Механізми пластичної деформації в об'ємних металевих склах
Вивчення впливу високотемпературної прокатки на зразки об'ємного металевого скла при температурах, близьких до Tg. Вивчення процесів, що зумовлюють змішану пластичну деформацію в металевих склах. Процеси пружної і непружної пластичної деформації.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | автореферат |
Язык | украинский |
Дата добавления | 27.07.2014 |
Размер файла | 83,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР
“ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
УДК 620.17:539.213:669.018
МЕХАНІЗМИ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ В ОБ'ЄМНИХ МЕТАЛЕВИХ СТЕКЛАХ
01. 04. 13 - фізика металів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
бакай Сергій олександрович
Харків 2004
Дисертацією є рукопис
Дисертація виконана в Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут"
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор, академік НАН України Неклюдов Іван Матвійович, (Національного науковий центр "Харківський фізико-технічний інститут", генеральний директор)
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Пугачов Анатолій Тарасович, (Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедрою фізики металів і надпровідників, м. Харків)
доктор фізико-математичних наук, професор, Бенгус Володимир Зиновйович, (Фізико-технічний інститут низьких температур НАН України ім. Б.І. Вєркіна, м. Харків, старший науковий співробітник)
Провідна установа: Інститут Металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, м. Київ
Захист відбудеться " 21 " вересня 2004 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.845.01 в Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут”, за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна,1.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут", за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна,1.
Автореферат розісланий „ 19 ” серпня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор фізико-математичних наук М.І. Айзацький
Размещено на http://www.allbest.ru/
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Відтоді, як в 1960 році було вперше отримане металеве скло (МС) Au-Si засобом швидкого гарту розчину, вироблені різноманітні вигляди МС (аморфних металевих сплавів), з розчинів. Тоді же почалися інтенсивні дослідження структури і фізичних властивостей МС. Виявилося, що властивості МС істотно залежать від складу і режиму приготування (в частковості, від швидкості гарту). Завдяки цьому механічні, електрофізичні і магнітні властивості МС вдалося змінювати в дуже широких межах, домагаючись їх унікальних сполучень. Як слідство, МС виявилися надто перспективними матеріалами при використанні в різноманітних областях включаючи енергетику і наукоємні технології, тому об'єми їхнього виробництва дуже швидко стали більшими.
Важливою властивістю МС є те, що вони володіють високою (близької до теоретичної) міцністю, в лаві випадків, що перевищує міцність високоміцних кристалічних сталей, а також мають високу твердість і зносостійкість. Широке застосування отримали магнітні матеріали на основі МС. З одного боку, шляхом підбору хімічного складу і режимів термомагнітної обробки виявилося можливим отримати високі значення магнітної проникністі, індукції насичення при низькій коерцитивній силі і низьких втратах на перемагнічування, тобто високоякісні магнітом'які матеріали. З іншого боку, деякі МС після спеціальної термообробки, або при зміні композиції набувають властивостей магнітожорстких матеріалів з високою енергією перемагнічування. Підбором хімічного складу МС можна управляти величиною і знаком температурного коефіціента електроопіру. Деякі МС володіють задовільною радіаційною стійкістю і, в лаві випадків, високою корозійною стійкістю.
Високий рівень фізико-механічних властивостей і розвинення в технології виготовлення МС визначили почало їх досвідченого і промислового виробництва для рішення широкого спектру технічних задач. В нинішній час МС застосовують в якості магнітопровідів записуючей звуко - і відео - апаратури, силових трансформаторів і електродвигунів, як активні елементи різноманітних датчиків фізичних величин і магнітооптичних запоминающих приладів, в якості конструкційних і корозійно-стійких матеріалів. Технології отримання МС з необхідними властивостями удосконалюються, а області і об'єми їхнього застосування поширюються.
В основному аморфні металеві сплави типу метал-металоїд і метал-метал до 1990 року одержувалися в вигляді тонких стрічок при високому швидкості охолодження розчинів ~105 К/с. МС одержувалися в вигляді стрічок товщиною не більш 50 мкм. Виняток складали деякі сплави на основі Pd і Pt наприклад, Pd-Ni-P і Pt-Ni-P, що вимагали більш низького швидкості гарту ~ 102 - 103 К/с.
Починаючи з 1988 року були отримані багатокомпонентні аморфні сплави на основі Mg, Ln, Zr, Fe, Pd-Cu, Pd-Fe, Ti, Ni, що вимагають значно меншої швидкості гарту. Наприклад, для аморфного сплаву Pd40Cu30Ni10P20, мінімальна швидкість гарту розчину складає ~ 0.10 К/с. Низька критична швидкість охолодження багатокомпонентні МС дозволяє одержувати їх в вигляді об'ємних зразків (як правило, в вигляді стрижнів різноманітного діаметру, або в вигляді пластин різноманітних розмірів). З створенням цього сімейства матеріалів (об'ємних МС) область застосування аморфних сплавів помітно поширилася, а при вивченні їхніх властивостей розмірні і поверхневі ефекти перестали грати визначальну роль. Таким чином, з отриманням об'ємних МС не тільки поширилися області їхнього практичного застосування, але і відкрилися нові можливості в вивченні фізичних властивостей цього класу матеріалів.
