ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТВЕРДОСТИ И СТАНДАРТНОГО ОТКЛОНЕНИЯ ПО ВИККЕРСУ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ АМОРФНЫХ ЛЕНТ Fe-Si-C

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются возможности использования измерений твердости по Виккерсу и стандартного отклонения (статистический анализ) для контроля качества при производстве аморфных лент с составом Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁. Цель исследования — отслеживание микроструктурных изменений, возникающих в процессе производства аморфных лент, и их влияние на механические свойства. Измерения твердости по Виккерсу выбраны в качестве основного метода для определения однородности поверхности лент и качества микроструктуры. Расчет стандартного отклонения позволяет оценить изменения в процессе производства лент и показатели качества продукции. Было установлено, что эти измерения имеют важное значение для совершенствования системы контроля качества.

ABSTRACT

This article examines the possibilities of using Vickers hardness measurements and standard deviation (statistical analysis) for quality control in the production of amorphous ribbons with compositions Fe₉₂Si₆C₂ and Fe₉₃Si₆C₁. The aim of the study is to monitor the microstructural changes that occur during the production of amorphous ribbons and their impact on mechanical properties. Vickers hardness measurements were chosen as the main method for determining the uniformity of the ribbon surface and the quality of the microstructure. Calculating the standard deviation allows assessing changes in the ribbon production process and product quality indicators. It was established that these measurements are of significant importance for improving the quality control system.

Ключевые слова: Твёрдость по Виккерсу, аморфная лента, предел прочности, Стандартное отклонение.

Keywords: Vickers hardness amorphous ribbon,  Strength limit, Standard deviation.

Введение

В проведенных исследованиях выявлены ряд механических свойств аморфных лент на основе Fe-Si-C, подчеркивающих их потенциал для различных применений. Исследования показывают, что предел прочности аморфных лент на основе Fe-Si-C (в среднем 2000 МПа) значительно выше, чем предел прочности традиционного кристаллического материала Fe-Si (400-600 МПа). Твердость аморфных лент на основе Fe-Si-C также особенно высока. В то время как твердость по Виккерсу для кремнистой стали составляет 150-200 HV, твердость аморфных лент на основе Fe-Si-C обычно достигает 900 HV, что значительно выше по сравнению с кристаллическими аналогами [1-5].

Аморфные ленты, включая ленты на основе Fe-Si-C, обладают рядом отличных механических свойств из-за своей некристаллической структуры:

• Аморфные ленты обычно обладают более высоким пределом прочности по сравнению с кристаллическими аналогами. Это связано с отсутствием границ зерен, которые являются слабыми местами в кристаллических материалах [6-10].

• Эти материалы демонстрируют высокую твердость. Отсутствие упорядоченной атомной структуры и наличие сильных межатомных связей увеличивают их твердость.

• Несмотря на высокий предел прочности и твердость, аморфные ленты могут быть относительно хрупкими. Они обладают низкой эластичностью и могут ломаться хрупко при определенных условиях .

• Модуль упругости аморфных лент обычно ниже, чем у кристаллических металлов. Это может влиять на их твердость и способность к эластической деформации.

• Аморфные ленты часто демонстрируют лучшую стойкость к износу благодаря высокой твердости и отсутствию границ зерен, что может быть преимуществом в применениях, где важна износостойкость [10-16].

Материалы и оборудование, используемые в исследовании

Представление экспериментальных данных Испытание твердости по Виккерсу — это метод определения твердости материалов путем измерения размера отпечатка, оставленного алмазным наконечником. Процедура включала следующие этапы:

Подготовка образцов- Для исследования были использованы образцы лент толщиной 20-30 микрометров с составом Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁, синтезированные методом быстрого охлаждения (более 10⁵-10⁶ K/с), что обеспечило примерно 82% аморфную структуру. Для точных измерений твердости поверхности образцов (ID от S₁ до S₅) были подготовлены гладкие и ровные поверхности. Любые поверхностные дефекты были устранены путем полировки для обеспечения одинаковой испытательной площади.

Испытательное оборудование- Измерения проводились с использованием микротвердомера, оснащенного алмазным индендером Виккерса. Отпечаток был квадратным с углом между противоположными гранями 136 градусов.

Применение нагрузки- Нагрузка 100 грамм-сил (гФ) была приложена к индендеру на 10 секунд. Эта нагрузка подходит для тонких лент и обеспечивает четкий отпечаток без чрезмерной деформации или растрескивания.

Измерение отпечатка- После снятия нагрузки диагонали отпечатка на образце измерялись под микроскопом. Средняя длина диагоналей использовалась для расчета твердости.

Расчет твердости- Твердость по Виккерсу (HV) рассчитывалась по следующей формуле [14]:

где F — приложенная нагрузка в килограмм-силах (кгФ); d — средняя длина диагоналей в миллиметрах (мм).

