Пластичность аморфных сплавов

Большинство ленточных образцов аморфных сплавов можно согнуть и разогнуть, не опасаясь их разрушения, однако степень деформации при испытании на растяжение очень мала, так как образец претерпевает сильно локализованную сдвиговую деформацию. Мера пластичности, за которую принимают остаточный угол загиба после изгиба образца на 180°, свидетельствует о том, что аморфные сплавы очень пластичны. Тем не менее, малая энергия разрушения, рассчитанная непосредственно из кривой напряжение — деформация, показывает, что на самом деле аморфные сплавы не столь пластичны, как это следует из испытаний на изгиб. В го же время, ударная вязкость (KIC, KIIIC) некоторых аморфных сплавов на основе железа сопоставима с таковой для высокопрочных материалов, как, например, для мартенситно-стареющих сталей. Отметим кстати, что линейная механика разрушения весьма продуктивна при описании сопротивления материала распространению трещины. Для большинства закаленных аморфных сплавов, однако, не характерно образование трещин ниже макроскопического предела текучести при изгибе, что предотвращает пластическую нестабильность при растяжении. Поэтому процесс разрушения в этом случае непригоден для измерения ударной вязкости. Кроме того, величины KIC для сплавов на основе железа и характер их изменения с изменением толщины образцов существенно зависят от параметров закалки. Этот факт означает, что в настоящее время трудно предложить величину ударной вязкости KIC в качестве приемлемого параметра ударной вязкости для ряда составов аморфных сплавов. Таким образом, необходимо сформулировать какое-то правило, которое помогло бы регулировать выбор соответствующего параметра ударной вязкости. Далее мы намереваемся предложить такие параметры разрушения, которые способны описать пластичность аморфных сплавов и дать физическое понимание структурной чувствительности пластичности. Особое внимание обратим при этом на микроскопический процесс разрушения.



Подходящим параметром для оценки того, насколько аморфный сплав является пластичным, может служить коэффициент стесненности пластической деформации L надрезанного образца. Это обусловлено тем, что L определяется с учетом затрудненности общего пластического течения, зависящей от угла расположения надреза. В случае механики разрушения у надреза в виде полосы в области его основания можно использовать хорошо известное упруго-пластическое описание и анализировать с его помощью характер локального разрушения. Коэффициент стесненности пластической деформации образца с двойным надрезом выражается соотношением

где PGY — общая нагрузка, соответствующая началу пластического течения; W — ширина образца; а — глубина надреза; t — толщина образца. Нa рис. 11.35 показана поверхность разрушения круглого образца аморфного сплава Pd78Cu6Si16 с 45°-ным надрезом. Поверхность разрушения состоит из круглой гладкой области у основания надреза, обусловленной стесненностью скольжения, и области, известной в литературе как венный узор. Последняя область соответствует пластическому удлинению на кривой нагрузка — растяжение и имеет характерную морфологию, обусловленную нестабильностью пластической деформации при растяжении. На рис. 11.36 изображено изменение макроскопического предела текучести для цилиндрических образцов аморфного сплава Pd78Cu6Si16, содержащих наружные продольные надрезы (т. е. с углом расположения надреза, равным 0), в зависимости от отношения глубины надреза к диаметру образца a/d. Образцы с неглубокими надрезами пластически деформируются с одной стороны надреза и далее через все поперечное сечение образца. Образцы с глубоким продольным надрезом реализуют стесненное пластическое течение через ширину надреза. При этом коэффициент стесненности пластической деформации достигает значения, равного 2,4, которое очень близко к верхнему пределу (2,96) для глубокой трещины и предсказанному на основании топологии линий скольжения согласно критерию Мизеса. Вооружившись этой информацией, можно сделать заключение, что аморфный сплав Pd78Cu6Si16 является идеально пластичным материалом.



Критерий локального разрушения при растяжении. Имеется критерий для описания механики вязко-хрупкого перехода в аморфных сплавах. Он в общем виде может быть представлен как