Відзначимо, що, до нинішнього часу, механізми пластичної і мікропластичної деформації МС мало вивчені, що обмежує можливість їхнього застосування.
Особливий інтерес для вивчення представляє сімейство багатокомпонентних об'ємних МС приготованих на основі Zr. Підібрані композиційні склади таких дадуть можливість отримання зразків товщиною від 1 до 100 мм. Експериментальні дослідження показали, що ці об'ємні МС володіють унікальним поєднанням фізично-механічних властивостей, таких як: високою межею міцності при розтязі і стиску, високою межею міцності при згинанні, високою твердістю, високою глейкістю руйнування, високою утомністною міцністю, добре обробляються механічно, а також володіють гарною корозійною стійкістю. Об'ємні МС Zr41Ti14Cu12,5Ni10Be22,5, Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 є яскравими представниками цього сімейства.
Незважючи на широке практичне використання, МС, їхня структура і механізми пластичної деформації залишаються предметом інтенсивних досліджень за відсутністю устоянних уявлень про мікроскопічну природу цих механізмів. По своїй природі МС є нерівноважними станами метастабільної аморфної фази, що ускладнює проведення досліджень і інтерпретацію отриманих результатів.
До нинішнього часу запропонований ряд моделей що описують структуру і властивості МС. До них, в частковості, відносяться модель випадкових щільних упаковок, модель вільного об'єму, дислокаційно-дисклинаційная і полікластерная модель. Найбільш розробленими є модель вільного об'єму і полікластерная модель.
В рамках цих моделей описані мікроскопічні процеси непружних перебудов атомних конфігурацій, механізми дифузії атомів, механізми пластичної деформації при низьких і високих температурах. Накопичені до нинішнього часу експериментальні дані, отримані при дослідженні механічних властивостей і механізмів пластичної деформації МС, припускають задовільну інтерпретацію в рамках тієї і іншій моделей. Для однозначної інтерпретації механізмів пластичної деформації МС наявної бази даних недостатньо.
З іншого боку, встановлення законів, яким підкоряються процеси пластичної і мікропластичної деформації МС, важливі для практичного їхнього використання і розвинення технологій. Тому експериментальне дослідження механічних властивостей, мікропластичної природи механізмів пластичної деформації МС, з'ясування зв'язку структура - властивості представляють актуальну задачу фізики аморфних твердих тіл.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибране направлення досліджень безпосередньо зв'язане з виконанням науково-дослідної теми по програмі роботи по атомній науці і техніці ННЦ ХФТІ. А також з виконанням етапу поточного проекту УНТЦ №2047 “Вивчення впливу структурного стану аморфних сплавів FSiB Al-ПМ-РЗМ різного хімічного складу на їхні механічні і магнітні характеристики”.
Мета і основні задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є вивчення і встановлення природи механізмів пластичної і мікропластичної деформації в об'ємних МС, що до нинішнього часу залишається мало вивченим питанням. Оскільки існує ряд суперечливих моделей структури МС і структурних дефектів, що є основними носіями пластичної деформації, результати цих досліджень можуть служити для перевірки концепцій теоретичних моделей і уявлення, що лежать в їхній основі.
Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:
§ дослідження механічних властивостей об'ємного МС Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 засобом одноосьового стиску в вакуумі в широкому температурному інтервалі від кімнатних температур до температури склоутворення МС, Tg;
§ вивчення впливу високотемпературної прокатки на зразки об'ємного МС при температурах близьких до Tg;
§ експериментальне підтвердження існування змішаної пластичної деформації в об'ємному МС і вивчення процесів що зумовлюють змішану пластичну деформацію в МС;
§ по результатах механічних іспитів побудувати карту механізмів пластичної деформації (на площині (, Т), - швидкість деформації) об'ємного МС Zr53.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4.
§ вивчення процесів мікропластичної деформації об'ємного МС засобом виміру температурної залежності низькочастотного внутрішнього тертя;
§ вивчення процесів мікропластичної деформації об'ємних МС Zr41Ti14Cu12,5Ni10Be22,5, Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 засобом акустичної емісії при кімнатній температурі;
§ аналіз результатів досліджень з метою перевірки уявлення про структуру МС і теоретичних пророкувань, отриманих в рамках різноманітних підходів;
§ адекватний опис процесів пружної і непружної пластичної деформації в об'ємних МС.
Наукова новизна отриманих результатів. До найбільш важливих нових результатів досліджень слідує віднести:
· Вперше виявлена надпластичність досліджуванного металевого скла Zr53.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4 в широкому температурному інтервалі (573…673 К), нижче температури склоутворення (Tg=702 К), при різноманітних швидкостях одноосьового навантаження (від =2*10-4 до =8*10-3с-1). Встановлене, що нижня границя температурного інтервалу (573 К), в якому спостерігається стан надпластичності, співпадає з температурою, при якій починається дифузійна рухливість атомів, про що свідчать результати вимірів температурної залежності внутрішнього тертя.
Явище надпластичності зв'язане з перерозподілом в процесі навантаження внутрішньої енергії, що зв'язано з дифузійно-вязкою течією, що зумовлює процес пластичної деформації. При швидкості деформації =2*10-4с-1 перехід від однорідної до неоднорідної пластичної деформації відбувається поблизу температури 573 К, тобто приблизно на 130 К нижче температури склоутворення.
