Влияние интенсивной пластической деформации на процессы кристаллизации и свойства аморфных сплавов на основе Al и Fe

Проведено исследование эволюции структуры, фазовых превращений и свойств аморфных сплавов на основе Fe и Al, полученных путем нагрева и пластической деформации, приводящих к формированию наноструктуры. В качестве материалов для исследования в работе использовались ферромагнитный аморфный сплав Fe₇₈Si₁₃B₉ и легкий бинарный аморфный сплав Al₉₀Y₁₀. Исследуемые материалы были получены методом закалки расплава на вращающийся диск в форме лент. Цель исследования - установление роли деформации и термообработки в процессе формирования структуры аморфных сплавов Fe₇₈Si₁₃B₉ и Al₉₀Y₁₀; определение корреляции между образующейся структурой и физическими свойствами полученного материала. Для исследования атомной структуры и фазового состава образцов применялись просвечивающая (JEOL-100 CXII и JEOL-2100) и сканирующая (Supra 50VP) электронная микроскопия, а также рентгеноструктурный анализ (SIEMENS D-500). Метод дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC-7 PERKIN-ELMER) использовался для исследования перехода аморфных фаз в кристаллическое состояние при нагревании материала и для определения температур и тепловых эффектов фазовых переходов. Исследование магнитных свойств проводилось с помощью вибрационного магнитометра, механические характеристики измерялись методом индентирования по Виккерсу. Экспериментально установлены последовательность фазовых превращений и эволюция структуры аморфных сплавов на основе Al и Fe при пластической деформации. Показано, что при деформации аморфных сплавов образуется наноструктура, параметры которой зависят от условий деформации. Определены состав и структура образующихся кристаллических фаз. На основании сравнения наноструктуры, образующейся при термообработке и деформации, показано, что после деформации средний размер нанокристаллов меньше, а их максимальная объемная доля больше, чем при термообработке. Обнаружено, что при деформации сплава Al₉₀Y₁₀ помимо нанокристаллов алюминия образуется метастабильная фаза Al₄Y, параметры решетки которой зависят от условий получения. Выдвинуто предположение, что зависимость параметров решетки данной фазы определяется разным отклонением от стехиометрического состава. Получены и проанализированы новые данные о механизме образования нанокристаллов в аморфных сплавах на основе алюминия и железа при пластической деформации. Показано, что повышенная скорость диффузионных процессов, приводящих к образованию нанокристаллов при деформации, может определяться изменением структуры аморфной фазы или совокупным влиянием изменений структуры аморфной фазы и ее разогрева в процессе деформации. Получены значения эффективного коэффициента диффузии для сплава Al₉₀Y₁₀, определяющего образование нанокристаллов при термообработке и деформации. Определены энергии активации кристаллизации в деформированном и недеформированном сплаве, предэкспоненциальный фактор коэффициента диффузии; оценена величина разогрева фронта кристаллизации при деформации. Экспериментально установлена связь механических характеристик и степени деформации аморфного сплава на основе Al. Обнаружена немонотонная зависимость прочностных свойств сплава Аl₉₀Y₁₀ от величины деформации. Показано, что образование нанокристаллов алюминия приводит к упрочнению сплава до определенной степени деформации (N = 2). Полученное максимальное значение микротвердости деформированного сплава вдвое превосходит значение микротвердости сплава в исходном аморфном состоянии. При дальнейшей деформации микротвердость снижается, что связано с образованием фазы Al₄Y. Экспериментально установлена зависимость гистерезисных свойств аморфного сплава на основе Fe от степени деформации. Обнаружено, что образование нанокристаллической структуры при деформации приводит к повышению намагниченности насыщения. Полученное максимальное значение намагниченности насыщения деформированного материала на 40% выше сплава в исходном аморфном состоянии и превосходит значение намагниченности насыщения для классического сплава Finemet. Коэрцитивная сила образцов увеличивается при увеличении степени деформации. Показано, что наблюдаемое увеличение коэрцитивной силы в результате деформации сплава можно устранить путем последующей термообработки. Проведенные исследования расширяют понимание процессов, протекающих в аморфных материалах при пластической деформации, а также дают более ясное понимание причин формирования нанокристаллической структуры в аморфных сплавах в результате такой обработки. Результаты измерений механических и магнитных свойств исследуемых материалов и установленные закономерности между изменениями этих свойств и условиями деформации и термообработки позволяют создавать новые нанокристаллические материалы с заданными характеристиками. Кроме этого, полученные в настоящей работе данные дают возможность контролировать качество получаемых материалов, позволяя улучшать свойства этих материалов при помощи подбора соответствующих режимов последующей обработки.