Выявление механизмов формирования механических свойств тонкой ленты металлического сплава при импульсной лазерной обработке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Сафронов Иван Сергеевич

Выявление механизмов формирования механических свойств тонкой ленты металлического сплава при импульсной лазерной обработке

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

21 НОЯ 2013

005539668

Великий Новгород - 2013

005539668

Диссертационная работа выполнена на кафедре теоретической и экспериментальной физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, доцент Ушаков Иван Владимирович, профессор кафедры физики ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

доктор технических наук, профессор Карачинов Владимир Александрович, профессор кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры ФГБОУ ВПО «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»

кандидат физико-математических наук

Антошина Ирина Александровна,

доцент кафедры материаловедения Обнинского

института атомной энергетики - филиала ФГАОУ ВПО

«Национальный исследовательский

ядерный университет «МИФИ»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Защита состоится «_4_» декабря 2013 года в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.168.11 федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого», по адресу: 173003, Россия, Великий Новгород, ул. Большая Санкт-Петербургская, 41, ауд. 6 пот.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого».

Автореферат разослан «_27_» октября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.168.11

Коваленко Д.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время широкое применение получили аморфные металлические сплавы (AMC) и аморфно-нанокристаллические металлические сплавы (АНМС). AMC и AHMC MOiyr обладать уникальными физическими свойствами. Известны АНМС с высокими значениями твёрдости, модуля Юнга, вязкости. Ряд АНМС характеризуется сверхвысокой магнитной проницаемостью, близкой к нушо магнитострикцией, высокой коррозионной и радиационной стойкостью. Магнитные свойства ряда AMC 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) AMC 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:

1. Выявить механизм формирования механических свойств тонкой ленты АНМС, подвергаемого воздействию наносекундных лазерных импульсов.

2. Разработать модель залечивания трещин в наноструктурном материале с учётом специфики нагрева образца наносекундными лазерными импульсами.

3. 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.

4. С учётом специфики тонких лент АНМС и на основе существующих методов механических испытаний усовершенствовать методику определения пластических свойств локальных милли- и микрообластей лазерной обработки.

5. Установить режимы обработки, обеспечивающие получение тонкой ленты АНМС с определёнными свойствами.

Научная новизна исследования:

1. Впервые выявлен механизм формирования механических свойств тонкой ленты АНМС при лазерной обработке наносекундными импульсами с высокой плотностью мощности.

2. Впервые разработана модель залечивания трещин в тонкой ленте АНМС, подвергаемого воздействию серии наносекундных лазерных импульсов.

3. Для тонких лент АНМС предложена усовершенствованная методика определения пластической характеристики е" в локальных областях лазерной обработки милли- и микромасштабных размеров.

4. Впервые экспериментально установлены закономерности изменения микротвёрдости и пластической характеристики е" в зависимости от расстояния до центра зоны лазерной обработки для образцов АНМС 82КЗХСР, характеризующихся различными нанокристаллическими структурами.

5. Экспериментально установлены особенности одновременного повышения микротвёрдости Hv и пластической характеристики материала е" на пограничных участках области лазерного оплавления тонкой ленты АНМС.

6. 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 г" вблизи границ области лазерного оплавления, могут быть использованы для формирования механических свойств тонких лент АНМС.

Разработанная программа «STATIST1K_CR» (гос. регистрация программы для ЭВМ № 2012615576) позволяет автоматизировать обработку экспериментальных данных при изучении пластических свойств тонких лент AMC и АНМС.

Способ определения пластических характеристик пленок многокомпонентных АНМС (патент № 2494039) может быть использован для механических испытаний милли- и микромасштабных областей лазерной обработхи.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Механизмы формирования механических свойств тонкой ленты АНМС, подвергаемого воздействию наносекундных лазерных импульсов.

2. Модель залечивания трещин в аморфно-нанокристаллическом материале, подвергаемом воздействию серии наносекундных лазерных импульсов с высокой плотностью мощности.

3. Методика определения пластической характеристики е тонких лент АНМС, позволяющая выявлять изменения пластических свойств материала в пределах локальных областей лазерной обработки милли- и микромасштабных размеров.

4

4. Зависимости изменения микротвёрдости и пластических свойств лазерно-обработанных участков тонкой ленты многокомпонентного АНМС 82КЗХСР в зависимости от расстояния до центра лазернообработанных областей.

5. 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 на-номатериалы и высокочистые вещества» (Москва, 2012 г.); 52-й Междунар. конф. «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012 г.); XI Междунар. конф. «Структур ные 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.).

Струкггура 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, показана актуальность, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведён критический обзор литературных данных, по-свящённых структуре и свойствам аморфных и аморфно-нанокрисгаллических материалов. Рассмотрены имеющиеся представления о процессах перестройки структуры аморфно-кристаллических наноматериалов под действием термической обработки. Систематизированы литературные данные о структурных осо-

бенностях и свойствах таких материалов. Обсуждены работы, посвященные формированию при термической обработке AMC метастабильной аморфно-

нанокристаллической структуры.

Проведён анализ современной научной литературы, посвященной взаимодействию лазерного излучения с твёрдыми материалами, характеризующимися различными физическими свойствами. Рассмотрены современные представления о механизмах формирования структуры и свойств металлических сплавов при лазерной обработке.

Особое внимание было уделено систематизации литературных данных, посвященных закономерностям кристаллизации, широко используемого на практике AMC марки 82КЗХСР (CoTi.aBvjFej^Crj.MSin.i»). Показано, что рентгенограммы исследуемых образцов могут быть объединены в 4 группы, относящиеся к интервалам температур отжига 538-718, 748-823, 838-943 и 9731183 К. Образцы первой группы являются рентгеноаморфными. Средний размер кристаллитов для второй и третьей групп рентгенограмм (748-823 и 838943 К) составил 30-50 нм. В образцах четвёртой группы, несмотря на протекающие процессы кристаллизации и рекристаллизации, значительная часть материала остаётся аморфной (рентгеноаморфной).