· Вперше встановлене існування області значень і Т, при яких здійснюється змішана пластична деформація. В цьому режимі дифузійно-в'язка течія по механізму Коблє супроводжується рухом дислокацій в МС і утворенням смуг зрушення.
· По результатах механічних іспитів вперше побудована карта механізмів пластичної деформації (на площині (, Т)) досліджуваного металевого скла Zr53.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4.
· Вперше при кімнатній температурі в матеріалах цього класу виявлений ефект Кайзера який свідчить про ковзання граничних дислокацій при першому навантаженні, що служать джерелами АЕ і про виснаження дільниць найбільш легкого зародження дислокацій.
· Вперше виявлене явище повернення ефекту Кайзера в об'ємних металевих стеклах Zr41Ti14Cu12,5Ni10Be22,5, Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 в результаті відпалів тривалістю ~10 хв. При температурі на 300 нижче Тg. Це явище зв'язане з зворотним ковзаннєм (в процесі відпалу) по міжкластерним границям під чинністю локальних напруг зсуву. Процес зворотного ковзання є термоактивованим.
Практичне значення отриманих результатів. Дослідження властивостей об'ємних МС на основі Zr, як нового, перспективного класу конструкційних матеріалів, певно, має велике прикладне значення. Об'ємні МС можуть бути використовані в різноманітних наукових і виробничих технологіях, як матеріали, що володіють поєднанням ряду унікальних властивостей. Цей клас матеріалів може розглядатися, як альтернатива конструкційних матеріалів, які широко використовувались до нещодавнього часу. Знання механізмів пластичної деформації і карта механічних станів дозволяють вибрати необхідні технологічні режими для використання об'ємних МС. металевий скло пластичний деформація
Особистий вклад здобувача. Здобувач приймав участь в плануванні і підготовці експериментальних досліджень, а також був одним з основних виконавців при їхньому проведенні. Їм освоєні необхідні експериментальні засоби, проведена обробка і аналіз отриманих експериментальних даних, зроблені висновки про природу явищ, які вивчаються.
При безпосередній участі здобувача, на основі отриманих даних, були написані і опубліковані наукові роботи [1-6], які війшли в дисертацію, а також представлені доповіді на наукових конференціях, які були опубліковані в матеріалах конференцій [7-12].
При виконанні робіт [1,6] здобувач приймав беспосередню участь в підготовці і проведенні експериментальних досліджень, їм були оброблені отриманні експериментальні результати та взята участь у написанні робіт. При виконанні роботи [2] здобувач брав участь у проведені необхідних досліджень, а також у їх аналізі та написанні роботи. При виконанні робіт [3,4,5] здобувач брав участь у постоновці задачі, проведенні досліджень, аналізі результатів та написанні робіт.
Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати і положення дисертації доповідалися і обговорювалися на наступних наукових конференціях і семінарах: 14-ой міжнародної конференції по фізиці радіаційних явищ і радіаційному матеріалознавству г. Алушта 2000, XI Міждержавної конференції “Радіаційна пошкоджуваність і конструкційна спроможність матеріалів” Бєлгород 2001, XXXVIII семінарі “Актуальні проблеми міцності” Санкт-Петербург 2001, 15-ой міжнародної конференції по фізиці радіаційних явищ і радіаційному матеріалознавству г. Алушта 2002, III Міжнародної конференції "Мікромеханізми пластичності, руйнування і супутніх явищ" г. Тамбов 2003, XIII Міжнародній нараді “Радіаційна фізика твердого тіла”, Севастополь 2003, XII.
Публікації. По результатах роботи в ведучих наукових виданнях опубліковано 6 робіт [1-6], які відповідають вимогам ВАК України до научних видань. Також результати роботи публіковались в матеріалах міжнародних конференцій [7-12].
Структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних літературних джерел. Матеріал дисертації викладений на 130 сторінках, включаючи рисунків 38 і список із 80 джерел використаної літератури.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначена мета і завдання роботи, показана наукова новизна одержаних результатів, їх практичне значення, сформульовані основні наукові результати і положення, що виносяться на захист, висвітлено особистий внесок автора, апробація роботи, освітлюються зміст та структура дисертації.
Перший розділ дисертації є оглядовим і складається з девяти підрозділів. Зроблено огляд літературних даних із стану задачі опису структури, дефектів структури, які в свою чергу являються основними джерелами пластичної деформації в металах та сплавах, і властивостей металевих стекол. Розглянуто існуючи концепції різноманітних теоретичних моделей структури металевих стекол. Проведен порівняльний аналіз опису накопичених до теперішнього часу експериментальних даних дослідження властивостей металевих стекол у той або іншій моделях. Відзначається обмеженість бази експериментальних даних у цій галузі фізики металів для однозначного опису природи металевих стекол взагалі, та процесів пластичної деформаціїї в частковісті, в межах якоїсь однієї моделі. Зроблений висновок про те, що існує необхідність проведення комплексних досліджень процесів пластичної та мікропластичної деформації різноманітними методиками в тому числі високочутливими методиками такими, як метод вимірювання акустичної емісії в процесі навантаження образців та метод зворотного крутильного маятника для визначення температурної залежності внутрішнього тертя.
