CC BY
37
УДК 539.213.26
НЕКОТОРЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИ ОСАЖДЕННЫХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ
О. М. ОСТРИКОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
В настоящее время аморфные материалы нашли свое широкое практическое применение благодаря своим уникальным магнитным свойствам [1]. Высокая прочность и коррозионная стойкость этих материалов реализуется в покрытиях со структурой, не имеющей дальнего порядка [2]. К таким покрытиям, в частности, относятся покрытия, полученные методом электролитического осаждения. Физические свойства этих покрытий в настоящее время требуют детального изучения для возможности их широкого применения на практике. Основным недостатком аморфных покрытий является их высокая хрупкость [2], приводящая к формированию сетки трещин. Ввиду отсутствия удобной для физического анализа методики исследования закономерностей формирования трещин в электролитически осажденных покрытиях ее разработка представляется целесообразной и актуальной по причине все более широкого использования аморфных покрытий на практике.
Цель данной работы - изучить некоторые механические свойства электролитически осажденных аморфных покрытий №-^
В качестве объектов исследования в данной работе выступали пленки сплавов №100. У№У, где у =15, 20 и 25 ат. %, полученные методом электролитического осаждения из сернокислых растворов. В качестве подложки использовалась полированная медная фольга. Аморфность покрытий контролировалась методом дифракции электронов, а химический состав - методом обратного резерфордовского рассеивания.
Измерения микротвердости покрытий проводились с помощью прибора ПМТ-3 с использованием алмазной пирамиды Виккерса. Относительная погрешность измерения микротвердости составила 4 %. Оптическая микроскопия сетки трещин на поверхности образцов проводилась с помощью микроскопа «Neophot-21».
Напряжение в покрытиях, нанесенных на тонкие медные ленты, определялось по изменению радиуса их искривления до и после нанесения покрытия по формуле [3]:
где Е и д - соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона подложки; 5 - ее толщина (толщиной покрытия из-за ее малой величины в данном соотношении пренебрегалось); £ - площадь подложки; R0 - радиус изгиба ленты до нанесения покрытия; f - амплитуда прогиба ленты после нанесения покрытия; а - ширина ленты (рис. 1). Параметр f определяется в ходе прямых измерений. Однако этот параметр может быть рассчитан с помощью методов элементарной геометрии и тригонометрических преобразований [4] из соотношения
(1)
где R - радиус искривления ленты после нанесения на нее покрытия. Из подстановки (2) в (1) напряжения в покрытии могут быть определены и по параметрам R и R0.
X
О
Рис. 1. Схема к расчету напряжений в покрытии, нанесенном на тонкую ленту Плотность трещин рс на поверхности покрытия определяли по формуле
11
рс =~Г'
(3)
где ^ I - суммарная длина всех трещин на площадке £. Длина трещин в данном случае, если они не имеют прямолинейного вида, может быть определена лишь приблизительно
из соотношения
(4)
где Ісі - длина і-й трещины, а Яі = (Я + Я,)/2 (здесь Я і и Я2 - соответственно радиусы вписанной и описанной окружностей, между которыми заключена окаймляющая единичную ячейку трещина округлой формы (рис. 2)). Параметры Яі и Я2 измерялись в ходе эксперимента с помощью окуляра-микрометра оптического микроскопа прибора ПМТ-3.
Рис. 2. Схема к расчету плотности трещин в покрытии В соотношении (3) принимали
N N
£ I = 11„= 2я£ Д = 2^, (5)
г =1 г =1
где N - число ячеек, сформированных трещинами на площадке £; R = ^ R^/N.
г = 1
Введем параметр k, который примем равным
k = . (6) а.
Данный параметр определяет склонность покрытия к формированию в нем трещин и фактически является показателем хрупкости покрытия и склонности его к разрушению. Обратным данному параметру является показатель пластичности в/, т. е.
е/ = 1/k , (7)
который в данной работе рассчитывался на основании экспериментальных данных и соотношений (1), (3) и (6).
Методом дифракции электронов установлено, что электролитически осажденные покрытия №ш0-у^ (у = 15-25 ат. %) являются аморфными.
Радиус искривления лент, на которые наносилось покрытие, изменился таким образом, что расчетные значения напряжений и показателя пластичности имели величины, представленные в таблице. При этом сетка трещин в покрытии получалась путем однократного разгибания ленты. С ростом концентрации вольфрама увеличиваются напряжения в покрытиях и уменьшается их пластичность (см. таблицу). Это происходит на фоне роста микротвердости покрытий при глубинах проникновения индентора больше 5 мкм (рис. 3) и уменьшения микротвердости при меньших глубинах внедрения индентора. Полученные результаты указывают на то, что покрытие №-^ нанесенное методом электролитического осаждения, более хрупкое у поверхности и более пластичное у подложки. Это может быть связано с увеличением рыхлости (ростом величины свободного объема) покрытия с ростом его толщины в процессе электролитического осаждения. Причем большую долю свободного объема имеют покрытия с большим количеством содержащегося в них вольфрама.
Результаты определения напряжений их в аморфных покрытиях Ni-W и показателя их пластичности Ef в зависимости от содержания в них вольфрама
Материал покрытия ах, МПа
Nl75^W 25 165 0,34
N1^20 98 0,53
N185”^^ 15 77 0,67
Рис. 3. Зависимость микротвердости покрытий от глубины проникновения индентора:
9 — Nl75W25^ О — №8(^20; О — NІg5Wl5
Полос сдвига, свойственных процессу негомогенной пластической деформации аморфных материалов [5], в случае исследуемых аморфных покрытий обнаружено
не было. Это позволяет предположить, что при выпрямлении лент максимальные напряжения изгиба присутствуют у свободной поверхности покрытия, способствуя зарождению в этой области трещин. При этом развитие трещин осуществляется от поверхности покрытия к подложке.
Заключение
Таким образом, предложена методика расчета напряжений и показателя пластичности аморфных покрытий. Установлено, что с ростом концентрации вольфрама в осажденных на медную фольгу электролитическим методом аморфных покрытиях увеличивается
их хрупкость на фоне роста в них напряжений. При этом микротвердость исследуемых покрытий у их поверхности ниже, чем у подложки.
Литература
1. Глезер, А. М. Аморфные сплавы: вчера, сегодня, завтра / А. М. Глезер // Изв. РАН. Сер. Физическая. - 2001. - Т. 65, № 10. - С. 1382-1383.
2. Микроструктура и внутренние напряжения в аморфных электролитически осажденных пленках сплавов №-Со-Р / С. С. Грабчиков [и др.] // Металлы. - 1994. - № 4. - С. 96101.
3. Александров, А. В. Основы теории упругости и пластичности / А. В. Александров, В. Д. Потапов. - Москва : Высш. шк., 1990. -400 с.
4. Воднев, В. Т. Основные математические формулы / В. Т. Воднев, А. Ф. Наумович, Н. Ф. Наумович. - Минск : Выш. шк., 1988. - 269 с.
5. Верещагин, М. Н. Негомогенная пластическая деформация аморфных сплавов на основе железа / М. Н. Верещагин, В. Г. Шепелевич, О. М. Остриков. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2004. - 134 с.
Получено 05.12.2006 г.
