CC BY
45
УДК 620.178.15:666.01
ЗАВИСИМОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРНОГО МАТЕРИАЛА ОТ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ОБЛАСТЕЙ НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ
© И.В. Ушаков, О.Р. Людчик
Ключевые слова: аморфно-нанокристаллические металлические сплавы; лазерная обработка; механические свойства; схема обработки.
Обсуждено влияние последовательности лазерной обработки областей на поверхности аморфно-нанокристал-лического металлического сплава, на эффективность оптимизации механических свойств. Предложена схема лазерной обработки поверхности. Обсуждены направления совершенствования метода селективной лазерной обработки тонких лент аморфно-нанокристаллических металлических сплавов.
Эффективность обработки поверхности непрозрачных материалов лазерным излучением зависит от характеристик излучения и последовательности облучения поверхности образца. При использовании короткоимпульсного сфокусированного лазерного излучения селективная лазерная обработка дефектов на всей поверхности непрозрачных материалов возможна при непрерывном расположении облученных участков.
В результате селективной лазерной обработки интегральное воздействие лазерного излучения на различные точки поверхности заметно различается за счет различного воздействия температуры, ударной волны и других факторов на дефектные и бездефектные области [1]. Обработка по данной методике достаточно тонких (и 30 мкм) лент аморфно-нанокристаллического металлического сплава сопровождается возникновением в материале сложных полей механических напряжений, формируемых микрообластями с измененной структурой и механическими свойствами.
Растущая трещина, взаимодействуя с областями лазерной обработки, может изменять свою траекторию, ветвиться, что позволяет повысить энергоемкость разрушения. Таким образом, создавая на поверхности тонкой ленты указанные микрообласти в определенном порядке и с высокой плотностью, можно повысить энергоемкость разрушения тонких и хрупких лент аморфно-нанокристаллического металлического сплава.
Основной задачей данной работы являлось уточнение закономерностей повышения пластических характеристик аморфно-нанокристаллического металлического сплава, а также совершенствование технологической схемы обработки наноструктурных образцов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследование проведено на аморфном металлическом сплаве толщиной 30 мкм и следующего состава 83,7% Со + 3,7 % Ее + 3,2 % Сг + 9,4 % БІ (вес.%). Перед испытанием образцы переводили в аморфно-нанокристаллическое состояние печным отжигом при температурах до 1150 К [2]. Основные исследования
проведены на образцах, отожженных при температурах 770 и 925 К. Лазерную обработку образцов аморфно-нанокристаллического металлического сплава осуществляли с использованием оптического квантового генератора ЕЬБ-01, vимп до 50 Гц, X = 1064 нм, Еимп 50100 мДж, т и 15-20 нс. Используемая техника обеспечивала получение импульсов длительностью и 20-30 нс и плотностью мощности до 1012 Вт/см2. Использование лазерных импульсов наносекундной длительности обусловлено тем, что при использовании импульсов большей длительности не удается осуществить выборочной обработки аморфной и нанокристаллической составляющей. Определение пластических свойств осуществляли как традиционным Ц-методом, так и с помощью метода локального нагружения [3].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Ранее было установлено, что в результате лазерной обработки аморфно-нанокристаллического металлического сплава возможно достижение двух-трехкратного повышения пластических характеристик материала [1]. Важной особенностью всех установленных зависимостей является выход на «плато» зависимости пластической характеристики материала є// от количества циклов обработки. После 40-50 циклов обработки повышение пластических характеристик материала прекращалось. Аморфно-нанокристаллический металлический сплав оставался хрупким, несмотря на существенное возрастание є// (до двух-трех раз, в зависимости от температуры отжига и методики лазерной обработки). Повышение эффективности обработки возможно только после анализа физических механизмов повышения пластических свойств материала при лазерной обработке и оптимизации схемы лазерной обработки.
