Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы всё возрастающее внимание исследователей привлекает возможность существенного повышения физико-механических свойств металлических материалов путём использования сверхвысоких пластических (мегапластических) деформаций. Одним из распространённых способов создания гигантских степеней деформации является кручение под давлением в камере Бриджмена. Формирующиеся при столь гигантских деформациях структурные состояния весьма необычны и трудно предсказуемы. В особой степени это относится к появившимся сравнительно недавно экспериментам по мегапластической деформации (МПД) аморфных сплавов (АС), в результате которой формируется нанокристаллическое состояние.
Существует несколько методов получения металлических сплавов с аморфной структурой. Наиболее распространенным среди них является метод быстрой закалки из расплава на вращающемся барабане (спиннингование), позволяющий получать аморфные сплавы в широком интервале составов и физико-механических свойств.
Представляется весьма перспективным реализовать комбинированное воздействие закалки из расплава и мегапластической деформации для получения новых наноструктурных состояний и, как следствие, перспективных физико-механических свойств. Понимание природы и характера структурных и фазовых изменений, происходящих в материале, подвергающемуся МПД, является необходимым для создания нового класса материалов с улучшенными свойствами.
Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы был анализ фазовых и структурных превращений в аморфных и нанокристаллических сплавах на основе железа в условиях различных температур и величин деформации при интенсивном сдвиге под давлением.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1.Установить структурные особенности выделения кристаллических фаз в процессе мегапластической деформации аморфных сплавов Ni44Fe29Coi5BioSi2, Fe5oNi33Bi7, Fe58Ni2jB,7, Fe7oCr13B,j, Fe74Sii3B9Nb3Cui в зависимости от температуры и степени деформации.
2. Определить морфологию полос сдвига, формирующихся на различных стадиях мегапластической деформации аморфных сплавов и провести анализ природы образования нанокристаллов в полосах сдвига.
3.Выявить влияние структуры, формирующейся на различных этапах мегапластической деформации, на механические свойства ферромагнитных аморфных сплавов.
4. Подобрать оптимальные режимы деформационной обработки для повышения магнитных и прочностных характеристик модельных и промышленных аморфных сплавов.
Научная новизна.
1.Впервые установлены основные закономерности изменения структуры и физико-механических свойств аморфных сплавов в результате мегапластической деформации при кручении под давлением в камере Бриджмена.
-
Обнаружено, что термически активируемые процессы нанокристаллизации в условиях мегапластической деформации могут реализоваться при криогенных (77 К) температурах.
-
Обнаружено аномальное изменение механических и магнитных характеристик на стадии предвыделения нанокристаллов.
4.Обнаружен эффект изменения характера нанокристаллизации по мере увеличения мегапластической деформации от гетерогенного к гомогенному. Предложен структурный механизм этого явления, связанный с самоторможением и делокализацией полос сдвига, распространяющихся в аморфной матрице.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
І.Нанокристаллизация аморфных сплавов на основе железа в процессе мегапластической деформации протекает в сильно локализованных полосах сдвига и обусловлена высоким уровнем действующих напряжений и локальным повышением температуры.
2.Нанокристаллизация аморфных сплавов имеет место в процессе деформации в камере Бриджмена как при комнатной (298 К), так и при криогенной (77 К) температурах. Наблюдается ограничение размера продуктов кристаллизации (до 20 нм), обусловленное эффектом деформационного растворения.
3.Критический порог деформации, при котором происходит смена пластического течения с гетерогенного на гомогенный, а также средний
размер и объемная плотность нанокристаллов зависят от химического состава аморфного саіава и температуры мегапластической деформации.
-
Аморфное состояние обнаруживает тенденцию к переходу при мегапластической деформации в нанокристаллическое состояние, а кристаллическое состояние- в аморфное.
-
В процессе мегапластической деформации происходит делокализация полос сдвига и переход от сильно локализованного характера нанокристаллизации к гомогенному по всему объему аморфной матрицы.
-
На ранних стадиях мегапластической деформации происходят процессы внутрифазового расслоения аморфной «фазы», которые приводят к аномальному изменению механических и магнитных характеристик ферромагнитных сплавов.
Практическая ценность работы. На основании проведенного исследования предложены режимы деформационной обработки, существенно повышающие намагниченность насыщения и твёрдость ряда изученных аморфных сплавов. Предложен метод ' построения параметрических магнитомеханических петель, которые позволяют выбрать режим мегапластической деформации для получения оптимального сочетания магнитных и прочностных характеристик. Предложен способ обработки магнитно-мягких ферромагнитных материалов с целью повышения намагниченности насыщения аморфных сплавов. Способ защищен патентом РФ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: III Международная школа по физическому материаловедению. "Наноматериалы технического и медицинского назначения". Россия, г. Тольятти, 24 - 28 сентября 2007 г; IV Евразийская научно-практическая конференция Прочность неоднородных структур "ПРОСТ-2008". Россия, г. Москва, 8 - 10 апреля 2008 г; 8-ой Международный симпозиум хорватского металлургического общества Материалы металлургии. "SHMD-2008". Хорватия, г. Шибеник,.22 - 26 июня 2008 г; 4-я Международная конференция по наноматериалам, полученным интенсивной пластической деформацией "NanoSPD4". Германия, г. Гослар, 17-23 августа 2008 г; V Международная конференция "Фазовые превращения и прочность кристаллов". Россия, г. Черноголовка, 17-21 ноября 2008г; III Всероссийская конференция по наноматериалам "НАНО2009". Россия, г. Екатеринбург, 20 - 24 апреля 2009
г; 2-й Международный симпозиум Объёмные наноструктурные материалы: от науки к инновациям "BNM-2009". Башкортостан, г. Уфа, 22 - 26 сентября 2009 г; XIX Петербургские чтения по проблемам прочности. Россия, г. Санкт-Петербург, 13-15 апреля 2010 г; 9-й Международный симпозиум хорватского металлургического общества Материалы металлургии "SHMD-2008". Хорватия, г. Шибеник, 20 - 24 июня 2010 г; 3-я Международная конференция "Теоретические и прикладные аспекты влияния внешних полей на материалы". Китай, г. Шенжен, 26-28 мая 2010 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 4 статьи, 1 патент, 12 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы из 119 наименований, 3 приложений. Диссертация изложена на 156 страницах, содержит 3 таблицы, 10 формул и 79 рисунков.