У другому розділі описані апаратура і методики, розроблені для досягнення поставленої задачі, та матеріали, що досліджуються.
Об'ємні стрижні МС діаметром 3 мм і довжиною 50 - 100 мм були виготовлені в Дрездені шляхом плавки заздалегідь виплавлених брусків Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 сплаву і виливки отриманого розчину в мідні форми в атмосфері аргону. Рентгенівська дифракція і електронна скануюча мікроскопія були використувані для отримання характеристик структури і визначення композиційного складу, виплавлених зразків.
З метою застосування засобу дослідження механічних властивостей металевих стекол в широкому температурно-скоростном інтервалі була задіяна машина 1246Р-2/2300 призначена для іспиту зразків жароміцних матеріалів на розтяг і стиск при високих температурах в вакуумі в широкому інтервалі швидкостей деформування. Машина може застосовуватися при іспиті зразків на короткочасну полвзучість і релаксацію.
Для визначення температурної залежності внутрішнього тертя використовувалася установка для виміру внутрішнього тертя і модуля зрушення з автоматичним записом температурної залежності внутрішнього тертя. Інтервал робітничих температур 300 - 1100 К. В зразку порушуються крутильні вагання, діапазон робітничих частот 1 - 15 Гц. Виміри проводилися з робітничою частотою крутильних вагань 8 Гц в вакуумі з залишковим тиском не більш 10-2 Па в температурному інтервалі 300 - 700 К.
Дослідження АЕ проводили на апаратурі, в склад якої входить: універсальна випробувальна машина 1958-у10 і багатоканальний акустичний комплекс М 400, розроблений в Інституті проблем машинобудування АН України. Датчик АЕ (ДАЕ) виготовлений з п'єзокераміки цирконата-титаната свинця (ЦТС-19). Дослідження проводилися при кімнатній температурі.
У третьому розділі представлені результати досліджень механічних властивостей об'ємного металевого скла Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10.
Підрозділ 3.1 присвячен дослідженню температурної залежності низькочастотного внутрішнього тертя. На мал. 1. Уявлена температурна залежність зміни внутрішнього тертя і квадрату резонансної частоти вагань в Zr52.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4.
Мал. 1 Температурна залежність зміни внутрішнього тертя і квадрату резонансної частоти вагань в Zr52.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4
Результати дослідження температурної залежності внутрішнього тертя даного металевого скла показали, що температура переходу неоднорідної пластичної деформації в однорідну близька до 530 К, що складає ~0.7 Тg (як і в лаві інших металевих стекол). Термоциклювання в температурному інтервалі 300… 670 К не впливає на температурну залежність зміни внутрішнього тертя. Це означає, що структурні зміни в околицях дефектів, що породжують внутрішнє тертя, несуттєві при вибраних режимах термоциклювання.
Підрозділ 3.2 присвячен визначенню міцності і пластичності зразків об'ємного металевого скла Zr52.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4.
На мал. 2. Уявлена типова діаграма стиску при швидкості деформації =8·10-3с-1.
При кімнатній температурі значення межі міцності склало205 кг/мм2. На мал. 3 і мал. 4. Уявлені діаграми стиску при швидкостях стиску=8·10-3с-1, =2·10-4с-1 і температурах 673 К, 573 К, відповідно.
Мал. 3 Діаграма стиску металевого аморфного сплаву Zr52.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4 при температурі Т=673 К і швидкості стиску =8·10-3с-1. Початкова площа перетину зразка складала 7.64 мм2, початкова висота l0=4 мм
Мал. 4 Діаграма стиску металевого аморфного сплаву Zr52.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4 при температурі Т=573 К і швидкості стиску =2·10-4с-1. Початкова площа перетину зразка складала 7.64 мм2, початкова висота l0=4 мм
Виявлена надпластичність дослідженого металевого скла в широкому температурному інтеревалі (573…673 К), нижче температури склоутворення (Tg=702 К), при різноманітних швидкостях навантаження (=2·10-4...=8·10-3с-1). Нижня границя температурного інтервалу (573 К), в якому спостерігається стан надпластичності, безпосередньо зв'язана з початком дифузійної рухомості атомів, про що свідчать результати вимірів температурної залежності внутрішнього тертя. Явище надпластичності зв'язане з перерозподілом в процесі навантаження внутрішньої енергії, що зв'язано з дифузійно-в'язкою течією, що зумовлює процес пластичної деформації. Це призводить до більш однорідної зміни форми зразка без переходу до неоднорідної пластичної деформації. При швидкості деформації =2·10-4с-1 перехід від однорідної до неоднорідної пластичної деформації відбувається поблизу температури 573 К.
Підрозділ 3.3 присвячен дослідженню поведінки об'ємного металевого скла при прокатке.
В процесі прокатки при високих швидкостях навантаження (~10-1) і температурах, близьких до Tg=702 К, зразки пружно деформуються аж до утворення смуги зрушення. Помітної однорідної пластичної деформації при цьому не виявлене.
По результатах механічних іспитів вперше побудована карта механізмів пластичної деформації (на площині (, Т)) досліджуваного металевого скла мал. 5.
Мал. 5 Діаграма температурно-швидкісних режимів переходу однорідної пластичної деформації в неоднорідну для металевого скла Zr52.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4
Встановлене існування області значень і Т, при яких здійснюється змішана пластична деформація. В цьому режимі дифузійно-в'язка течія по механізму Кобле супроводжується рухом дислокацій і утворенням смуг зрушення.
