Содержание
Введение............................................................................4
Глава I. Структурная релаксация и деформационные явления в металлических стеклах (литературный обзор)
1.1. Общие представления о металлических стеклах.....................................8
1.2. Структура и структурная релаксация металлических стекол........................12
1.2.1. Модели структуры ........................................................12
1.2.2. Структурная релаксация металлических стекол..............................15
1 2.3. Модельные представления процессов структурной релаксации па основе спек-
I
тра энергий активации...........................................................16
1.2.4. Межузельная теория конденсированного состояния вещества..................19
1.3. Пластическое течение металлических стекол.................................... 21
1.3.1. Гетерогенная и гомогенная деформация.....................................21
1.3.2. Модель свободного объема.................................................22
1.3.3. Модель зон сдвиговых превращений.........................................25
1.3.4. Модель направленной структурной релаксации...............................27
1.4. Релаксация напряжений в металлических стеклах и влияние на нее структурной релаксации ............................................................................................................................31
1.4.1. Явление и метод релаксации напряжений....................................31
1.4.2. Кинетика релаксации напряжений в металлических стеклах...................33
1.5. Выводы из литературного обзора и постановка задачи.............................35
Глава II. Методика эксперимента
2.1. Приготовление и аттестация образцов..........................................37
2.2. Экспериментальная установка для измерения релаксации крутящего момента 41
1
2.3. Закалка состаренных образцов из состояния переохлажденной жидкости...........44
2.4. Измерения плотности методом гидростатических взвешиваний.....................45
Глава 111. Кинетика релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла РйтоСизс^иоРзо » объемном и ленточном состояниях
3.1. Экспериментальное исследование релаксации крутящего момента...................47
3.2. Расчет кинетики релаксации крутящего момеша в рамках модели направленной структурной релаксации.............................................................50
3.2.1. Восстановление спектра энергии активации из данных по изохронной релаксации крутящего момента ........................................................51
3.2.2. Расчет температурной зависимости сдвиговой вязкости.......................55
3.2.3. Расчет кинетики релаксации крутящего момента в изотермических условиях 57
3.3. Возврат релаксации крутящего момента состаренных металлических стекол РсЦоСизоМцоРго......................................................................59
3.3.1. Линейный нагрев...........................................................60
3.3.2. Изотермический режим......................................................63
3.4. Выводы по Главе 3..............................................................67
Глава IV. Кинетика релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла Рс14оСИ4уР20
4.1. Плотность металлического стекла РсЦоСщрРго.....................................68
4.2. Кинетика релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла Рб4оСщоР2С в режиме линейного нагрева........................................69
4.3. Кинетика релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла РсЦоСщоРго в изотермическом режиме...........................................72
4.4. Обсуждение результатов по возврату релаксации крутящего момента................74
4.5. Выводы по Главе 4..............................................................75
Глава V. Кинетика релаксации крутящего момента в металлических стеклах Хг-Си-1ЧГА1 с различной стеклообразующей способност ью исходных расплавов
5.1. Кинетика релаксации крутящего момента ленточных и объемных образцов металлических стекол 2г50 7Си28^19А1|2.з, 2г5|оСигздМт зА1ыз и 2г5зСицпМ|2А1|бз в изотермическом режиме.........................................................................76
5.2. Кинетика релаксации крутящего момента ленточных и объемных образцов металлических стекол 2г50 7Си2^Ь;А1|2 3, Zr51.9C.U23 З^ЧО .«:А1]43 и 2г5зСи187МЙ2А116з в режиме линейного нагрева.....................................................................78
5.3. Восстановление спектров энергии активации ленточных и объемных образцов металлических стекол 2г50 7Сп28КЧ9А112 3, 2Г5|9Си23з№о5А1|4.3 И &5зС軧.7>чЧ]2А1 |б з ...80
5.4. Выводы по Главе 5..............................................................83
Общие выводы по работе Литература...............
84
85
Введение
Актуальность темы исследования. Интерес к металлическим стеклам обусловлен как чисто научными причинами, гак и значительными возможностями их практического применения. Специфика структуры металлических стекол определяет уникальность большинства их свойств. Вместе е тем, структура металлических стекол не остается неизменной во времени. В силу неравновесности структурного состояния металлических стекол в них самопроизвольно протекают процессы, известные под обобщенным названием ‘‘структурная релаксация”. Принято считать, что структурная релаксация в металлических стеклах является главным образом необратимым явлением, приводя, соответственно, к необратимому и довольно значительному изменению свойств. Например, структурная релаксация резко снижает способность к гомогенному вязкому течению, приводя даже к охрупчиванию металлических стекол, что является одним из их главных технологических недостатков. Однако, в последнее время В1 литературе появились некоторые сведения о том, что высокотемпературная термообработка может приводить к частичному или даже полному восстановлению некоторых физических свойств металлических стекол. Изучение возможности восстановления способности металлических стекол к пластическому течению представляет особый интерес как с научной, так и с прикладной точки зрения.
Несмотря на многочисленные исследования явления структурной релаксации, она остается еще во многом неизученной, а ее механизмы - непонятыми. Хотя в настоящее время существует целый ряд феноменологических моделей, описывающих структурную релаксацию металлических стекол, главный вопрос - вопрос о физической природе центров структурной релаксации - остается нерешенным даже на качественном уровне. Наиболее распространенная точка зрения связывает центры релаксации с локальными областями избыточного свободного объема, а структурную релаксацию в целом - с уменьшением избыточного свободного объема. Однако, с одной стороны, эта точка зрения не позволила существенно продвинуться вперед в понимании кинетики структурной релаксации и вызванной ей релаксации свойств, а с другой - стали накапливаться экспериментальные данные, которые прямо или косвенно ей противоречат.
