Введение к работе
Актуальность работы Объемная аморфизация металлических расплавов в настоящее время является наиболее перспективным способом получения массивных материалов толщиной более 1 мм с высоким уровнем свойств, обусловленных их особой структурой. Одним из способов получения объемных аморфных сплавов (ОАС) является закалка из жидкого состояния, реализуемая при этом скорость охлаждения составляет -1-Ю3 К/с, а толщина аморфного слоя может достигать нескольких см.
В последние годы все большее внимание привлекает группа ОАС на основе Fe, Ni, Со. Эти сплавы имеют довольно высокую стеклообразующую способность с толщиной аморфного слоя от 1 до 12 мм, что ниже, чем для лучших сплавов на основе Zr и Pd. Однако получение сплавов этого типа имеет большое практическое значение, учитывая их высокие свойства (магнитные, прочностные, коррозионные и резистивные характеристики) и широкие перспективы использования в качестве конструкционных и функциональных материалов.
Изучению стеклообразующей способности металлических систем и возможности ее повышения посвящено большое количество работ. Основным направлением исследований является поиск составов сплавов, которые легко могут быть переведены в аморфное состояние при помощи простых и технологичных методов. Как правило, объемно-аморфизующиеся сплавы характеризуются многокомпонентным составом. Чаще всего выбор состава проводится с помощью нескольких эмпирических правил, что не всегда может обеспечить достижение требуемых свойств и высокой стеклообразующей способности. Наряду с этим перспективным способом повышения стеклообразующей способности является выбор оптимальных параметров получения ОАС из расплава. Последнее обусловлено тем, что в зависимости от своей предыстории расплав может находиться в различных структурных состояниях, которые в той или иной степени наследуются при его затвердевании и оказывают влияние на процессы структурообразования. Однако проблеме взаимосвязи и роли жидкой фазы в процессе аморфизации уделяется чрезвычайно мало внимания. В связи с этим, большое значение для выбора условий получения ОАС представляет детальное исследование структурно-чувствительных свойств их расплавов. Для этого требуются надежные экспериментальные данные, особенно в области высоких температур, и понимание природы и механизма наблюдаемых явлений в жидкой фазе и их проявления при затвердевании. Цель работы: исследование закономерностей влияния состояния жидкой фазы на процессы затвердевания сплавов на основе Со, Ni и Fe, проявляющих различную склонность к объемной аморфизации.
Для этого в работе решались следующие основные задачи; 1. исследовать температурные и временные зависимости вязкости жидких сплавов
на основе кобальта (Co69Cr3Sii8Bi0, Co65,5Cr6i5Sii8Bi0, Coc5,5Fe6,5Si|8Bio), никеля
(Ni64,4Fe4Cr4,9Mn2Bi6i2Co,5Si8) и железа (Fe5oCr,5MoHCi5B6);
2. исследовать влияние температуры выбранных расплавов на их переохлаждение и
процесс кристаллизации;
3. исследовать изменение структуры слитков сплавов выбранных составов в
зависимости от температуры перегрева их расплавов и условий охлаждения.
Научная новизна:
-
Впервые обнаружены аномалии на политермах вязкости жидких сплавов Co(,„Cr3Sil8B|0, Co65,5Cr6,5Sii8B,o, Co65,5Fe6,5Sii8B10 вблизи 1220С, 1340С и 1280С соответственно, обусловленные изменением структурного состояния жидкой фазы и переходом низкотемпературного состояния расплавов в высокотемпературное, которое при последующем охлаждении сохраняется вплоть до затвердевания.
-
Впервые показано, что перегрев расплавов Co69Cr3Si18Bio, Cof,5,5Cr6,5Si18Bio, CO(,5.5Fe,,5Si|8B|o выше температур аномалий на политермах вязкости приводит к изменению их переохлаждения и характера кристаллизации борида Со2В и силицида Co2Si.
-
Впервые обнаружены аномалии на политермах вязкости расплавов NiM.4Fe4Cr4,,Mn2B|6i2C0,5Siii и Fe5oCr15MO|4C,5B6 вблизи 1430С и 1380С, 1520С соответственно, обусловленные обратимыми структурными превращениями в них и изменением типа ближнего упорядочения в равновесных микрогруппировках атомов и растворением неравновесных вблизи соответствующих для каждого сплава температур.
-
Впервые показано, что структурные превращения в жидких сплавах Ni(,4,4Fe4Cr4,9Mn2B|f),2Co,5Si8 и Fe5oCrisMoi4C|5B6 приводят к увеличению их переохлаждения и изменяют процесс кристаллизации т-фазы.
