Диссертация (Механическое поведение аморфных сплавов со структурой, модифицированной интенсивной пластической деформацией)

Санкт-Петербургский Государственный УниверситетНа правах рукописиБОЛТЫНЮК Евгений ВадимовичМеханическое поведение аморфных сплавов со структурой,модифицированной интенсивной пластическойдеформацией01.02.04 – Механика деформируемого твердого телаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физ.-мат. наук, профессорВалиев Руслан ЗуфаровичСанкт-Петербург2018 г.2СодержаниеВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................... 5ГЛАВА 1.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ................................................................. 161.1. Металлические стёкла: история открытия, концепция стеклообразования,методы получения, механические свойства ............................................................ 161.1.1. Концепция стеклообразования ................................................................... 161.1.2. Методы получения металлических стёкол ................................................ 221.1.3. Механизмы деформирования и механические свойства металлическихстёкол .......................................................................................................................

241.1.4. Применения металлических стёкол ............................................................ 331.2. Модификация аморфной структуры ................................................................. 361.2.1. Наностекло как новое структурное состояние металлических стёкол.Методы получения наностёкол .............................................................................

361.2.2. Структура и механические свойства наностёкол...................................... 401.2.3. Влияние предварительного деформирования на механические свойстваметаллических стёкол ............................................................................................ 451.2.4. Воздействие методами интенсивной пластической деформации ........... 48ГЛАВА 2. ЦЕЛИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ........................................ 562.1.

Постановка задачи .............................................................................................. 562.2. Материалы исследования ................................................................................... 572.3. Методики исследования ..................................................................................... 582.3.1.

Интенсивная пластическая деформация кручением................................. 582.3.2. Рентгеноструктурный анализ ...................................................................... 602.3.3. Просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия ................. 612.3.4. Дифференциальная сканирующая калориметрия ..................................... 6332.3.5. Методика измерения плотности образцов .................................................

632.3.6. Испытания на растяжения ........................................................................... 642.3.7. Испытания методом наноиндентирования ................................................ 66ГЛАВА 3. СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ,ПОДВЕРГНУТЫХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИКРУЧЕНИЕМ .............................................................................................................. 683.1. Исследование атомной структуры циркониевого аморфного сплава,подвергнутого ИПД, методом рентгеноструктурного анализа и путём измеренияплотности .................................................................................................................... 683.2. Микроскопические исследования аморфной структуры ................................ 723.3.

Исследование эволюции аморфной структуры при нагреве методомдифференциальной сканирующей калориметрии .................................................. 803.4. Выводы по главе ................................................................................................. 82ГЛАВА 4.

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИНА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЕВОГО АМОРФНОГОСПЛАВА ПО ДАННЫМ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ ..................................... 844.1.Исследованиемеханическихсвойстваморфногосплаваметодомнаноиндентирования.................................................................................................. 844.2. Определение скоростной чувствительности циркониевого аморфного сплава,подвергнутого ИПД ...................................................................................................

874.3. Расчёт размеров зон сдвиговой трансформации на основе данныхнаноиндентирования.................................................................................................. 924.4. Выводы по главе ................................................................................................. 99ГЛАВА5.МЕХАНИЗМЫПЛАСТИЧНОСТИДЕФОРМИРОВАНИЯ,АМОРФНЫХСПЛАВОВ,ПРОЧНОСТИИПОДВЕРГНУТЫХИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ..................................

1015.1. Данные механических испытаний на растяжение......................................... 10145.2. Анализ фрактографии образцов ...................................................................... 1025.3.Наноструктурныйдизайнаморфныхсплавовдляповышенияихмеханических свойств ............................................................................................. 1075.4. Выводы по главе ............................................................................................... 110ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................................

111СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 113ПРИЛОЖЕНИЕ ........................................................................................................... 1315ВВЕДЕНИЕС момента открытия аморфные сплавы являются объектом повышенногонаучного интереса из-за своих уникальных механических (высокая прочность,большое упругое удлинение, меньший упругий модуль в сравнении скристаллическимианалогами),магнитныхсвойств,повышеннойбиосовместимости, высокой коррозийной стойкости, формуемости в состояниипереохлаждённой жидкости.

Указанные свойства определяют примененияаморфных сплавов на сегодняшний день в следующих областях: медицина –хирургическое оборудование, биосовместимые импланты (высокая прочность,низкий модуль упругости, высокая коррозионная стойкость); спорт – спортивныйинвентарь (высокая прочность, большая величина упругой деформации);микроэлектроника – микроэлектромеханические системы (высокая прочность иупругость,повышеннаяизносостойкость,формуемостьвсостояниипереохлаждённой жидкости); военная промышленность – бронебойный снаряды,детали брони (высокая прочность).

Однако широкое применение аморфныхсплавов существенно ограничено их хрупкостью. В аморфных сплавах отсутствуетмеханизм деформационного упрочнения. Механизмом деформации аморфныхсплавов при комнатной температуре является формирование и распространениеполос сдвига. На данный момент есть две гипотезы, описывающие процессы,проходящие при формировании полос сдвига в аморфной фазе. Согласно первойгипотезе, при деформировании в полосах сдвига происходит рост свободногообъёма, что ведёт к понижению вязкости материала в полосах сдвига, что понижаетплотность материала, и, как следует, его сопротивляемость деформированию.Согласно другой гипотезе, в полосах сдвига происходит рост температуры дотемпературы плавления материала, приводящий к понижению значений еговязкости на несколько порядков.

Независимо от верности одной или другой6гипотезы, при деформировании аморфных сплавов происходит понижениевязкости материала в полосах сдвига, приводящее к неконтролируемомупрохождению полосы сдвига и хрупкому разрушению образца. Поэтому впоследние годы были предприняты многочисленные попытки повышенияпластичности аморфных сплавов. Можно выделить основные подходы кповышениюпластичностиаморфныхсплавов:созданиеаморфно-кристаллического композита или подбор оптимального химического состава.Также в последние годы было показано, что предварительное пластическоедеформирование (прокатка, предварительное сжатие и др.) может приводить кповышению пластичности аморфных сплавов за счёт формирования в образцемножественных полос сдвига. Каждая из предварительно сформированных полоссдвига является источником зарождения новых многочисленных полос сдвига припоследующем нагружении в другом направлении.