На основании анализа литературных данных обоснован выбор в качестве объектов исследования тонких лент AMC 82КЗХСР, сформулирована цель работы и определены задачи исследования.

Во второй главе исследована специфика нагрева локальной области образца импульсным лазерным излучением и разработана модель залечивания трещин в наноструктурном материале с учётом особенностей нагрева образца на-носекундными лазерными импульсами.

Исследования проводили на ленте AMC ^^ббВ^зРез^Сгз.^п.да толщиной 30 мкм (Ашинский металлургический завод). Для перевода AMC в аморфно-нанокристаллическое состояние образцы размером 15x25 мм подвергали изотермическому отжигу в печи с выдержкой 10 мин в интервале температур отжига 800-923 К. Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-2. Образцы наносили на полимерную подложку с металлическим основанием. Микротвёрдость подложки «3,6*10 Па. Основная часть экспериментов проведена с использованием следующих оптических квантовых генераторов (ОКГ): 1) ОКГ ELS-01, Е™ - 50-100 мДж, v„ - 1-50 Гц, Х=1064нм, т«15-20 не; 2) ОКГ LS 2137, Еюш«250 мДж, >.=1064 нм, т«15-17 не. Образцы облучали импульсами с плотностью мощности 9*1013 Вт/м2 (в ходе экспериментального поиска плотность мощности импульсов варьировали от 3*1012 Вт/м2 до 3*10 Вт/м ).

Обработка наносекундным лазерным импульсом приводит к формированию округлого участка с оплавленной поверхностью. При обработке образца, движущегося со скоростью 10'2 м/с, формируется вытянутая полоса шириной »480 мкм, образованная из наложенных друг на друга округлых областей.

Задачу исследования особенности прогрева материала решали численными методами, используя уравнение теплопроводности:

где р - плотность среды, cv - теплоёмкость среды при постоянном объёме V; t - время; х, у, z - координаты; Т=Т(х, у, z,T) - температура; Л - коэффициент

теплопроводности; Р=Р(х, у, г) - заданная плотность тепловых источников. Величины р, X зависят от координат и, вообще говоря, от Т.

За время воздействия лазерного импульса и лазерной плазмы успевают прогреться только поверхностные слои материала (рис. 1а). После окончания воздействия лазерного импульса и плазмы расплавленный материал затвердевает (кристаллизуется), а затем поверхностные слои образца начинают остывать. При этом часть энерг ии рассеивается в окружающей среде, а часть идёт на нагрев образца и верхней части подложки (рис. 16). На основании изучения особенностей прогрева образца и с учётом свойств подложки установлено, что для использованных режимов обработки сохраняется целостность композита «образец-подложка».

Результат воздействия лазерного излучения на материал зависит, в том числе и от его температуры. В том случае, если образец обрабатывали серией из 10 лазерных импульсов с частотой 25 Гц, материал нагревался, а к началу десятого импульса температура образца (на границе с подложкой) составляла »350 К.

Трещины являются зародышами разрушения, а вершины трещин могут быть концентраторами высоких механических напряжений. Как следствие, релаксация механических напряжений в вершине трещин, полное или частичное их залечивание будут способствовать повышению механической прочности материала.

В результате воздействия лазерных импульсов поверхность материала прогревается, а одновременное воздействие шокового давления «Ю10 Па в нагретом материале может приводить к залечиванию трещин.

Поры и трещины в аморфно-наиокристаллических материалах имеют определённую специфику. Поверхность трещины может иметь сложный рельеф, наблюдаются различные углы раскрытия при вершине и пр. С использованием компьютерного моделирования оценивали вероятность залечивания трещины в зависимости от угла при вершине и особенностей рельефа поверхностей. Рельеф поверхности трещины определяли генератором случайных (псевдослучайных) чисел (ГСЧ). За критерий залечивания трещины принимали сближение берегов трещины до их контакта. Для того чтобы берега трещины могли сблизиться, необходимо совершить работу по пластическому деформированию (выдавливанию) материала из неоднородностей, расположенных на поверхностях трещины.

А, 10 м

к. 101

10 м

а) б)

Рис. 1. Распределение температуры в образце, где цифрами обозначен прогрев слоев (01 - область воздействия лазерного импульса, 02 - образец, ОЗ - подложка,

1 - расстояние от центра области нагрева, к - глубина): а) через 2*10"7 с после начала воздействия лазерного импульса на поверхность образца, 1 - 2850-2300 К

2 - 2300-1700 К, 3 - 1700-1200 К, 4 - 12.00-700 К, 5 - 700-300 К; б) через 0,04 с после воздействия лазерного импульса на поверхность образца 1 - 316-312 К, 2 - 311-309 К, 3 - 309-307 К, 4 - 306-303 К, 5 - 303-300 К

Был разработан алгоритм программы, позволяющей моделировать особенности рельефа поверхностей трещины:

1) задаётся произвольный угол при вершине трещины;

2) задаются две матрицы точек, моделирующие две поверхности трещины;

3) с использованием ГСЧ определяется количество неоднородностей (Нтах1 и Ытах2) и их координаты на поверхностях трещины;

4) с использованием ГСЧ определяется площадь каждой неоднородности и уточняется суммарная площадь, занимаемая всеми неоднородностями:

^«»ХЙГ^+^ЗГ^ (2)

5) в соответствии с условием, что суммарная площадь неоднородностей не должна превышать площадь поверхностей трещины (85ит1<8сгЬ $„,т2^сг2), уточняется количество неоднородностей (Мт51 и Мтй) на поверхностях трещины;

6) итоговое количество неоднородностей определяется формулой:

1^Н0=гшп(1^тахЬ Ыт51)+ тт(Мтах2, ТЧт52); (3)

7) с использованием ГСЧ определяется характер неоднородности (выпуклый или вогнутый участок): У>0, У<0;

8) подсчитывается объём материала, который должен подвергнуться пластической деформации при смыкании берегов трещины. Для этого с использованием ГСЧ определяется высота неоднородностей Ь:

I/ < Уп , .9 - к (4)

Энергия, необходимая для залечивания трещины, определённым образом зависит от объёма вытесняемого материала. На основании результатов компьютерного моделирования построен график вероятности залечивания трещины в зависимости от угла раскрытия (рис. 2). При проведении моделирования было принято, что вероятность залечивания трещин с углом раскрытия 11° равна 0,5.