Достоверность результатов Достоверность результатов, основных положений и выводов диссертации обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик, статистико-вероятностнои обработкой данных, а также воспроизводимостью результатов экспериментов.
Практическая ценность работы Решение поставленных в работе задач имеет фундаментальное и прикладное значение. В работе изучены закономерности влияния состояния исходной жидкой фазы многокомпонентных сплавов Co<»Cr3Si|8B|o, Co^sCrfoSimBu), Co65,5Fe<-,,5Sii8Bw, Ni64,4Fe4Cr4!9Mn2Bif,i2Co,5Sig, FesoCrisMonC^ и ее предыстории на процессы их кристаллизации и объемной аморфизации. Полученные температурные и временные зависимости вязкости, а также значения величин переохлаждения и температур структурных переходов в исследованных расплавах могут быть использованы для оптимизации технологических режимов закалки при получении массивных образцов с максимальной долей аморфной фазы. Автор защищает:
- Результаты оригинальных экспериментальных исследований температурных и временных зависимостей вязкости расплавов Co69Cr3SiiRB|0, CoM.sCr^SiisBio,
Co6S,5Fe6t5Si|sBio, Ni64,4Fe4Cr4i9Mn2Bi6,2Co,5Si8, Fe5oCri5MO|4C,5B6, в т.ч. аномалий при определенных температурах, и их влияние на процессы затвердевания исследованных жидких сплавов.
- Положение о том, что изменение структурного состояния исследованных
расплавов вблизи температур аномалий вязкости оказывает влияние на их
переохлаждение и процессы структурообразования.
- Положение о том, что наибольшая стеклообразующая способность в условиях
охлаждения со скоростью 103К/с наблюдается при закалке от температур расплава
вблизи температуры ликвидус для сплава Ni64,4Fe4Cr4,9Mn2B|6,2Co,5Si8 и температуры
структурного превращения для сплава Ре5оСг|5Моі4С|5В6, при кристаллизации от
которых доля т-фазы (М23С6) в слитках максимальна.
Выполнение работы Работа выполнена в лаборатории аморфных сплавов отдела структурно-фазовых превращений ФТИ УрО РАН в соответствии с планом научно-исследовательских работ «Структурно-фазовые превращения (термические, концентрационные, деформационные) и структурная наследственность в жидком, аморфном, нано- и кристаллическом состояниях (№ гос. per. 0120.0 603321), программы фундаментальных исследований Президиума РАН (09П-2-1023), грантов РФФИ, интеграционного гранта УрО и СО РАН.
Личный вклад автора диссертации Диссертация является законченной научной работой, в которой обобщены результаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве. Автором лично исследованы температурные и временные зависимости вязкости расплавов на основе системы Co-(Cr,Fe)-Si-B, а также процессы их затвердевания. Совместно с Л.В. Камаевой проведены исследования вязкости расплавов Ni64,4Fe4Cr4,9Mn2Bi6j2Co,5Si8 и FeSoCri5Moi4CisB6 и процессов их затвердевания. Совместно с Н.В. Кураковой, В.В., Молокановым, П.П. Умновым проведены исследования стеклообразующей способности расплава на основе никеля в зависимости от их температуры.
Обсуждение экспериментальных результатов и их интерпретация проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7 международных и 11 российских научных конференциях и семинарах: III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2005); X International conference on the structural of non-crystalline materials (Praha, 2007); Eutectica - VII (Dnepropetrovsk, 2007); 13"' International Conference on Liquid and Amorphous Metals (Ekaterinburg, 2007); International symposium on Bulk Nanostructured Materials: from fundamentals to innovations (Ufa, 2007); 7th International Liquid Matter Conference (Lund, 2008;); The 13lh International Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials (Dresden, 2008); XII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых
расплавов» (Екатеринбург, 2008); Втором Российском симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов» (Ростов-на-Дону, 2009); Всероссийской конференции «Функциональные материалы и высокочистые вещества» (Москва, 2009), 5й International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems (Kyiv, 2010); XI Конференции молодых ученых «Проблемы физики твердого тела и высоких давлений» (Сочи, 2010).
Публикации Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, 1 статье в сборниках научных трудов и 18 тезисах докладов конференций.
Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов по каждой главе, основных результатов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 125 страницах, содержит 9 таблиц и 52 рисунок. Список цитируемой литературы включает 155 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Содержание работы