где оj — напряжение микроразрушения; оyу,mах— максимальное продольное напряжение; o — напряжение, приложенное к образцу, где существует трещина; Ke и Kp — соответственно коэффициент интенсивности напряжений и коэффициент интенсивности пластической деформации. Ниже опишем явление охрупчивания после отжига ленточного образца аморфного сплава Pd78Cu6Si16 с V-образным надрезом при помощи уравнения (11.28). Вышеуказанный сплав, обладающий большим коэффициентом стесненности пластической деформации, равным 2,4 (см. рис. 12.36), постепенно теряет пластичность. V-образный надрез позволяет рассчитать величину Kp, на основании картины линий скольжения. На рис. 11.37 показаны микроструктуры деформации и разрушения, наблюдающиеся на поверхности образцов аморфного сплава Pd78Cu6Si16, отожженных в течение 260 мин (область II, а), 330 мин (область II, б) и 720 мин (область IV, в) и испытанных в условиях плоской деформации (световая микроскопия). Они показывают различные характеристические признаки разрушения. Области I, IV можно определить в образцах, находящихся в условиях плоской деформации, как соответственно отражающие скольжение по достижении макроскопического предела текучести, зарождение трещины и нестабильное разрушение по достижении макроскопического предела текучести, хрупкое разрушение, сопровождающееся пластическим течением, и, наконец, чисто хрупкое разрушение. Имеются две характеристики морфологии поверхности разрушения образцов, испытанных в условиях плоской деформации: во-первых, трещина начинает расти гораздо ниже кончика надреза и, во-вторых, ее форма является гладкой и она распространяется по нормали к оси растягивающих напряжений. Эти характеристики удовлетворяют условиям напряжения микроразрушения оf, входящего в состав предложенного выше критерия разрушения. Нa рис. 11.38 показаны значения макроскопического предела текучести oGY, напряжения разрушения oF и напряжения, соответствующего появлению первых признаков скольжения, o1 для аморфного сплава Pd78Cu6Si16 в условиях плоской деформации в зависимости от времени отжига при 623 К. Можно наблюдать резкий вязко-хрупкий переход, отражающий поведение измеренных макроскопических характеристик. На рис. 11.39 изображены рассчитанные значения напряжения микроразрушения аf, максимального значения предела текучести под основанием надреза Kmaxoy и предела текучести при одноосном растяжении у основания надреза oy в зависимости от времени отжига при 623 К в условиях плоской деформации для аморфного сплава Pd78Cu6Si16 of = Ke,poflow,Y,F. Потерю пластичности можно объяснить как снижение напряжения микроразрушения, а не затруднением процесса скольжения. Как видно из рис. 11.38, предложенный нами критерий может объяснить вязко-хрупкий переход в условиях плоской деформации снижением (между областями II и III) напряжения микроразрушения ниже максимального значения предела текучести в продольном направлении.

Напряжение микроразрушения является следующим за коэффициентом стесненности пластической деформации L важнейшим физическим параметром разрушения аморфных сплавов. Напряжение микроразрушения закаленного аморфного сплава Pd78Cu6Si16 составляет >4,2 ГПа, что соответствует значению Е/20 (Е — модуль Юнга, равный 89,7 ГПа), что весьма близко к значению теоретической прочности Е/10. Можно сделать вывод, что пластичность аморфных сплавов непосредственно определяется более высоким напряжением микроразрушения в отличие от аморфных неорганических материалов.

Следует обратить внимание на то, что напряжение микроразрушения является структурно-чувствительной характеристикой материала в отличие от напряжения течения.

Отклонение от напряжения микроразрушения. Рассмотрим механику разрушения тонких образцов аморфных сплавов при испытании на изгиб. Модель предусматривает отклонение напряжения микроразрушения от предельного значения для различных аморфных сплавов. На рис. 11.40 показана поверхность разрушения тонкой ленты аморфного сплава Fe40N40P14B6, отожженной в течение 15 мин при 413 К, разрушение которой наступило после стесненной пластической деформации в поверхностном слое. Выше нейтральной оси образца в плосконапряженном состоянии видна линия пор, а полосы скольжения наблюдаются на поверхности образца. Чен и др. наблюдали аналогичное распределение пор по сечению изогнутых образцов после прохождения процесса пластической деформации в аморфном сплаве Fe75P16C9. Эти структурные особенности показывают, что разрушение начинается внутри образца, находящегося в условиях плоско-напряженного состояния и что происходит образование концентратора напряжений, обусловленного существованием полос скольжения. Введем коэффициент концентрации напряжений, обусловленный пластической деформацией Q. Критерий разрушения для тонких ленточных образцов аморфных сплавов можно записать так:

Температурная зависимость пластичности при испытании на изгиб (величина обратная критическому радиусу загиба) аморфного сплава Fe40Ni40P14B6 показана на рис. 11.41. На рис. 11.42 изображено изменение предела текучести (при температуре испытания) образцов, испытанных при различных температурах (см. рис. 11.41).

Меньший разброс экспериментальных данных на рис. 11.42, нежели на рис. 11.41, может служить доказательством достоверности проводимого анализа.

Напряжение микроразрушения можно получить путем пересечения линии, соответствующей степени деформации в поверхностных областях, DYP-1 и трансформированной кривой предела текучести при условии, что разрушение происходит также на поверхности образца (Q=1). Иными словами, приложенное напряжение на поверхности образца превосходит соответствующий предел текучести. Напряжение микроразрушения аморфного сплава Fe40Ni40P14B6, как удалось показать, составляет 2,88 ГПа. Это значение меньше, чем 4,2 ГПа для аморфного сплава Pd78Cu6Si16. Критерий хрупкости на растяжение описывает независимое от температуры напряжение микроразрушения как параметр пластичности, а обратный радиус загиба (т. е. пластичность при изгибе) описывает температурную зависимость, показанную на рис. 11.41. Основываясь на уравнении (11.28), можно определить коэффициент концентрации напряжений при пластической деформации ленточных образцов аморфного сплава Fe40Ni40P14B6 в зависимости от 1/D, как это показано на рис. 11.43. Подобную зависимость можно использовать для расчета напряжения микроразрушения для отожженного аморфного сплава Fe40Ni40P14B6 при известном значении предельной деформации в поверхностных областях изогнутых ленточных образцов. Максимальное значение этого коэффициента может оказаться зависящим от состава.