Эффективность залечивания выше при воздействии серии лазерных импульсов из-за возможного изменения рельефа поверхностей и прогрева материала (процессы залечивания резко активизируются при повышении температуры). Таким образом, залечивание трещин является вероятностным процессом, причём в первую очередь будут залечиваться трещины с малым углом раскрытия, в вершине которых возможно формирование высоких механических напряжений.

Воздействие серии лазерных импульсов способно привести к одновременному повышению микротвёрдости и пластичности, что возможно в материале, в котором незначительное количество пор и трещин.

Таким образом, результаты моделирования могут быть верифицированы экспериментальными исследованиями механических свойств лазернообработанных участков АНМС, чему и посвящены следующие главы.

0.8 0.6 0.4 0.2

О __

--Г—-Г——1--—1 "1-I-1

6 X 10 12 14 16 18 20 22 и. градусы

Рис. 2. Зависимость вероятности залечивания трещины (XV) от угла её раскрытия (а)

Третья глава посвящена исследованию процессов деформирования и разрушения, а также выявлению закономерностей изменения микротвёрдости АНМС, подвергнутого воздействию лазерного излучения.

Испытания локальным нагружением пирамидкой Виккерса проводили на оплавленных участках облучённой зоны, на границе между исходным и облучённым материалом, а также в исходном материале на расстоянии до 600 мкм от края облучённой области. Разрушение инициировали нагружением пирамидкой Виккерса с нагрузкой 2,94-3,92 Н.

Индентирование начинали проводить на оси симметрии полосы отжига (нулевая точка). Затем проводили индентирование, отступая от нулевой точки, вдоль прямой, перпендикулярной к оси симметрии. Каждая экспериментальная точка установлена по результатам 20 испытаний. Экспериментально полученные зависимости микротвёрдости от расстояния до оси симметрии полосы отжига (рис. За) необходимо сопоставить с рентгенограммами образцов.

В пределах каждой группы рентгенограммы незначительно меняются, что неизбежно сопровождается как процессами рекристаллизации, так и процессами изменения химического состава аморфной матрицы. Диапазон температур отжига образцов был выбран таким образом, чтобы исследовать образцы с разной нанокрист;ш!ической структурой, а также вблизи температур рекристаллизации (823-838 К), при которых исчезает первая и формируется вторая метастабильная аморфно-нанокристаллическая структура.

Микротвёрдость исходного АНМС минимальна при ТО1ж=803 К (рис. За, зависимость № 1). Особенностью данной зависимости является монотонное возрастание микротвёрдости примерно с 8 до 11 ПТа. Микротвёрдость зависимостей № 2-5 имеет локальный минимум на границе зоны облучения (рис. За). Локальный максимум отмечен на расстоянии 360 мкм, это материал, непосредственно прилегающий к оплавленной зоне. Зависимости № 2-3 соответствуют образцам с различной структурой (температура рекристаллизации »830 К). Указанные зависимости меняются «синхронно». Синхронное изменение зависимостей №2-3 свидетельствует. что кроме исходной нанокристаллической структуры на микротвёрдость материала после лазерной обработки влияют и другие факторы, например, свойства аморфной матрицы. Микротвёрдость лазернообработанного материала с повышением температуры отжига в целом возрастает (рис. За), что соответствует тенденции возрастания микротвёрдости исходного АНМС.

Следующий диапазон температур отжига был выбран таким образом, чтобы все температуры отжига 873, 883, 893, 913, 923 К: 1) находились внутри диапазона № 3, соответствующего существованию второй метастабильной аморфно-нанокристгшлической структуры; 2) были достаточно далеки от температур рекристаллизации (830 К и 970 К). Для зависимостей микротвёрдости от расстояния до оси симметрии зоны лазерной обработки (рис. 36) выделены характерные закономерности: микротвёрдость в центральных областях облучённой зоны всегда ниже исходного значения; все зависимости имеют локальный максимум на расстоянии 360 мкм; микротвёрдость материала возрастает по мере приближения к границе зоны облучения, причём для второй и третьей точек микротвёрдость тем выше, чем выше была микротвёрдость исходного материала. Для большинства образцов минимальное значение микротвёрдости фиксируется в центральных областях полосы оплавления.

Н1-. ГШ 14 ]

171

15

13

* ■

■

-Н *

Ну. ГПа 19 17 15 13

*

Д * ♦

■ 4 ♦

870 5, мкм

а)

б)

Рис 3 Зависимость микротвёрдости от расстояния до оси симметрии области лазерной обработки: а) 1 - 803 К, 2 - 823 К, 3 - 838 К, 4 - 853 К, 5 - 863 К; б) 1 - 873 К, 2 - 883 К, 3 - 893 К, 4 - 913 К, 5 - 923 К

В центральной части оплавленной области при индентировании появляются линии локализованного сдвига, характерные для аморфного материала. Скорости нагрева и охлаждения металлического сплава при воздействии лазерных импульсов с указанными характеристиками достаточны для аморфиза-ции поверхности образца. Аморфизация и/или кристаллизация поверхности определяются временем облучения и условиями теплоотвода в различных участках облучённой области.

В результате индентирования участков образца, удалённых от области обработки на 500 мкм и более, формируется обширное разрушение с образованием трещин, преимущественно ориентированных параллельно граням индентора и образующих фигуры, схожие с вложенными квадратами, что характерно для разрушения хрупкого АНМС при индентировании на подложках.

При индентировании в границу зоны лазерной обработки на облучённом материале видны линии сдвига, характерные для аморфного материала, однако, на облучённой части материала линии сдвига выражены слабее (рис. 4).