К настоящему времени выделены основные причины повышения пластических характеристик сплава в условиях лазерной обработки, это: 1) испарение поверхностного дефектного слоя; 2) создание локальных неоднородностей, препятствующих прямолинейному
распространению трещин; 3) перевод в неопасное состояние концентраторов механических напряжений и зародышей разрушения. В результате увеличивается энергия, необходимая для разрушения материала, затрудняется хрупкое разрушение и повышаются пластические характеристики материала.
В данной работе анализировали механические характеристики лазерно-обработанных участков и материала в их окрестности для образцов, на которых по разным причинам не были полностью выполнены все циклы обработки. В ходе анализа экспериментальных результатов было установлено, что механические характеристики образцов, подвергнутых идентичной лазерной обработке, могли значительно отличаться. Очевидно, что в этих случаях, во всех образцах происходило одинаковое удаление поверхностного слоя. Следовательно, различное повышение пластических характеристик образцов может быть связано с формированием локальных неоднородностей, препятствующих прямолинейному распространению трещин, а также с наличием дефектов, различающихся комплексом характеристик (размер, химический состав, структура и пр.).
Важным направлением совершенствования метода лазерной обработки является выбор оптимальной последовательности облучения точек на поверхности образца. В случае сплошной последовательной обработки поверхности материала возможно формирование значительных механических напряжений на границе обработанного и исходного материала, что снижает пластические характеристики материала и может приводить к формированию трещин (рост количества бракованных образцов). В случае равномерного облучения точек на поверхности образца (рис. 2), когда полное облучение поверхности достигается после нескольких циклов обработки по схеме (рис. 1), разрушения образцов из-за возникновения трещин на границе облученного материала не наблюдали. Кроме того, при прочих равных условиях возрастание пластической характеристики материала в7/ примерно в полтора раза выше, чем при проведении сплошной непрерывной обработки. Таким образом, выбор оптимальной последовательности лазерного облучения точек на поверхности образца позволяет снизить брак и повысить пластические свойства и должен учитываться при разработке схем лазерного облучения образцов аморфно-нанокристаллического металлического сплава.
Рис. 1. Схема лазерной обработки тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава, направленной на повышение пластических характеристик
о о о о о
э о о о о о
э о о о о о
э о о о о о
ик
«ж«
Рис. 2. Последовательность лазерной обработки точек на поверхности образца
Для разных партий аморфной ленты, даже со стандартным составом, режимы обработки, позволяющие повысить пластические характеристики, несколько различались, и их подбирали в зависимости от предварительной печной термообработки. Изучение образцов показало, что на дефектных образцах в окрестности зон лазерной обработки могли сильно варьироваться механические характеристики. Обнаружены локальные области с низкими пластическими характеристиками, индентирование которых могло вызывать формированием трещин. Вероятно, «бракованные» образцы отличались от остальных дефектными областями, а их избирательная обработка и перевод в неопасное состояние возможны при подборе режимов лазерного излучения.
Подбирая режимы лазерной обработки, удавалось оптимизировать механические свойства образцов. Однако изучение результатов воздействия лазерных импульсов между циклами обработки не проводилось. Следовательно, изменение схемы обработки за счет проведения дополнительного исследования механических характеристик (результатов лазерного облучения) между циклами обработки (рис. 1) и соответствующей корректировки параметров излучения позволит уменьшить количество брака, оптимизировать обработку.
Точные характеристики дефектных областей в аморфно-нанокристаллических металлических сплавах неизвестны [4-7], поэтому подбор режимов обработки носил экспериментально поисковый характер. Уточнив характеристики дефектных областей, можно подобрать параметры лазерного излучения, избирательно воздействующего на опасные дефектные области [8-9].
До настоящего времени точно не известно, что представляют собой дефектные области в наноструктурных материалах, получаемых методом контролируемой кристаллизации из аморфных многокомпонентных сплавов. Нет достоверных данных о специфики воздействия импульсного лазерного излучения на дефектные области, различающиеся структурой, размерами, химическим составом.