Підрозділ 3.4 присвячен дослідженню впливу тонкої мідної оболонки на пластичну деформацію об'ємного металевого скла Zr52.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4. На мал.6 і мал.7 уявлені залежності напруги і ефективної глейкості від зміни висоти зразків в ході одноосьового стиску з різноманітними швидкостями деформації. Температурно-швидкісні режими досліджень вибиралися по діаграмі температурно-швидкісних режимів переходу однорідної пластичної деформації в неоднорідну (мал.5). При цих режимах очікувалося протікання в зразках змішаної пластичної деформації.
В ході одноосьового стиску зразків об'ємного МС Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 укладених в тонку мідну оболонку при температурі на ~30 К нижче температури склоутворення спостерігається змішана пластична деформація, швидкості стиску складали 1.6·10-2с-1 і 3.3·10-2с-1. При вибраних температурно-швидкісних режимах одноосного стиску зразки, поміщені в мідну оболонку, виявили надпластичність. Тонка мідна оболонка відвертає утворення тріщин, і руйнування зразка металевого скла, що, звичайно, є слідством утворення наскрізних смуг зрушення.
У четвертому розділі представлені результати досліджень акустичної емісії в об'ємном металевом склі Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10.
У підрозділі 4.1 представлені результати вимірюання акустичної емісії в об'єном металевом склі при кімнатній температурі. На рис. 8 уявлені типові залежності навантаження, активності акустичної емісії, загальної суми імпульсів і середньої амплітуди імпульсів від переміщення захватів в процесі одноосного стиску зразків об'ємних металевих стекол. На мал. 9 представлений графік деформування металевого скла Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 в координатах активність-амплітуда-час деформації.
В об'ємному металевому склі Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 в процесі одноосьового стиску при кімнатній температурі спостерігається емісія широкого амплітудного спектру акустичних імпульсів, про що свідчать наведені дані. Наявність сигналів АЕ в пружній області деформування в металевих стеклах при кімнатній температурі говорить про наявність локальних непружних перебудов зсуву в матеріалах цього класу. Припустивши, що металеве скло, яке досліджується, володіє полікластерною структурою можна укласти, що низькоенергетичні кооперативні перебудови зсуву типу дислокаційних петель на міжкластерних границях є основним джерелом сигналів АЕ.
З початком непружної деформації спостерігається зростання активності, загальної суми і амплітуди імпульсів АЕ, що дозволяє надійно визначати “акустичну” межу пружності металевого скла.
При кімнатній температурі спостерігається ефект Кайзера. Ефект Кайзера полягає в тому, що при повторному стиску сигнали АЕ будуть відстуні до моменту досягнення максимального попереднього навантаження мал. 10.
Мал. 10 Тимчасові залежності активності імпульсів при першому одноосном стиску (а) і повторному стиску (б) зразка; (в) - тимчасова залежність суми імпульсів при повторному стиску
Оскільки формування смуги зрушення і наступне крихке руйнування зразка відбувається за дуже короткий (не реєструємий нашою вимірювальною апаратурою) проміжок часу, АЕ, що спостерігається відбувається в основному до утворення смуги зрушення. Її джерелами, очевидно, служать дислокації, які зароджуються на міжкластерних границях і після цього рухаються через кластери на стадії непружної деформації.
Підрозділ 4.2 присвячен опису природи ефекта Кайзера в рамках моделі полікластерної структури металевих стекол.
Ефект Кайзера свідчить про виснаження дільниць найбільш легкого зародження і ковзання граничних дислокацій при першому навантажені, що служать джерелами АЕ.
Підрозділ 4.3 присвячен дослідженню повернення ефекта Кайзера в об'ємних металевих стеклах завдяки короткочасному відпалу.
В результаті відпалів тривалістю ~10 хв. При температурі на 300 нижче Тg. Спостерігається явище повернення ефекту Кайзера в об'ємних металевих стеклах Zr41Ti14Cu12,5Ni10Be22,5, Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10. Це явище зв'язане з зворотним ковзаннєм (в процесі відпалів) структури по міжкластерним границям. Процес зворотного ковзання є термоактивованим.
Висновки
При виконанні дисертаційної роботи була вирішена задача встановлення мікроскопічної природи механізмів пластичної деформації вивчених металевих стекол і показано, що всі особливості механічних властивостей цих матеріалів зумовлені їх полікластерною будівлею.
1. Аморфний сплав Zr53.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4 належить до класу високоміцних матеріалів, витримуючи навантаження більш 200 кг/мм2 при кімнатній температурі, що дозволяє використовувати його, як альтернативу таких конструкційних матеріалів, як високоміцні загортовані сталі.
2. Зо результатами механічних досліджень вперше побудована карта механізмів пластичної деформації (на площині (, Т)) досліджуваного металевого скла Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10. Це дає можливість встановлення температурно-швидкісних режимів використання даного металевого скла. Що розширює можливість практичного застосування цього матеріала.