При больших температурах отжига пластическое деформирование исходного материала полностью блокируется. Однако на образцах, отожжённых при температурах, близких к температурам рекристаллизации 943-973 К (температуры, соответствующие исчезновению второй и формированию третьей группы ■¿у. " к« ' •. :у кристаллических структур), полосы сдвига на-

ИЬ ■• . блюдаются на всей оплавленной области лазер-

. ной обработки. Таким образом, эксперимен-

ЯЯвШШл-'-ч1 г ' тальные результаты свидетельствуют, что ко-

нечное фазовое состояние материала (кристаллическое или аморфное) при заданных тепловых режимах может зависеть от исходной нанокри-сталлической структуры и аморфной матрицы.

В облучённой области образца макротрещины отсутствуют, микротрещины тормозятся на ранней стадии развития. Индентирование границы зоны обработки нагрузками 2,94-3,92 Н приводило к формированию незамкнутых кольцевых трещин, распространяющихся в облучённом и исходном материале (рис.4). Такие трещины останавливаются в облучённом материале или на границе между исходным и оплавленным материалом.

Рис. 4. Трещина, возникшая в результате нагружения пирамидкой Виккерса границы области оплавления (показана белой стрелкой). Чёрной стрелкой показана вершина трещины, остановившейся в оплавленном материале

Для получения более стабильных механических характеристик лазерной обработке целесообразно подвергать образцы АНМС, полученные отжигом при Т=873 -923 К (центральная часть температур существования второй группы метастабильной аморфно-нанокристаллической структуры). Данному температурному интервалу соответствует высокое значение микротвёрдости, а также воспроизводимое изменение механических свойств лазернообработанной зоны и прилегающего к нему исходного материала.

В работе экспериментально апробирован ряд методов определения пластических характеристик: метод испытания на изгиб, метод кручения, испытания на растяжение, U-метод. Однако, результаты применения указанных методов для определения пластических свойств используемых образцов оказались неудовлетворительными. Закрепление хрупких и тонких образцов приводит к появлению трещин и разрушению материала. Для ряда стандартных методов геометрия используемых образцов не соответствует рекомендуемой. Принципиальным недостатком является невозможность исследования локальных милли- и микромасштабных областей.

Из всех испытанных методов определения пластических характеристик материала наиболее информативным, а в случае определения пластических характеристик в милли- и микрообластях лазерного воздействия единственно возможным, является метод локального нагружения образца на подложке пирамидкой Виккерса с усилием 2-4 Н для формирования системы трещин, ориентированных параллельно граням индентора. Указанный метод позволяет фиксировать изменения пластических свойств тонких и хрупких образцов, а также получать данные о пластических свойствах материала в локальных областях. Пластическая характеристика материала определяется как

e4d-hyh, (5)

где h - толщина образца, а d определяется расчётом диаметра достраиваемой полуокружности из образовавшихся при разрушении трещин.

Вместе с тем, рассмотренный метод имеет недостатки. Существенный недочёт метода проявляется при расчёте пластической характеристики материала s7, так как при определённых механических характеристиках материала и толщине образца d может стать равным h. Кроме того, не учитывается возможная асимметрия системы трещин, часто возникающая при локальном нагружении милли- и микрообластей лазерной обработки.

Предложен доработанный метод определения пластической характеристики материала г" локальным нагружением на подложках, в котором устранены отмеченные выше недостатки. Для расчёта пластической характеристики использовали (5), но d - рассчитывали по формуле:

d=2(lcp + 1мср), (6) где 1ср мкм и 1мср мкм - это среднее и минимальное среднее расстояние между соседними трещинами соответствующих сторон фигуры, образованной трещинами в форме вложенных квадратов, после воздействия на образец индентора. Расчёт величин 1ер и 1мср позволяет учесть возможную асимметрию системы трещин. При этом учитываются только те трещины, которые относительно параллельны соответствующим сторонам квадрата и образуют характерную фигуру в виде вложенных квадратов. Расчёты производят путём измерения всех расстояний между соседними трещинами во всех сторонах образованной ими фигуры, при необходимости достраивая не замкнутые квадраты до замкнутых. Аналогично рассчиты-

ваем 1мср, но вместо всех расстояний берём минимальные расстояния между соседними трещинами в каждой из сторон образованной ими фигуры.

Достоверность метода подтверждается корреляцией результатов, получаемых при использовании предложенного метода и традиционных методов испытаний. Оценивая пластические характеристики материала вблизи оплавленной зоны, можно определить условия обработки, при которых трещины не формируются или формируются, но тормозятся на лазернообработанных участках. Предложенный метод механических испытаний защищен патентом, он удобен и позволяет корректно определять пластические характеристики si1 тонких лент металлических сплавов.

Четвёртая глава посвящена исследованию микротвёрдости, пластической характеристике е" и закономерности разрушения лазернообработанных областей на образцах, отожжённых в интервале температур отжига 933-1023 К.

Минимальное значение микротвёрдости для кривых № 4-5 (рис. 5) соответствует не центру лазернообработанной зоны, а расстоянию «150 мкм. Это свидетельствует о том, что микротвердость определяется структурой материала, а не некоторым снижением толщины образца в центральных областях зоны лазерного оплавления.

Зависимости № 4-5 (между которыми находится температура рекристаллизации) пересекаются на расстоянии -500 мкм, до этого изменяясь «синхронно». Наблюдается корреляция с поведением кривых № 2 и 3 (рис. За), между которыми находится первый температурный интервал рекристаллизации. Для диапазона температур отжига 993-1023 К характерно снижение максимальной микротвёрдости в результате кристаллизации (рис. 6). Подобие в поведении можно выделить только для кривых с близкими температурами отжига (схожих кристаллических структур). Характеристики разрушения материала при повышении нагрузки на индентор аналогичны описанным в третьей главе.

Зависимость пластической характеристики материала г" (рис. 7) от расстояния до оси симметрии области лазерной обработки демонстрирует изменение пластических свойств, которые в целом согласуются с изменением микротвёрдости, т.е. пластическая характеристика материала г" снижается при повышении микротвёрдости. Однако наиболее значимы те участки зависимостей, где на фоне роста е/7 отмечен рост микротвёрдости (рис. 3, 5, 6). Учитывая торможение разрушения на границе зоны лазерного оплавления, можно сделать вывод о возможности оптимизации механических свойств в области лазерной обработки.