Результаты твердости по Виккерсу для образцов лент с составом Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁ (ID от S₁ до S₅) обобщены в таблице 1:

Таблица 1.

Результаты твердости по Виккерсу для образцов лент с составом Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁ (ID от S₁ до S₅)

Анализ результатов

Для аморфных лент с составом Fe₉₂Si₆C₂ значения твердости по Виккерсу варьировались от 690 HV до 730 HV, среднее значение составило 710 HV. Для аморфных лент с составом Fe₉₃Si₆C₁ значения твердости по Виккерсу варьировались от 670 HV до 710 HV, среднее значение составило 690 HV. Этот относительно узкий диапазон показывает хорошую согласованность свойств материала среди различных образцов.

Аморфные материалы отличаются от кристаллических материалов тем, что атомы в них расположены случайным образом. При изучении этих материалов необходимо учитывать следующие особенности:

• Сильные межатомные связи: В аморфных материалах существуют сильные ковалентные или металлические связи между атомами. Эти связи очень прочно соединяют атомы друг с другом, увеличивая твердость материала. Сильные межатомные связи повышают механическую стойкость аморфного материала, обеспечивая его устойчивость к деформации.

• Отсутствие дислокаций: В кристаллических материалах имеются дислокации, то есть ошибки в упорядочении атомов. Эти дислокации являются слабыми местами материала и приводят к его легкой деформации под механическим воздействием. В аморфных материалах дислокаций нет, так как атомы расположены случайным образом, что обеспечивает их большую устойчивость к механическим воздействиям.

• Отсутствие границ зерен: В кристаллических материалах присутствуют границы зерен, которые являются слабыми местами и могут снижать твердость материала. В аморфных материалах границ зерен нет, они гомогенны и не имеют кристаллической структуры, что делает их более твердыми и устойчивыми.

Измерения твердости по Виккерсу и стандартное отклонение

Для оценки вариабельности свойств образцов было рассчитано стандартное отклонение измерений твердости для каждого образца. Было выявлено, что значения стандартного отклонения низки, что подтверждает однородность твердости среди образцов.

Стандартное отклонение — это статистическая мера, показывающая, насколько значения выборки отклоняются от среднего значения. Рассчитывая стандартное отклонение измерений твердости, можно оценить вариабельность среди образцов.

Низкое стандартное отклонение свидетельствует о том, что образцы были изготовлены при одинаковых условиях, обладают схожими структурными характеристиками и аналогичными механическими свойствами. Низкое стандартное отклонение для аморфных материалов указывает на то, что атомы расположены случайным образом, но одинаковым образом, и механические свойства материалов близки друг к другу.

Расчет стандартного отклонения- Расчет среднего значения: Среднее значение выборки рассчитывается как сумма всех значений, деленная на их количество:

 .

где  — среднее значение,  — каждое значение выборки, n — количество значений выборки.

Для аморфных лент (по таблице 1):

,

2. Каждое значение отклонения от среднего значения рассчитывается: .

Для состава Fe₉₂Si₆C₂:-10; 10; 0; -20; 20; Для состава Fe₉₃Si₆C₁:-10; 10; 0; -20; 20.

3. Каждый квадрат отклонения рассчитывается::  

Для состава Fe₉₂Si₆C₂:100; 100; 0; 400; 400;

Для состава Fe₉₃Si₆C₁: 100; 100; 0; 400; 400;

4. Сумма квадратов отклонений рассчитывается:  

Для состава Fe₉₂Si₆C₂:1000 ,  Для состава Fe₉₃Si₆C₁: 1000

5. Среднее значение суммы квадратов отклонений (дисперсия) находится:

Для состава Fe₉₂Si₆C₂: 200 ,  Для состава Fe₉₃Si₆C₁: 200

6. Квадратный корень из дисперсии, то есть стандартное отклонение, рассчитывается: .

где σ-- стандартное отклонение, σ² -- дисперсия.

Для состава Fe₉₂Si₆C₂: 14,1 (1,99 %)Для состава Fe₉₃Si₆C₁: 14,1 (2,04 %)

Низкое стандартное отклонение указывает на меньшую изменчивость данных и их более тесное сосредоточение вокруг среднего значения. Это означает, что данные более близки к среднему значению. Небольшое значение стандартного отклонения подтверждает однородность и схожесть образцов.

