СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АМОРФНЫХ ЛЕНТ С СОСТАВАМИ Fe92Si6C2 И Fe93Si6C1 ВВЕДЕНИЕ

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF AMORPHOUS RIBBONS WITH COMPOSITIONS FE₉₂SI₆C₂ AND FE₉₃SI₆C₁

Adil Abdullayev

Head of the Department of Physics and Chemistry, Azerbaijan University of Architecture and Construction, Professor, Azerbaijan, Baku

Farhad Mammadov

Associate Professor of the Department of Physics and Chemistry, Azerbaijan University of Architecture and Construction, Azerbaijan, Baku

Imamhasan Musazadeh

Associate Professor of the Department of Physics and Chemistry, Azerbaijan University of Architecture and Construction, Azerbaijan, Baku

Nurlan Rafiyev

Researcher at the Laboratory of Physics of Metals and Alloys, Azerbaijan University of Architecture and Construction, Azerbaijan, Baku

Gunel Askerova

Laboratory Assistant at the Laboratory of Physics of Metals and Alloys, Azerbaijan University of Architecture and Construction, Azerbaijan, Baku

Rashad Jabirli

Founder of Polymart MMC, Azerbaijan, Baku

Аннотация. Целью данной статьи является исследование механических свойств аморфных лент с составами Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁ для оценки их потенциала практического применения. В ходе исследования были изучены основные механические свойства аморфных структур, включая предел прочности, предел пропорциональности и стойкость к разрушению. Исследование показало, что оба аморфных сплава обладают высокой твердостью и эластичностью. Результаты показывают, что небольшие изменения в составе, особенно изменение количества углерода, значительно влияют на механические свойства аморфных лент. Это подтверждает их перспективность для использования в электроэнергетических применениях, особенно в областях, требующих высокой механической прочности.

Abstract. The aim of this article is to investigate the mechanical properties of amorphous strips with compositions Fe₉₂Si₆C₂ and Fe₉₃Si₆C₁ to assess their potential for practical applications. The study examined the key mechanical properties of amorphous structures, including ultimate tensile strength, proportionality limit, and fracture resistance. The research demonstrated that both amorphous alloys possess high hardness and elasticity. The results indicate that small changes in composition, particularly variations in carbon content, significantly affect the mechanical properties of the amorphous strips. This confirms their promising use in electrical energy applications, especially in areas requiring high mechanical strength.

Ключевые слова: аморфные материалы, предел прочности, предел пропорциональности, удлинение аморфных лент.

Keywords: amorphous materials, ultimate tensile strength, proportional limit, elongation of amorphous strips.

Введение:

Беспорядочная атомная структура придает аморфным лентам превосходную магнитную мягкость, высокое электрическое сопротивление и уникальные механические свойства. Эти свойства делают аморфные ленты перспективными материалами для различных технологических применений, включая трансформаторы, индукторы и магнитные сенсоры [1-3]. Изучение механических свойств аморфных лент на основе Fe-Si-C имеет важное значение для их практического применения.

Изучение механических свойств аморфных лент на основе Fe-Si-C важно по следующим причинам:

Механическая целостность материалов важна в таких приложениях, как трансформаторы, индукторы и магнитные сенсоры. Свойства, такие как предел прочности, твердость и эластичность, обеспечивают устойчивость лент к механическим нагрузкам без отказов[4];

• Аморфные ленты часто используются в миниатюризированных устройствах благодаря высокому соотношению прочности к весу. Знание их механических свойств позволяет проектировать легкие и компактные компоненты без ущерба для эксплуатационных характеристик [5-7];
• Изучение механических свойств помогает оптимизировать производственные процессы, такие как резка, штамповка и формовка;
• Для массового производства важно поддержание стабильных механических свойств для обеспечения качества продукции. Знание этих свойств позволяет производителям внедрять соответствующие меры контроля качества для обеспечения стабильности продукта в рабочем режиме [8-12] ;
• Данные о механических свойствах помогают прогнозировать срок службы компонентов, изготовленных из аморфных лент, упрощают составление графиков технического обслуживания и снижают риск неожиданных отказов[12].

Материалы и методы исследования:

В этом исследовании были изучены аморфные ленты с составами Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁, синтезированные методом быстрого охлаждения, с аморфной структурой примерно 82%. Жидкий сплав заливался на вращающееся медное колесо, образуя тонкие ленты толщиной около 20-30 микрометров. Быстрое охлаждение (более 10⁵-10⁶ K/с) обеспечивало формирование аморфной структуры.

Для обеспечения точных и надежных испытаний на растяжение образцы аморфных лент с составами Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁ были длиной 25 мм и площадью поперечного сечения примерно 0,8 мм². Чтобы избежать преждевременного отказа, концы образцов были обработаны для облегчения захвата в испытательной машине. Предел прочности (UTS), предел текучести и удлинение при разрыве были зафиксированы.