17 15 -13 -1) -9 7

4 44

// > *

т

I

Ч

0 150 330 510 690 870 0 150 330 510 690 870

S. мкм S. мкм

Рис. 5. Зависимость микротвёрдости Рис. 6. Зависимость микротвёрдости от от расстояния до оси симметрии об- расстояния до оси симметрии области

ласти лазерной обработки: 1 - 933 К, лазерной обработки: 1 - 983 К, 2 -

2 - 943 К, 3-953 К, 4 - 963 К, 5 - 973 К 993 К, 3 - 1003 К, 4 - 1013 К, 5 - 1023 К

Пятая глава посвящена исследованию закономерностей формирования механических свойств при облучении одной области серией из 10 наносекунд-ных лазерных импульсов с частотой 25 Гц (в остальном режим лазерной обработки совпадает с описанным во второй главе). В отличие от образцов, обработанных лазерным излучением по методу, описанному во второй главе, граница зоны лазерного оплавления, сформированная воздействием серии импульсов на одну и ту же область, является труднопреодолимым препятствием для трещин, инициируемых при вдавливании пирамидки Виккерса.

Характер изменения микротвёрдости достаточно сложный (зависимость № 1, рис. 8). Наблюдается снижение микротвёрдости в зоне оплавления. Микротвёрдость возрастает на границе области облучения и достигает максимального значения, примерно в три раза большего значения микротвёрдости необработанного образца. Затем микротвёрдость снижается до значения, которое на «20% меньше микротвёрдости исходного материала.

Лазерная обработка образцов в атмосфере может приводить к окислительным процессам, оказывающим влияние как на химический состав поверхности оплавленного материала, так и на его механические свойства. Такое влияние может быть существенным из-за сравнительно небольшой толщины образцов (30 мкм). Для исключения влияния окислительных процессов облучение проводили в вакууме (р=0,4 Па) одиночным импульсом с использованием ОКГ LS 2137. Зависимости микротвёрдости от расстояния до центра лазернооб-работанной области для случаев облучения в вакууме и атмосфере практически совпадают (рис. 8). В обоих случаях отмечено торможение развития трещин на границе области лазерного воздействия. Аналогичные результаты получены для полосы лазернообработанного материала. Следовательно, окислительные процессы не являются определяющими в изменении микротвёрдости в оплавленной части зоны лазерной обработки и на её границе.

Таким образом, в результате лазерной обработки AMC и АНМС серией на-носекундных лазерных импульсов на границе оплавленной области удаётся создать барьер для растущих трещин, повысить микротвёрдость материала и пластическую характеристику е .

у

7 4

1 i

¡.-i • i *

0 70 170 270 370 470 570 670

770 870

S, мкм

Рис. 7. Изменение пластической характеристики материала е" в зависимости от расстояния до оси симметрии полосы лазерной обработки: 1 — 803 К, 2 -863 К, 3-913 К, 4-963 К, 5 - 1003 К

Рис. 8. Зависимость микротвёрдости от расстояния до центра округлой области лазерного оплавления: 1 - 10 импульсов (атмосфера); 2 - 1 импульс (вакуум); 3 - 1 импульс (атмосфера)

Важным фактором повышения прочности границы зоны облучения является нанесение расплавленного материала, вытесняемого лазерной плазмой из зоны оплавления, на пограничные области. Это приводит к локальному формированию «композиционной структуры», где твёрдый, но хрупкий исходный образец соединяется с наплавом из пластичного рекристаллизовавшегося материала.

Оптимизировать комплекс механических характеристик образца возможно путём лазерной обработки большого количества локальных областей малого размера (300-500 мкм) с целью создания большой совокупной границы раздела между облучённым и исходным материалом. Определённая часть материала, обрабатываемого по указанной методике, может терять нанокристаллическую структуру, однако снижение доли нанокристаллического материала на несколько процентов и более обычно не является препятствием для их практического использования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана модель залечивания трещин в наноструктурном материале, подвергаемом воздействию серии мощных наносекундных лазерных импульсов. Компьютерным моделированием установлена зависимость вероятности залечивания трещин от угла раскрытия. Показано, что наибольшую вероятность залечивания имеют опасные для материала трещины с малым углом раскрытия, в вершине которых возможно формирование высоких механических напряжений.

2. Выявлены основные механизмы формирования механических свойств тонкой ленты АНМС, подвергаемого воздействию наносекундных лазерных импульсов. С использованием численных методов определены особенности прогрева образца и подложки под действием лазерного излучения. Наблюдаемый в экспериментах результат воздействия лазерного излучения нельзя свести только к тепловому. В некоторых участках зоны обработки изменение механических свойств обусловлено залечиванием дефектов за счёт периодического избирательного воздействия на дефекты ударной волны в условиях больших скоростей нагрева и охлаждения.

Одновременное повышение микротвёрдости материала и его пластических свойств, а также формирование барьера для трещин на границе области оплавления связано с формированием «композиционной структуры», в которой твёрдый, но хрупкий исходный материал соединяется с наплавом из пластичного материала, вытесняемого из центра области воздействия лазерного излучения на границу области оплавления.

3. С учётом специфики механических свойств тонкой ленты АНМС усовершенствована методика механических испытаний, позволяющая определять пластическую характеристику в" хрупкого аморфно-нанокристаллического материала в локальных милли- и микромасштабных областях лазерной обработки.

4. Показана возможность многократного повышения пластической характеристики е" материала в области лазерного оплавления. Установлено, что рост микротвёрдости материала Ну сопровождается снижением его пластической характеристики е". В то же время для некоторых наноструктур и режимов лазерной обработки экспериментально установлено явление одновременного повышения микротвёрдости и пластической характеристики е", что демонстрирует возможности лазерной оптимизации свойств наноструктурного материала.

