с различной структурой выявить закономерности изменения пластических свойств материала после лазерной обработки, а также зависимости изменения микротвёрдости материала от расстояния до центра зоны лазерной обработки.
-
С учётом специфики тонких лент АНМС и на основе существующих методов механических испытаний усовершенствовать методику определения пластических свойств локальных милли- и микрообластей лазерной обработки.
-
Установить режимы обработки, обеспечивающие получение тонкой ленты АНМС с определёнными свойствами.
Научная новизна исследования:
-
Впервые выявлен механизм формирования механических свойств тонкой ленты АНМС при лазерной обработке наносекундными импульсами с высокой плотностью мощности.
-
Впервые разработана модель залечивания трещин в тонкой ленте АНМС, подвергаемого воздействию серии наносекундных лазерных импульсов.
-
Для тонких лент АНМС предложена усовершенствованная методика определения пластической характеристики є в локальных областях лазерной обработки милли- и микромасштабных размеров.
-
Впервые экспериментально установлены закономерности изменения микротвёрдости и пластической характеристики є в зависимости от расстояния до центра зоны лазерной обработки для образцов АНМС 82КЗХСР, характеризующихся различными нанокристаллическими структурами.
-
Экспериментально установлены особенности одновременного повышения микротвёрдости Hv и пластической характеристики материала є на пограничных участках области лазерного оплавления тонкой ленты АНМС.
-
Для тонкой ленты АНМС экспериментально установлены режимы лазерной обработки, обеспечивающие повышение механической прочности материала на границе области лазерного оплавления, а также определены закономерности взаимодействия трещин, инициируемых локальным нагружением, с границей зоны оплавления, сформированной серией лазерных импульсов.
Практическое значение работы. Экспериментально установленные режимы лазерной обработки, позволяющие одновременно повысить микротвёрдость и пластическую характеристику материала є вблизи границ области лазерного оплавления, могут быть использованы для формирования механических свойств тонких лент АНМС.
Разработанная программа «STATISTIKCR» (гос. регистрация программы для ЭВМ № 2012615576) позволяет автоматизировать обработку экспериментальных данных при изучении пластических свойств тонких лент АМС и АНМС.
Способ определения пластических характеристик пленок многокомпонентных АНМС (патент № 2494039) может быть использован для механических испытаний милли- и микромасштабных областей лазерной обработки.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Механизмы формирования механических свойств тонкой ленты АНМС, подвергаемого воздействию наносекундных лазерных импульсов.
-
Модель залечивания трещин в аморфно-нанокристаллическом материале, подвергаемом воздействию серии наносекундных лазерных импульсов с высокой плотностью мощности.
-
Методика определения пластической характеристики є тонких лент АНМС, позволяющая выявлять изменения пластических свойств материала в пределах локальных областей лазерной обработки милли- и микромасштабных размеров.
-
Зависимости изменения микротвёрдости и пластических свойств лазерно-обработанных участков тонкой ленты многокомпонентного АНМС 82КЗХСР в зависимости от расстояния до центра лазернообработанных областей.
-
Метод формирования механических свойств границы области лазерного оплавления тонкой ленты АНМС, основанный на формировании композита из твёрдого и хрупкого основания, на которое наносится расплавленный материал, вытесняемый из области лазерной обработки.
Личный вклад автора. На всех этапах выполнения диссертационной работы автор принимал прямое участие в постановке задач исследования, в планировании и методическом обеспечении эксперимента, в проведении абсолютного большинства экспериментальных измерений, в обсуждении полученных результатов и формулировании выводов. Вся экспериментальная работа и расчёты проводились соискателем лично или при его непосредственном участии.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в девятнадцати работах, в том числе в шести статьях, опубликованных в журналах из перечня, рекомендованных ВАК, получено Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012615576 и патент № 2494039 на способ определения пластических характеристик пленок многокомпонентных АНМС.
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены на науч. конф. «Державинские чтения» (Тамбов, 2013 г.); 53-й Междунар. науч. конф. «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2012 г.); XVIII Междунар. конф. «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2012 г.); XX Петербургских чтениях по проблемам прочности (С.-Петербург, 2012 г.); Всероссийской молод, конф. «Физика и химия наноразмерных систем» (Екатеринбург, 2012 г.); III Всероссийской молод, конф. «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Москва, 2012 г.); 52-й Междунар. конф. «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012 г.); XI Междунар. конф. «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 2011 г.); VI Всероссийской научно-технической конф. «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2011 г.); Всероссийской науч. школе «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники» (Тамбов, 2011 г.); IV Междунар. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериа-лов» (Москва, 2011 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка цитируемой литературы из 190 наименований и трёх приложений. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 3 таблицы.