В ходе испытаний фиксировались следующие основные параметры:

1. Предел прочности (UTS): максимальное напряжение, которое материал может выдержать без разрушения при растяжении;
2. Предел текучести: напряжение, при котором начинается пластическая деформация материала, определяемое методом 0,2% смещения;
3. Удлинение при разрыве: процентное увеличение длины образцов в точке разрыва.

Представление экспериментальных данных:

Предел прочности (UTS). Образцы с одинаковым составом, произведенные в разные дни, были обозначены последовательно как S₁, S₂, S₃, S₄ и S₅. Результаты испытаний на растяжение аморфных лент с составами Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁ представлены в таблицах 1 и 2:

Таблица 1.

Предел прочности аморфных лент с составом Fe₉₂Si₆C₂

Таблица 2.

Предел прочности аморфных лент с составом Fe₉₃Si₆C₁

Таблица 3.

Предел пропорциональности аморфных лент с составом Fe₉₃Si₆C₁

Таблица 4.

Предел пропорциональности аморфных лент с составом Fe₉₃Si₆C₁

Разрывное удлинение и его расчет

Увеличение длины является важной механической характеристикой, показывающей способность материала к удлинению в точке разрыва. Увеличение длины в точке разрыва рассчитывается как процентное соотношение разницы в длине по сравнению с начальной длиной:

Более высокие значения процента удлинения указывают на то, что материал более эластичен и пластичен.

Данные об удлинении имеют критическое значение для лучшего понимания свойств материалов в различных отраслях промышленности. Результаты измерений обобщены в таблице 5.

Таблица 5.

Удлинение аморфных лент, содержащих Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁, при разрыве

Удлинение при разрыве для аморфных лент с составом Fe₉₂Si₆C₂ составляет в среднем 1,6%, а для Fe₉₃Si₆C₁ — в среднем 1,7%. Это характерно для хрупких материалов, демонстрирующих минимальную пластическую деформацию перед разрушением.

Сравнительный анализ механических свойств аморфных лент с составами Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁

Поведение разрушения в этих сплавах начинается в дефектах или включениях, на границах зерен или в местах неоднородностей, что проявляется в виде хрупкого разрушения для обоих сплавов. Разрушения Fe₉₃Si₆C₁ чаще связаны с дефектами структурных границ. Состав Fe₉₃Si₆C₁ обычно показывает более высокое значение предела прочности на разрыв (UTS), что указывает на его лучшую сопротивляемость разрушению под растягивающей нагрузкой по сравнению с Fe₉₂Si₆C₂. Состав Fe₉₃Si₆C₁ также обладает более высоким пределом пропорциональности, что означает, что он может выдерживать большее давление до начала деформации. Оба сплава характеризуются малым удлинением при разрушении, что свойственно хрупким материалам. Однако Fe₉₃Si₆C₁ демонстрирует большую пластичность, в то время как Fe₉₂Si₆C₂ обладает немного большей твердостью.

Оба сплава демонстрируют хрупкое разрушение, но места его начала различны. Разрушения Fe₉₂Si₆C₂ с большей вероятностью начинаются в дефектах или включениях, в то время как разрушения Fe₉₃Si₆C₁ склонны начинаться на границах зерен или в местах неоднородностей. Это указывает на различные механизмы концентрации напряжений (литература).

Таким образом, состав Fe₉₃Si₆C₁ обладает несколько лучшими механическими свойствами в отношении UTS и предела пропорциональности, а также лучшей пластичностью. Это делает его более подходящим для применений, требующих большей прочности и лучших эластичных свойств. Состав Fe₉₂Si₆C₂ демонстрирует немного большую твердость, что делает его более устойчивым к износу поверхности, несмотря на несколько более низкие UTS и предел пропорциональности. Выбор между этими сплавами зависит от специфических требований применения, баланса прочности, твердости и поведения при разрушении.

Выводы

1. Испытания на растяжение образцов аморфных лент с составами Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁ показали их низкую эластичность, а также высокие значения предела прочности и предела пропорциональности. Эти свойства делают их подходящими для применений, требующих высокой прочности и твердости, однако следует быть осторожными в применениях, где требуется значительная пластическая деформация.
2. Состав Fe₉₃Si₆C₁ обладает несколько лучшими механическими свойствами в отношении UTS и предела пропорциональности, а также лучшей пластичностью. Это делает его потенциально более подходящим для применений, требующих большей прочности и лучших эластичных свойств. Состав Fe₉₂Si₆C₂ демонстрирует лучшую твердость, что делает его более устойчивым к износу поверхности при несколько более низких значениях UTS и предела пропорциональности. Выбор между этими сплавами зависит от специфических требований применения, баланса прочности, твердости и поведения при разрушении.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Фонда Науки Азербайджана Грант № AEF-MQM-QA-2-2023-3(45)-05/01/1-M-01