5. В условиях использования идентичных режимов лазерной обработки формирование механических свойств определяется исходной нанокристалли-ческой структурой и аморфной матрицей. Снижение толщины образца в цен-

тральных областях зоны лазерного оплавления и окислительные процессы не являются определяющим фактором изменения микротвёрдости.

6. Установлены оптимальные режимы обработки, позволяющие получить АНМС с определёнными свойствами. Показано, что облучение одной области серией лазерных импульсов эффективнее для оптимизации механических свойств границы зоны обработки, чем облучение движущегося образца с созданием полосы обработанного материала.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в журналах из списка ВАК

1. Ушаков И.В. Влияние лазерной обработки на микротвёрдость и особенности разрушения тонких лент аморфно-нанокристаллического металлического сплава / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // Физика и химия обработки материалов. - 2013.-№ 2. - С. 11-15.

2. Ушаков И.В. Механические характеристики тонкой ленты многокомпонентного аморфно-нанокристаллического металлического сплава обработанного серией наносекундных лазерных импульсов / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // Тяжёлое машиностроение. - 2012. - № 10. - С. 6-9.

3. Ушаков И.В. Модифицирование механических свойств тонкой плёнки аморфно-нанокристаллического металлического сплава серией наносекундных лазерных импульсов / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // ГИАБ. - 2012. - № 6. - С. 148-153.

4. Ушаков И.В. Механические характеристики аморфного металлического сплава подвергнутого обработке импульсным лазерным излучением в глубоком вакууме /И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // Вестник Тамбовского государственного университета. Серия: естественные и технические науки.-2013.-Т. 18.-№ 1.-С. 133-134.

5. Ушаков И.В. Управление механическими свойствами тонкой ленты нанострук-турного материала серией лазерных импульсов наносекундной длительности / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // Вестник Тамбовского государственного университета. Серия: естественные и технические науки. - 2012. - Т. 17. - № 4. - С. 1125-1128.

6. Ушаков И.В. Закономерности эволюции механических свойств лазерно-обработанных областей аморфно-нанокристаллического металлического сплава в зависимости от исходной структуры / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // Вестник Тамбовского государственного университета. Серия: естественные и технические науки. - 2012. - Т. 17. - № 5. - С. 1415-1419.

Публикации в других изданиях

7. Способ определения пластических характеристик пленок многокомпонентных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов: патент №2494039 С1 Российской Федерации, МКП G01N3/42(2006/01), В82Y35/(2011.00) / И.В.Ушаков, И.С. Сафронов: заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «МГГУ». -№ 2012116406; заявл. 24.04.2012; опубл. 27.09.2013, Бюл. № 27 - 7 с.: ил.

8. Автоматизированная система обработки экспериментальных данных и определения статистических характеристик разрушения, формирующегося в условиях локального нагружения тонких плёнок аморфно-нанокристаллических металлических сплавов «STATISTIK CR»: свидет. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012615576 Российской Федерации / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов: заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «МГГУ». - № 2012613267; заявл. 24.04.2012; опубл. 20.06.2012.

9. Ушаков И.В. Формирование механических свойств консолидированных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов термической и лазер-

ной обработкой / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // XX Петербургские чтения по проблемам прочности: сборник материалов. - С.-Пб. 2012. - Ч. 1. - С. 222-224.

10. Ушаков И.В. Зависимость микротвёрдости лазерно-обработанных областей аморфно - нанокристаллического материала от исходного структурного состояния / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // 52-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности»: тезисы докладов. - Уфа, 2012. - С. 123-124.

11. Ушаков И.В. Изменение микротвёрдости при импульсной лазерной обработке аморфно — нанокристаллических сплавов / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // XVIII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов»: сборник тезисов. - Самара, 2012. - С. 79.

12. Ушаков И.В. Изменение механических свойств и закономерностей разрушения тонких пленок многокомпонентного аморфно-нанокристаллического металлического сплава / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов, О.Р. Людчик // 53-я Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности»: сборник материалов. - Витебск, 2012. - Ч. 2. - С. 165-168.

13. Ушаков И.В. Деформирование и разрушение наноструктурного материала на границе области лазерной обработки / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов, О.Р. Людчик // IV Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: труды научной конференции. - Москва, 2011. - С. 500-502.

14. Ушаков И.В. Механические свойства наноструктурного материала сформированные воздействием серии лазерных импульсов / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // XI Международная конференция «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий»: тезисы докладов. - Обнинск, 2011.-С. 83-84.

15. Ушаков И.В. Особенности формирования механических свойств на границе зоны облучения в аморфно-нанокристаллическом материале под воздействием серии лазерных импульсов / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // Всероссийская научная школа «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники»: тезисы докладов. - Тамбов, 2011. - С. 83-85.

16. Ушаков И.В. Влияние серии наносекундных лазерных импульсов на механические свойства аморфно-нанокристаллического металлического сплава / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // VI Всероссийская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов»: тезисы докладов. - Екатеринбург, 2011.- С. 73.

17. Ушаков И.В. Формирование механических свойств тонкой пленки аморфно-нанокристаллического металлического сплава серией наносекундных лазерных импульсов / И.В. Ушаков, И.С. Сафронов // VI Всероссийская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов»: сборник трудов. - Екатеринбург, 2011. - Ч. И. - С. 3-6.

18. Сафронов И.С. Изменение механических характеристик аморфно-нанокристаллических металлических сплавов в результате воздействия лазерных импульсов / И.С. Сафронов, И.В. Ушаков // Всероссийская молодёжная конференция «Физика и химия наноразмерных систем»: тезисы докладов. -Екатеринбург, 2012. - С. 34-35.

19. Сафронов И.С. Механические характеристики аморфно-нанокристаллических металлических сплавов после обработки лазерным излучением / И.С. Сафронов //III Всероссийская молодёжная конференция «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества»: сборник материалов. -Москва, 2012.-С. 517-518.