3. Встановлено, що металеве скло Zr53.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4 є надпластичним в широкому температурному інтервалі (від 573 до 673 К), нижче температури склоутворення (Tg=702 К), при швидкостях навантаження від =2·10-4 до =8·10-3с-1. Нижня межа температурного інтервалу (573 К), в якому спостерігається стан надпластичністі, співпадає з початком термоактивованої рухливісті атомів, про що свідчать результати вимірів температурної залежності внутрішнього тертя. При швидкості деформації =2·10-4с-1 перехід від однорідної до неоднорідної пластичної деформації відбувається поблизу температури 573 К.
Результати цих досліджень суттєво вирішують питання практичного застосування та обробки цього металевого стекла у досить широкому температурно-швидкісному інтервалі.
4 Термоциклювання в температурному інтервалі 300…670 К не впливає на температурну залежність внутрішнього тертя. Це означає, що структурні зміни в околицях дефектів, що породжують внутрішнє тертя, несуттєві при вибраних режимах термоциклювання. Результати цього дослідження свідчать про стабільність механічних властивостей об'ємного металового стекла в режимах термоциклювання в озаначеній температурной області.
5. В процесі прокатки при високих швидкостях навантаження (~10-1) і температурах, близьких до Tg=702 К, зразки пружно деформуються аж до утворення смуги зсуву. Помітної однорідної пластичної деформації при цьому не виявлене. Цей результат визначає не можливість використання цього матеріала даному температурно-швидкісному режимі.
6. Вперше встановлено існування області значень і Т, при яких здійснюється змішана пластична деформація. В цьому режимі після досягнення межі пластичності починається дифузійно-в'язка течія по механізму Кобле, яка супроводжується генерацією та рухом дислокацій і утворенням смуг зсуву. Існування режиму змішанної пластичної деформації забезпечується полікластерною структурою металевого скла.
7. В ході одноосьового стиску зразків об'ємного МС Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 укладених в тонку мідну оболонку при температурі на ~30 К нижче температури склоутворення спостерігається змішана пластична деформація при порівняно високих швидкостях стиску 1,6·10-2с-1 і 3,3·10-2с -1. При вибраних температурно-швидкісних режимах одноосьового стиску зразки, поміщені в мідну оболонку, виявили надпластичність незважючи на множинне утворення смуг зрушення.
Тонка мідна оболонка відвертає утворення тріщин і руйнування зразка металевого стекла, що, звичайно, є наслідком утворення наскрізних смуг зрушення.
8. В об'ємних металевих стеклах Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10, Zr41Ti14Cu12,5Ni10Be22,5 в процесі одноосьового стиску при кімнатній температурі спостерігається емісія широкого амплітудного спектру акустичних імпульсів.
Наявність сигналів акустичної емісії в пружній області деформування в металевих стеклах при кімнатній температурі говорить про наявність локальних непружних перебудов зсуву в матеріалах цього класу. З початком непружної деформації спостерігається зростання активності, загальної суми і амплітуди імпульсів акустичної емісії, що дозволяє надійно визначати “акустичну” межу пружності металевого скла.
9. При кімнатній температурі спостерігається ефект Кайзера що свідчить про необернені процеси ковзання під дією навантаженя. З ростом навантаження виснажуються дільниці найбільш легкого зародження і ковзання граничних дислокацій. Ковзання по цих дільницях і служить джерелом акустичної емісії. Оскільки формування смуги зсуву і наступне крихке руйнування зразка відбувається за дуже короткий (такий, що не реєструється нашою вимірювальною апаратурою) проміжок часу, акустична емісія, що спостерігається, відбувається в основному до утворення смуги зсуву.
10. Спостережено явище повернення ефекту Кайзера в об'ємних металевих стеклах Zr41Ti14Cu12,5Ni10Be22,5, Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 в результаті відпалів тривалістю ~10 хв при температурі на 300 нижче Тg. Це явище ми пов'язуємо з зворотним ковзанням (в процесі відпалів) по міжкластерних межах. Релаксаційний процес зворотного ковзання, як видно, є термоактивованим.
Виявлене засобом польовій емісійної мікроскопії існування внутрішніх границь розділу в металевому стеклі Zr41Ti14Cu12,5Ni10Be22,5 - міжкластерних границь, дозволяє надійно встановити природу ефекту Кайзера зокрема і акустичної емісії в цілому, зв'язану з ковзанням по міжкластерних межах і рухом в площинах міжкластерних границь дислокацій що зародилися в тіла кластерів.
11. Процеси пружної і непружної пластичної деформації, що спостерігалися, знайшли пояснення в рамках полікластерної моделі металевих аморфних сплавів.
Список опублікованих робіт за темою дисертації
1. Бакай С.А., Неклюдов И.М.,. Савченко В.И, Экерт Ю. Исследование механизмов неупругой деформации объемного металлического стекла Zr53.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4. // Вопросы Атомной Науки и Техники. 2001. №2 (79), С. 12 - 18.
2. Бакай А.С., Бакай С.А., Михайловский И.М., Неклюдов, И.М. Стоев П.И., Махт М.-П. О природе эффекта Кайзера в металлических стеклах // Письма в ЖЭТФ. 2002. т.76, №4. С. 218 - 221.
3. Бакай С.А., Неклюдов И.М.,. Стоев П.И, Экерт Ю., У. Кюн. Механизмы пластической деформации - источники акустической эмиссии в объемном металлическом стекле Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10. // Металлофизика и Новейшие технологии. 2002. т. 24, №10, С. 1385 - 1396.