Таким образом, перспективы метода селективной лазерной обработки напрямую связаны с возможностями экспериментального исследования неоднородных областей в аморфно-нанокристаллическом металлическом сплаве с учетом их структуры, полей механических напряжений, химического состава и других характеристик.
ВЫВОДЫ
1. Избирательная лазерная обработка дефектных областей в аморфно-нанокристаллических металлических сплавах позволяет оптимизировать механические свойства материала и является перспективным методом обработки. Точные характеристики дефектных областей в наноструктурных материалах неизвестны, что приводит к необходимости экспериментально подбирать оптимальные режимы лазерной обработки. Таким
образом, одним из направлений развития метода селективной лазерной обработки является совершенствование контроля результатов воздействия лазерных импульсов на материал после каждого цикла обработки.
2. Выбор оптимальной последовательности облучения точек на поверхности тонкой ленты аморфно-нанокристаллического металлического сплава позволяет снизить процент брака и повысить пластические свойства обрабатываемого образца. Снижение локальных механических напряжений за счет выбора правильной последовательности облучения точек на поверхности образца позволяет подбирать характеристики лазерных импульсов, эффективно воздействующих на дефектные нано- и микрообласти, не опасаясь создать опасные механические напряжения на границе облученного и исходного материала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ушаков И.В. Формирование механических характеристик тонкого аморфно-нанокристаллического металлического сплава импульсным лазерным излучением // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. 2007. Т. 12. Вып. 6. С. 715-718.
2. Ушаков И.В. Закономерности локального деформирования и разрушения тонких лент металлического стекла 82К3ХСР при импульсной лазерной обработке // Физика и химия обработки материалов. 2006. С. 24-28.
3. Ушаков И.В., Поликарпов В.М. Механические испытания тонких лент металлического стекла инденторами различной геометрической формы // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 69. № 7. С. 43-47.
4. Абросимова Г.Е., Аронин А.С., Зверькова И.И., Гуров А.Ф., Кирьянов Ю.В. Образование, структура и микротвердость нанокристал-лических сплавов Ni - Mo - B // ФТТ. 1998. Т. 40. № 1. С. 10-16.
5. Абросимова Г.Е., Аронин А. С., Игнатьева Е.Ю. Метастабильная фаза, образующаяся при кристаллизации аморфного сплава Ni70Mo10P20 // ФТТ. 2006. Т. 48. № 1. С. 114-119.
6. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Толочко О.В. Врожденная субмикропористость и кристаллизация аморфных сплавов // ФТТ. 2001. Т. 43. № 10. С. 1815-1820.
7. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Амосова О.В. Пористость и механические свойства аморфных сплавов // Изв. АН. Сер. физическая. 2003. Т. 67. № 6. С. 818-822.
8. Мирзоев Ф.Х., Панченко В.Я., Шелепин Л.А. Лазерное управление процессами в твердом теле // УФН. 1996. Т. 166. № 1. С. 3-32.
9. Ушаков И. В. Оптимизация механических характеристик аморфно-нанокристаллического металлического сплава короткоимпульсным лазерным излучением // Прочность и разрушение материалов и конструкций: тр. V междунар. науч. конф. Оренбург, 2008. Т. 1. С. 184-188.
Поступила в редакцию 18 ноября 2009 г.
Ushakov I.V., Lyudchik O.R. Dependence of mechanical features of nanostructural material from sequence of laser treatment of areas on its surface.
The influence of sequence of laser treatment on surface of amorphous-nanocrystalline metal alloys and on effectiveness of mechanical properties optimization. The scheme of laser treatment of surface is offered. Directions of optimization of selective laser method of processing thin band of amorphous nanocrystalline metallic alloy is discussed.
Key words: amorphous nanocrystalline metallic alloys; laser processing; mechanical features; scheme of treatment.