Подписано в печать 24.10.2013 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1662. Бесплатно. 392008, Тамбов, ул. Советская, 190г. Издательский дом ТГУ имени ПР. Державина. Отпечатано в типографии Издательского дома ТГУ имени Г.Р. Державина

Министерство образования и науки Российской Федерации Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина

На правах рукописи

04201450040

САФРОНОВ Иван Сергеевич

ВЫЯВЛЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКОЙ ЛЕНТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Ушаков И.В.

Тамбов 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 5

ГЛАВА 1. СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНО-НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. СПЕЦИФИКА ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ................................................ 11

1.1. Способы получения и свойства аморфных металлических сплавов. Представления о структуре аморфных металлов.......... 12

1.2. Структура и механические свойства аморфно-нанокристаллических материалов........................................ 16

1.3. Формирование аморфно-нанокристаллической структуры в аморфном металлическом сплаве при изотермической обработке 19

1.4. Методы механических испытаний тонких лент аморфных и нанокристаллических материалов........................................ 25

1.5. Механические свойства металлических сплавов, подвергнутых лазерной обработке....................................... 34

1.5.1. Возможности использования лазерного излучения для управления механическими свойствами металлов и сплавов ... 34

1.5.2. Лазерное формирование механических свойств металлов

и сплавов.................................................................... 38

1.6. Цель и задачи исследования.......................................... 47

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЛЕЧИВАНИЯ ТРЕЩИН В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ СПЛАВЕ, ИНИЦИИРУЕМОЕ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ .. 50

2.1. Методика эксперимента. Подготовки образцов для экспериментального исследования....................................... 52

2.1.1. Методика отжига образцов аморфного металлического сплава и приготовление композита образец-подложка-металлическое основание............................................... 52

2.1.2. Методика лазерной обработки.................................. 54

2.2. Особенности нагрева локальной области тонкой ленты металлического сплава 82КЗХСР импульсным

лазерным излучением..................................................... 56

2.3. Плазмообразование и влияние плазменного факела на металлический сплав........................................................ 60

2.4. Плавление и испарение поверхностного слоя металлического сплава...................................................... 64

2.5. Распределение температуры и движение границы расплава в зоне воздействия лазерного импульса................................... 66

2.6. Компьютерное моделирование залечивания трещин в аморфно-нанокристаллическом материале............................. 71

2.7. Выводы.................................................................... 76

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ ТОНКИХ ЛЕНТ АМОРФНО-НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА. ВЫБОР И РАЗВИТИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНООБРАБОТАННЫХ УЧАСТКОВ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ............................. 77

3.1. Методика определения микротвердости........................... 78

3.2. Влияние лазерного излучения на изменение микротвердости материала для образцов, отожженных в интервале

температур 803-923 К....................................................... 80

3.3. Характер разрушения при локальном нагружении в зависимости от структуры материала и расстояния до оси симметрии области оплавления.......................................... 82

3.4. Методика определения пластических свойств тонких лент аморфно-нанокристаллических металлических сплавов в милли-

и микроразмерных участках лазерной обработки..................... 93

3.4.1. Экспериментальная апробация методов механических испытаний.................................................................. 93

3.4.2. Совершенствование метода определения пластических характеристик хрупкого тонкого образца аморфно-нанокристаллического металлического сплава..................... 99

3.5. Выводы..................................................................... 101

ГЛАВА 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЛАСТИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ. ТОРМОЖЕНИЕ РАЗРУШЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ

ОБЛАСТИ ОПЛАВЛЕНИЯ...................................................... 103

4.1. Характер изменения микротвердости лазернообработанной области в зависимости от структурных особенностей

исходного материала....................................................... 105

4.2. Микрокартины деформирования и разрушения тонкой ленты металлического сплава 82КЗХСР, отожженного в температурном интервале 933-1023 К................................... 109

4.3. Определение пластической характеристики материала........ 118

4.4. Выводы.................................................................... 123

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ АМОРФНОГО И АМОРФНО-НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ...... 124

5.1. Методика эксперимента............................................... 125

5.2. Изменение микротвердости в зависимости от расстояния до центра зоны лазерного облучения в вакууме........................... 127

5.3. Разрушения области лазерной обработки аморфного металлического сплава в вакууме под действием локальной нагрузки пирамидкой Виккерса.......................................... 133

5.4. Зависимость микротвердости от расстояния до центра области лазерной обработки, сформированной серией лазерных импульсов в атмосфере..................................................... 135

5.5. Выводы.................................................................... 141

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................................... 142

ЛИТЕРАТУРА...................................................................... 145

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................... 165

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время широкое применение получили аморфные и аморфно-нанокристаллические металлические сплавы на основе железа, кобальта и никеля, которые являются современными востребованными магнитомягкими ферромагнитными материалами [1-4]. Магнитные свойства ряда аморфных металлических сплавов (84КХСР, 82КЗХСР, 5БДСР, Укгорегт500 и пр.) на порядок выше легированных и специализированных дорогостоящих сталей. Кроме того, указанные аморфные металлические сплавы имеют высокие коррозионные и прочностные характеристики. Аморфные металлические сплавы на основе железа, кобальта и никеля широко применяются в электротехнике в качестве магнитомягких сплавов с узкой петлей гистерезиса. Разработаны трансформаторы на основе аморфных металлических сплавов. Несмотря на большую стоимость по сравнению с традиционными трансформаторными установками, они экономически выгоднее с точки зрения длительности использования (высокая износостойкость материала), увеличения мощности и снижения энергозатрат. Использование магнитомягких металлических сплавов с аморфной структурой не ограничивается силовыми энергетическими установками. Так сплавы 82КЗХСР и 5БДСР используются в системах телекоммуникаций, устройств защитного отключения, в солнечных батареях, в качестве высокоэффективных электромагнитных экранов и др.

Аморфные металлические сплавы получают преимущественно методом спиннингования - нанесением тонкой струи расплава на вращающийся охлаждающий барабан, где происходит быстрый отвод тепла со скоростью остывания приблизительно 10"4-10"6 К/с.

Дополнительная термообработка аморфных металлических сплавов, позволяющая улучшить их эксплуатационные свойства, может сопровождаться формированием аморфно-нанокристаллической структуры. Известны наноструктурные материалы с высокими значениями твердости, модуля

Юнга, вязкости, сверхвысокой магнитной проницаемостью, близкой к нулю магнитострикцией, высокой коррозионной и радиационной стойкостью.