Металлические расплавы имеют разную стек л о образующую способность. Вопрос о ее влиянии на кинетику структурной релаксации получаемых металлических стекол остается полностью неисследованным. Вмесге с тем, понимание этого вопроса представляется важным, поскольку он даст информацию о том, связаны ли центры структурной релаксации стекла со стеклообразуюшей способностью исходного расплава.
Изучение релаксации напряжений металлических стекол важно с нескольких точек зрения, начиная с чисто научной, и кончая прикладными аспектами, т. к. ленточные металлические стекла реально используются наиболее часто в условиях зафиксированной полной деформации. Релаксация напряжений непосредственно связана со способностью стекла к пластическому течению, которая является структурно чувствительной характеристикой, отражающей процессы структурной релаксации.
С учетом изложенного, были определены цели работы:
а) Изучение влияния условий старения на кинетику релаксации напряжений металлических стекол, а также определение возможности и условий возврата релаксации напряжений посредством специальной термообработки.
б) Оценка роли избыточного свободного объема в формировании закономерностей структурной релаксации и пластического течения металлических стекол.
в) Установление связи стеклообразующей способности исходного расплава е кинетикой сгруктурной релаксации приготовленного из него стекла.
Для достижения поставленных целей были определены следующие задачи исследования:
• Изучение кинетики релаксации крутящего момента и возврата релаксации образцов металлического стекла РсЦоСизоМпоРго в объемной и ленточной форме, значительно отличающихся по скорости закалки при их изготовлении и. соответственно, по величине исходного избыточного свободного объема.
• Изучение кинетики релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла РсЦоСщоРго, которое кристаллизуется полиморфно в тетрагональную фазу РйгСи^Р, плотность которой меньше плотности исходного стекла.
• Изучение кинетики релаксации крутящего момента объемных и ленточных образцов металлических стекол на основе Ъх близкого химического состава с существенно отличающейся стеклообразующей способностью исходных расплавов.
• Интерпретация кинетики релаксации крутящего момента исследуемых металлических стекол.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
• Проведены измерения релаксации крутящего момента объемных и ленточных металлических стекол различных составов (Рс^СизоМ юР20> Рс^оОщоРго, ^Г5зСи]8 7И112А116з-^Г5|.«;Си2з?К|ю5А114 3 и Ъх$ъ тС^^А^з), показавшие, что гомогенное течение и его подавление в результате структурной релаксации не обусловлено избыточным свободным объемом и его уменьшением при термообработке.
• Обнаружено явление "гигантского восстановления" способности к гомогенному те-
6
чеиию металлического стекла Рс^Си^Рзо» когда степень релаксации крутящего момента состаренного металлического стекла после закалки из состояния переохлажденной жидкости превышает таковую в исходном свежеприготовленном состоянии.
• Установлено, что быстрая закалка из состояния переохлажденной жидкости различным образом восстанавливает разные участки спекграэиергии активации.
• Обнаружена необычная релаксация крутящего момента металлических стекол 2г5зСи|$7М|2А1|бз. 2г>|9Си2зз№|0 5А1мз и 7л-50 7Си28МоА112з, когда степень релаксации немонотонно изменяется с температурой.
• Установлено, что стеклообразующая способность исходного расплава практически не влияет на закономерности пластического течения и структурной релаксации исследованных металлических стекол.
На защиту выносятся:
• Совокупность экспериментальных результатов изучения кинетики релаксации крутящего момента металлических стекол РЛмСизоМцоРго н РсЬоСщоРго-
• Обнаруженные закономерности возврата релаксации крутящего момента состаренных металлических стекол Рс^оСизоМк^о и РсЦоСщоРго после закалки из состояния переохлажденной жидкости.
• Совокупность экспериментальных результатов изучения кинетики релаксации крутящего момента объемных и ленточных образцов металлических стекол на основе 7л с существенно отличающейся стеклообразующей способностью исходных расплавов.
• Интерпретация кинетики релаксации крутящего момента металлических стекол в рамках модели направленной структурной релаксации.
Научная и практическая ценность работы
Полученные в работе экспериментальные результаты и сформулированные модельные подходы расширяют представления о физической природе механизмов пластического течения и структурной релаксации металлических стекол. Обнаруженные явления возврата релаксации крутящего момента имеют непосредственное практическое значение и могут быть использованы для создания технологических процессов возврата деформационной способности термически состаренных металлических стекол.
Апробация работы. Полученные в работе результаты были представлены на ХЬУИ Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород 2008), IV Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж 2008), XV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Кемерово 2009), XVII Международной конференции “Физика прочности и пластичности материалов” (Самара 2009), VII Всерос-
\
7
сийской конференции-школе «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (Воронеж 2009), V Международной конференции “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений’' (Тамбов 2010).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 5 статьях, опубликованных в российских и международных физических журналах.
Личный вклад автора. Лвгор написала все программное обеспечение для экспериментальной установки по измерению релаксации крутящего момента. Лично ей были выполнены все измерения релаксации крутящего момента, а также измерения плотности металлических стекол. Автор принимала участие в обсуждении и анализе результатов, формулировке выводов исследования и подготовке публикаций в печать. Постановка задач и целей исследований осуществлена научным руководителем проф. В.А. Хоником. Аттестация нскрисгалличности исследуемых металлических стекол и термический анализ были выполнены соавторами по публикациям.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, изложенных на 92 страницах текста, включая 49 рисунка, 3 таблицы и список цифруемой литературы из 116 наименований.
- Киев+380960830922