4. Бакай А.С., Бакай С.А., Неклюдов И.М., Савченко В.И., Стоев П.И., Экерт Ю., Кюн У. "О смешанной пластической деформации в объемных металлических стеклах" // Вопросы Атомной Науки и Техники. 2003. №3 (83), С. 151 - 153.
5. Бакай А.С., Бакай С.А., Неклюдов И.М., Стоев П.И., Экерт Ю., Кюн У., Махт М-П. "Возврат эффекта Кайзера в объемных металлических стеклах", Доповіді НАН України, 2003, №7, С. 91-95.
6. Бакай С.А., Неклюдов И.М.,. Савченко В.И, Экерт Ю., У.Кюн. О влиянии тонкой медной оболочки на пластическую деформацию объемного металлического стекла, // Металлофизика и Новейшие технологии. 2004. №3, т. 26, С. 337-344.
7. Неклюдов И.М.,. Савченко В.И, Бакай С.А., Экерт Ю. Температурная зависимость прочностных и релаксационных характеристик объемного металлического стекла Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10. Труды 14 международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. 2000. С. 70-71.
8. Бакай С.А., Неклюдов И.М.,. Савченко В.И. Механизмы пластической деформации объемного металлического стекла Zr52.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4. // Научные Ведомости. Издательство Белгородского государственного университета. 2001.№1 (14). С. 121 - 123.
9. Бакай А.С., Бакай С.А., Неклюдов И.М., Савченко В.И., Стоев П.И., Экерт Ю. Микроскопическая природа механизмов пластической деформации металлических стекол // Труды 15 международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. 2002. С. 41-42.
10. Бакай А.С., Бакай С.А., Неклюдов И.М., Савченко В.И., Камышанченко Н.В., Экерт Ю. У.Кюн, Влияние тонкостенной медной оболочки на пластическую деформацию объемного металлического стекла, "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений", 2003. С. 11-13.
11. A.S. Bakai, S.A. Bakai, I.M. Neklyuodov, P.I. Stoev, J. Eckert, M.-P. Macht. The Kaiser Effect in Metallic Glasses. LAM12. -2004. p. LAM12-BO3
12. A.S. Bakai, S.A. Bakai, J. Eckert, I.M. Neklyuodov, V.I. Savchenko. Mixed Vscous Plastic Flow and softening of Bulk Metallic Glasses. LAM12. -2004. p. LAM12-BO4.
Анотація
Бакай С.О. Механізми пластичної деформації в об ємних металевих стеклах. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 фізика металів. - Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, Україна, 2004.
Дисертаційна робота присвячена вивченню і встановленню природи механізмів пластичної і мікропластичної деформації в об'ємних МС, що до нинішнього часу залишалося мало вивченим питанням. Оскільки існує ряд суперечливих моделей структури МС і структурних дефектів, що є основними носіями пластичної деформації, результати цих досліджень стали для перевірки концепцій теоретичних моделей і уявлень, що лежать в їхній основі.
Досліджені механічні властивості об'ємного МС Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 засобом одноосьового стиску в вакуумі в широкому температурному інтервалі від кімнатних температур до температури склоутворення МС, Tg. Також вивчен вплив високотемпературної прокатки на зразки об'ємного МС при температурах близьких до Tg. Отримані експериментальні підтвердження існування змішаної пластичної деформації в об'ємному МС і вивчені процеси що зумовлюють змішану пластичну деформацію в МС. По Результатах механічних іспитів побудована карти механізмів пластичної деформації (на площині (, Т), - швидкість деформації) об'ємного МС Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10.
Вивчені процеси мікропластичної деформації об'ємного МС засобами виміру температурної залежності низькочастотного внутрішнього тертя і засобом акустичної емісії при кімнатній температурі.
Проведений аналіз результатів досліджень з метою перевірки уявлення про структуру МС і теоретичних пророкувань, отриманих в рамках різноманітних підходів, в результаті чого отриман адекватний опис процесів пружної і непружної пластичної деформації в об'ємних МС.
Ключові слова: об'ємні металеві стекла, полікластерна структура, пластична та мікропластична деформація, механічні властивості, карта механічних станів, надпластичність, акустична емісія, ефект Кайзера, внутрішнє тертя.
Аннотация
Бакай С.А. Механизмы пластической деформации в объемных металлических стеклах - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов. - Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”, Харьков, Украина, 2004.
Диссертационная работа посвящена изучению и установлению природы механизмов пластической и микропластической деформации в объемных МС, что до настоящего времени оставалось мало изученным вопросом. Поскольку существует ряд противоречивых моделей структуры МС и структурных дефектов, являющихся основными носителями пластической деформации, результаты этих исследований послужили для проверки концепций теоретических моделей и лежащих в их основе представлений.
Исследованы механические свойства объемного МС Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 методом одноосного сжатия в вакууме в широком температурном интервале от комнатных температур до температуры стеклования МС, Tg. Также изучено влияния высокотемпературной прокатки на образцы объемного МС при температурах близких к Tg. Получены экспериментальные подтверждения существования смешанной пластической деформации в объемном МС и изучены процессы обуславливающие смешанную пластическую деформацию в МС. По результатам механических испытаний построена карта механизмов пластической деформации (на плоскости (, Т), - скорость деформации) объемного МС Zr53.5Ti5Cu17.5Ni14.6Al10.4.