Несмотря на все достоинства существующих аморфных и аморфно-нанокристаллических металлических сплавов, не всегда удается оптимизировать эксплуатационные свойства материала при его обработке. Как правило, дополнительная обработка включает в себя печной отжиг, наплавку, измельчение материала до порошкообразного состояния и др. При этом резко снижается пластичность материала, коррозионная стойкость, возможна потеря целостности образца и пр. [2, 5-7].

До настоящего времени отсутствуют достаточно эффективные методики обработки наноструктурных материалов. Попытки устранить нежелательные свойства аморфно-нанокристаллических металлических сплавов дополнительной обработкой оказываются недостаточно эффективными или приводят к потере наноструктурного состояния.

Перспективным инструментом управления свойствами аморфно-нанокристаллических металлических сплавов является лазерное излучение. Существует техническая возможность выбора таких параметров лазерного излучения, при которых возможно преимущественное воздействие на различные монокристаллы, аморфную матрицу или дефекты материала [8-10].

Лазерная обработка имеет ряд преимуществ по сравнению с уже известными и распространенными классическими методами. Во-первых, 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. Во-вторых, возможно регулировать время обработки с высокой точностью и в широком временном интервале, что позволяет создать уникальные физические условия. Как следствие, возможно подбирать такие параметры лазерной обработки, которые позволяют сохранить все необходимые свойства аморфного и аморфно-нанокристаллического металлического сплава.

Для тонких лент («30 мкм) аморфного и аморфно-нанокристаллического металлического сплава лазерная обработка наиболее эффективна, так как малая толщина ленты обеспечивает возможность обработки значительного объема материала наносекундными лазерными импульсами, обеспечивающими определенную избирательность воздействия и не приводящими к кристаллизации материала в целом.

Таким образом, возможность формирования механических свойств тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава без потери наноструктурного состояния в целом и получения новых знаний о физических свойствах наноструктурных материалов обусловливает актуальность исследования.

Научная новизна исследования:

1. Впервые выявлен механизм формирования механических свойств тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава при лазерной обработке наносекундными импульсами с высокой плотностью мощности.

2. Впервые разработана модель залечивания трещин в тонкой ленте аморфно-нанокристаллического металлического сплава, подвергаемого воздействию серии наносекундных лазерных импульсов.

3. Для тонких лент аморфно-нанокристаллического металлического сплава предложена усовершенствованная методика определения пластической характеристики е1 в локальных областях лазерной обработки милли- и микромасштабных размеров.

4. Впервые экспериментально установлены закономерности изменения микротвердости и пластической характеристики £ в зависимости от расстояния до центра зоны лазерной обработки для образцов аморфно-нанокристаллического металлического сплава 82КЗХСР, характеризующихся различными нанокристаллическими структурами.

5. Экспериментально установлены особенности одновременного

повышения микротвердости //,, и пластической характеристики материала на пограничных участках области лазерного оплавления тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава.

6. Для тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава 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 микротвердость и пластическую характеристику материала £ вблизи границ области лазерного оплавления, могут быть использованы для формирования механических свойств тонких лент аморфно-нанокристаллического металлического сплава.

Разработанная программа «8ТАТ18Т1К_С1Ъ> (гос. регистрация программы для ЭВМ № 2012615576) позволяет автоматизировать обработку экспериментальных данных при изучении пластических свойств тонких лент аморфного и аморфно-нанокристаллического металлического сплава.

Способ определения пластических характеристик пленок многокомпонентных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов (патент № 2494039, заявл. 24.04.2012; опубл. 27.09.2013) может быть использован для механических испытаний милли- и микромасштабных областей лазерной обработки.

На основании проведенных исследований автор защищает следующие научные положения:

1. Механизмы формирования механических свойств тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава, подвергаемого воздействию наносекундных лазерных импульсов.

2. Модель залечивания трещин в аморфно-нанокристаллическом материале, подвергаемом воздействию серии наносекундных лазерных импульсов с высокой плотностью мощности;

3. Методика определения пластической характеристики в' тонких лент аморфно-нанокристаллического металлического сплава, позволяющая выявлять изменения пластических свойств материала в пределах локальных областей лазерной обработки милли- и микромасштабных размеров.

4. Зависимости изменения микротвердости и пластических свойств лазернообработанных участков тонкой ленты многокомпонентного аморфно-нанокристаллического металлического сплава 82КЗХСР в зависимости от расстояния до центра лазернообработанных областей.

5. Метод формирования механических свойств границы области лазерного оплавления тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава, основанный на формировании композита из твердого 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 данного исследования, в планировании и методическом обеспечении эксперимента, в проведении абсолютного большинства экспериментальных измерений, в обсуждении полученных результатов и формулировании выводов. Вся экспериментальная работа и соответствующие расчеты 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 аморфно-нанокристаллических металлических сплавов.

Основные результаты исследования были представлены на научной

конференции «Державинские чтения» (Тамбов, 2013 г.); 53-й Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2012 г.); XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2012 г.); XX Петербургских чтениях по проблемам прочности (С.-Петербург, 2012 г.); Всероссийской молодежной конференции «Физика и химия наноразмерных систем» (Екатеринбург, 2012 г.); III Всероссийской молодежной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Москва, 2012 г.); 52-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012 г.); XI Международной конференции «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 2011 г.); VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2011 г.); Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники» (Тамбов, 2011 г.); IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (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.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНО-НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. СПЕЦИФИКА ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

В современном материаловедении большое внимание уделяется получению аморфных и аморфно-нанокристаллических металлических сплавов с заданными свойствами. Современные технологии позволяют получать такие материалы в виде порошков и лент (с последующим их внесением в полимерную матрицу), а также в виде готовых деталей. Для получения сплавов с заданными свойствами проводят индивидуальный подбор химических компонентов. Общим для всех аморфных сплавов остается только сверхб