Результаты

1. Образцы аморфных лент с составами Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁, прошедшие испытание на твёрдость по Виккерсу, продемонстрировали высокие и стабильные значения твёрдости во всех тестируемых образцах. Высокие значения твёрдости по Виккерсу аморфных материалов с составами Fe₉₂Si₆C₂ и Fe₉₃Si₆C₁ объясняются наличием в этих материалах сильных атомных связей, отсутствием дислокаций и границ зерен.
2. Низкое стандартное отклонение измерений твёрдости подтверждает одинаковую твёрдость образцов. Это указывает на то, что материал обладает однородными механическими свойствами с близкими значениями твёрдости. Темы стандартного отклонения и низкого стандартного отклонения играют важную роль в статистическом анализе и могут быть использованы для оценки различий в лентах. Результаты подтверждают возможность использования стандартного отклонения в процессах контроля качества при производстве аморфных лент.

Список литературы:

1. Abdullayev, A.P., Ahmadov, V.I. and Isayeva, A.A. Magnetic penetration investigation on the bands made of amorphous magnetically soft (CoFe)₇₅Si₁₀B₁₅ alloys under the thermal processing // International Journal of Modern Physics B –Sinqapur: – 2021.v.35, № 3.
2. İsayeva, A. A. , Məmmədov F.Ş., Musazadə İ.V., Musayeva S.M., Əhmədov, V. İ. and, Rafiev N.М., Fe-Si-C əsaslı maqnityumşaq amorf lentlərin ənənəvi kristallik Fe-Si  (elektrotexniki polad)  materiallarını əvəz etmə imkanları Мeждународный научно-практичeский журнал // Endless Light in Science № 2/2 extra.  Астана, Казахстан, 31 июля 2024
3. Abdullayev, A. P., Ahmadov, V. I. Məmmədov F.Ş., Rafiev N.М., Isayeva A.A., Fe₉₂Si₆C₂ və Fe₉₃Si₆C₁  tərkibli amorf lent nümunələrinin alınması prosesinin optimallaşdırılması // Мeждународный научно-практичeский журнал Endless Light in Science № 2/2 extra., Астана, Казахстан,  31 июля 2024
4. Abdullayev A.P., İsayeva A.Ə., Əsgərova  G.Z. Kobalt əsaslı ərintinin müvəqqəti köhnəlməsi Elmi əsərlər, Azərbaycan Memarlıq və İnşaat Universiteti, - Bakı: -2024, səh 39-44, , №1
5. Абдуллаев А.П., Ахмедов В.И., Шамилов Т.Г., Мамедов Ф.Ш., Мусазаде И.В., Рафиев Н.М., Исаева А.А., Мусаева С.М., Аскерова Г.З., Джабирли Р.Д.  Разработка технологии получения аморфных лент Fe-Si-C // Universum: технические науки: научный журнал. –Москва.- 2024. № 8(125). c. 56-60.,
6. Panakhov T.M., Isaeva A. A, Rafiev N. M, Guseinov A.G. Magnetic Thermocouples Made of Co–Fe and Ni–Fe Permalloys. // Journal Technical Physics, -Moscow, - 2019, № 7, - p. 1053–1055. https://DOI:10.1134/S1063784219070181
7. Rafiyev, N.M. Peculiarities of Surface Crystallization of AMA Crystallization of Amorphous Ribbon from the Contact Side // International Journal of  Science Research, - 2016.v.5, p.7
8. Rafiyev, N.M. Effects of heat treatment on some magnetic properties of amorphous alloys containing (Fe-Ni)_1-х M_x (M=Si, B). // Zeitschrift für Naturforschung A ZNA, - 2022. v. 77  iss:08
9. Askeland, D. R., Wright, W. J. (2015). The Science and Engineering of Materials. Cengage Learning. p.949
10. Abbaschian, R., Abbaschian, L. Reed-Hill. R. E. (2009). Physical Metallurgy Principles. Cengage Learning.
11. Akihisa Inoue, Koji Hashimoto Amorphous and Nanocrystalline Materials: Preparation, Properties, and Applications January 2001 DOI: 10.1007/978-3-662-04426-1 ISBN: 978-3-642-08664-9
12. Bhadeshia, H. K. D. H. Steels: Microstructure and Properties. Butterworth-Heinemann. (2001).
13. Bresson , L., Harmelin, M. and  Calvayrac, Y. Mechanical Properties of the Amorphous Alloy Fe₇₈B₁₃Si₉ Zeitschrift für Physikalische Chemie  March 30, 1988 https://doi.org/10.1524/zpch.1988.157.Part_1.189
14. Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. Materials Science and Engineering: An Introduction. John Wiley & Sons. (2017). p. 975
15. Christopher, A. S., Hufnagel, T. C., & Ramamurty, U. (2007). Mechanical behavior of amorphous alloys. Acta Materialia, 55(12), p.4067-4109.
16. Rafiyev N.M, Ahmadov V.I, Isaeva A.Ə. Prospects to use amorphous Fe–Ni–Si–B ribbons in contactor cores // Ukrainian Journal of Physics-2023, T.68, №3

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