Изучены процессы микропластической деформации объемного МС методами измерения температурной зависимости низкочастотного внутреннего трения и методом акустической эмиссии при комнатной температуре.
Проведен анализ результатов исследований с целью проверки представлений о структуре МС и теоретических предсказаний, полученных в рамках различных подходов, в результате чего получено адекватное описание процессов упругой и неупругой пластической деформации в объемных МС.
Ключевые слова: объемные металлические стекла, поликластерная структура, пластическая и микропластическая деформация, механические свойства, карта механических состояний, сверхпластичность, акустическая эмиссия, эффект Кайзера, внутреннее трение.
Annotation
Bakai S.O. Mechanical properties of bulk metallic glasses.-- The manuscript.
The thesis submitted for PhD application in Physical and Mathematical Sciences; specialty 01.04.13 “Physics of Metals”-- National Science Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”, Kharkiv, Ukraine, 2004.
Dissertation is devoted to studying and an establishment of the nature of mechanisms of plastic and microplastic deformation in bulk metallic glasses that till now remained a poorly studied question. As there are a number of existent models of metallic glass structure and the structural defects being the basic carriers of plastic deformation, a result of these researches have served for check of concepts of theoretical models and supposes laying in their basis.
Mechanical properties of the bulk metallic glass Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 by uniaxial compression method in vacuum in a wide temperature interval from room temperatures up to glass transition temperature Tg of the metallic glass are investigated. Also it is investigated influences high-temperature rolling on samples bulk metallic glass at temperatures close to Tg. Experimental confirmations of existence of the mixed plastic deformation in bulk metallic glasses are received and processes causing the mixed plastic deformation in metallic glasses are investigated. By results of mechanical tests it is constructed map of mechanisms of plastic deformation (on a plane (, Т), - speed of deformation) bulk metallic glass Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10.
Processes of microplastic deformation bulk metallic glass are investigated by methods of measurement of temperature dependence of low-frequency internal friction and a method of acoustic emission at room temperature.
The analysis of results of researches is carried out with the purpose of check of concepts about metallic glasses structure and the theoretical predictions received within the framework of various approaches therefore the adequate description of processes of elastic and non-elastic plastic deformation in bulk metallic glasses is received.
Key words: bulk metallic glasses, polycluster structure, plastic and microplastic deformation, mechanical properties, a map of mechanical conditions, superplasticity, acoustic emission, Kaiser effect, internal friction.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Суть процесу формування верхнього шару металу в умовах пружної і пластичної деформації. Дослідження структурних змін і зарядового рельєфу поверхні при втомі металевих матеріалів. Закономірності формування енергетичного рельєфу металевої поверхні.
курсовая работа [61,1 K], добавлен 30.06.2010Основні властивості пластичної та пружної деформації. Приклади сили пружності. Закон Гука для малих деформацій. Коефіцієнт жорсткості тіла. Механічні властивості твердих тіл. Механіка і теорія пружності. Модуль Юнга. Абсолютне видовження чи стиск тіла.
презентация [6,3 M], добавлен 20.04.2016Вивчення процесу утворення і структури аморфних металевих сплавів. Особливості протікання процесу аморфізації, механізмів кристалізації та методів отримання аморфних і наноструктурних матеріалів. Аморфні феромагнетики. Ноу-хау у галузі металевих стекол.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 09.05.2010Залежність коефіцієнт теплового розширення води та скла від температури. Обчислення температурного коефіцієнту об'ємного розширення води з врахуванням розширення скла. Чому при нагріванні тіла розширюються. Особливості теплового розширення води.
лабораторная работа [278,4 K], добавлен 20.09.2008Розрахунок повітряної лінії електропередачі. Визначення впливу зовнішніх сил й внутрішніх факторів: напруги, деформації. Як будуть змінюватися ці параметри при зміні умов експлуатації. Розрахунок монтажного графіка. Опори повітряних ліній електропередачі.
дипломная работа [386,0 K], добавлен 24.01.2011Лінійна залежність між деформацією й механічними напруженнями в основі закону Гука. Види деформації, їх класифікація в залежності від поведінки тіла після зняття навантаження. Крива залежності напруження від деформації розтягу. Форма запису закону Гука.
реферат [110,4 K], добавлен 26.08.2013Визначення об’ємного напруженого стану в точці тіла. Рішення плоскої задачі теорії пружності. Епюри напружень в перерізах. Умови рівноваги балки. Рівняння пружної поверхні. Вирази моментів і поперечних сил. Поперечне навантаження інтенсивності.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 10.12.2010Вивчення закономірностей тліючого розряду, термоелектронної емісії. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту, впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів.
учебное пособие [452,1 K], добавлен 30.03.2009Вивчення основних закономірностей тліючого розряду. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників.
методичка [389,4 K], добавлен 20.03.2009Вивчення законів розподілу різних випадкових процесів нормального шуму, гармонійного і трикутного сигналів з випадковими фазами. Перевірка нормалізації розподілу при збільшенні числа взаємно незалежних доданків у випадковому процесі. Вимоги до роботи.
контрольная работа [644,2 K], добавлен 20.10.2009