Кинетика релаксации сдвиговых напряжений в металлических стеклах на основе Pd и Zr тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Нгуен Тхи Нгок Ны

• Нгуен Тхи Нгок Ны
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Нгуен Тхи Нгок Ны

Введение.

Глава I. Структурная релаксация и деформационные явления в металлических стеклах (литера гурный обзор)

1.1. Общие представления о металлических стеклах.

1.2. Структура и структурная релаксация металлических стекол.

1.2.1. Модели структуры

1.2.2. Структурная релаксация металлических стекол.

1 2.3. Модельные представления процессов структурной релаксации на основе спек* тра энергий активации.

1.2.4. Межузельная теория конденсированного состояния вещества.

1.3. Пластическое течение металлических стекол.

1.3.1. Гетерогенная и гомогенная деформация.

1.3.2. Модель свободного объема.

1.3.3. Модель зон сдвиговых превращений.

1.3.4. Модель направленной структурной релаксации.

1.4. Релаксация напряжений в металлических стеклах и влияние на нее структурной релаксации

1.4.1. Явление и метод релаксации напряжений

1.4.2. Кинетика релаксации напряжен иг! в метаплических стеклах.

1.5. Выводы из литературного обзора и постановка задачи.

Глава И. Методика эксперимент а

2.1. Приготовление и аттестация образцов.

2.2. Экспериментальная установка для измерения релаксации крутящего момента.

2.3. Закалка состаренных образцов из состояния переохлажденной жидкости.

2.4. Измерения плотности методом гидростатических взвешиваний.

Глава III. Кинетика релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла Рс^оСизо^юРго в объемном и ленточном состояниях

3.1. Экспериментальное исследование релаксации крутящего момента.

3.2. Расчет кинетики релаксации крутящего моменш в рамках модели направленной структурной релаксации.

3.2.1. Восстановление спектра энергии активации из данных по изохронной релаксации крутящего момента

3.2.2. Расчет температурной зависимости сдвиговой вязкости.

3.2.3. Расчет кинетики релаксации крутящего момента в изотермических условиях

3.3. Возврат релаксации крутящего момента состаренных металлических стекол Ра4оСи3о№,оР2о.

3.3.1. Линейный нагрев.

3.3.2. Изотермический реэ/сим.

3.4. Выводы по Главе 3.

Глава IV. Кинетика релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла РсЬюСщоРм

4.1. Плотность металлического стекла Р&шСщоРго.

4.2. Кинетика релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла РсЬюСщоРго в режиме линейного нагрева.

4.3. Кинетика релаксации крутящего момента и возврата релаксации металлического стекла РсЦоСщоРго в изотермическом режиме.

4.4. Обсуждение результатов по возврату релаксации крутящего момента.

4.5. Выводы по Главе

Глава V. Кинетика релаксации крутящего момента в металлических стеклах Zr-Cu-Ni-Al с различной стеклообразующей способностью исходных расплавов

5.1. Кинетика релаксации крутящего момента ленточных и объемных образцов металлических стекол 2г50 7Си28№9А1]2.з, 2гз1 9Си2з.з№ю5А114з и 2г5зСи187№12А1,бз в изотермическом режиме.

5.2. Кинетика релаксации крутящего момента ленточных и объемных образцов металлических стекол 2^X50 7Си281>119А112 3, ХГз],9Си23 з1^1ю 5А114.3 и Zr5зCUl8 7>>Н 12А1 [6 з в режиме линейного нагрева.

5.3. Восстановление спектров энергии активации ленточных и объемных образцов металлических стекол 7г50 7с1128№9А112 3> 9Си23з№ю5А1|4.3 и 2Г53С1118.7№12А

5.4. Выводы по Главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика релаксации сдвиговых напряжений в металлических стеклах на основе Pd и Zr»

Актуальность темы исследования. Интерес к металлическим стеклам обусловлен как чисто научными причинами, так и значтельиыми возможностями их практического применения. Специфика структуры металлических стекол определяет уникальность большинства их свойств. Вместе с 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 ох-рупчиванию металлических стекол, что является одним из их главных технологических недостатков. Однако, в последнее время в 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 стеклообразующую способность. Вопрос о ее влиянии на кинетику структурной релаксации получаемых металлических стекол остается полностью неисследованным. Вместе с тем, понимание этого вопроса представляется важным, поскольку он даст информацию о том, связаны ли центры структурной релаксации стекла со стеклообразующей 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 т ечению, 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 с кинетикой структурной 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 Рс14оСизоМ1ц)Р20 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 РсЬСи2Р, плотность которой меньше плотности исходного стекла.

• Изучение кинетики релаксации крутящего »момента объемных и ленточных образцов металлических стекол на основе Zr 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 (РсЦоСизоКноРго, РйшСщоРго, Х^зСи^тМ^АЦбз^ 2г51.9Си2ззМйо5А114з и Ъх^ 7Си28№9А1)2.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 течению металлического стекла Р&юСщоРго, 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 спек тра энергии активации.

• Обнаружена необычная релаксация крутящего момента металлических стекол 2г5зСи187№,2А11бз. 19С1123 ю 5А1 ы з и 7.г50 7Си28№оА112з, 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 РсЦоСизоМшРго и РсЦоСщоРго

• Обнаруженные закономерности возврата релаксации крутящего момента состаренных металлических стекол РсЬюСизоЭДюРго и РсЦоСщоРго после закалки из состояния переохлажденной жидкости.

• Совокупность экспериментальных результатов изучения кинетики релаксации крутящего момента объемных и ленточных образцов металлических стекол на основе Ъх 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 ХЬУН 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 Всероссийской 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. Автор написала все программное обеспечение для экспериментальной установки но 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 некристалличности 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 цитируемой литературы из 116 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Нгуен Тхи Нгок Ны

Общие выводы по работе

Проведены измерения релаксации крутящего момента металлических стекол различных составов ("обычное" стекло РсЦоСизо^юРзо (плотность меньше плотности кристалла), "необычное" стекло РсЬюСщоРго (плотность выше плотности кристалла), 2г5зСи] ¡> т№ 12А116 3? 2г5 1 9С1123 ю 5 А1и з и Zr5o 7Си28№9А112 з (соответствующие расплавы проявляют существенную различную стеклообразующую способность)). Установлено, что:

I. Закалка термически состаренных образцов из состояния переохлажденной жидкости вызывает возврат релаксации крутящего момента, причем степень возврата растет со скоростью закалки. В некоторых случаях скорость релаксации крутящего момента в закаленных образцах даже превышает таковую в исходном состоянии. Установлено, что быстрая закалка из состояния переохлажденной жидкости различным образом восстанавливает разные участки спектра энергии активации. 2 В идентичных условиях испытаний степень релаксации в объемных образцах (скорость закалки ~10 К/с) либо примерно равна, либо даже несколько превышает степень релаксации в ленточных образцах (скорость закалки

106 К/с), несмотря на меньшую плотность последних. Кинетика релаксации крутящего момента "необычного" МС Рс1шСи40Р20 вполне аналогична таковой для "обычных" металлических стекол. Эти результаты подтверждают ранее сделанный вывод о том, что свободный объем не играет определяющей роли в формировании закономерностей гомогенного пластического течения МС.

3. Несмотря на существенное отличие стеклообразующей способности расплавов гг50 7Си28М19А112з, 2г5) 9Си2з з№ю 5А1113 И 215зСи]з 12А1 ]бз, сколько-нибудь значительной разницы в кинетике релаксации крутящего момента получаемых из них металлических стекол не обнаружено Этот вывод справедлив как для объемных, так и для ленточных образцов. Обнаружена необычная релаксация крутящего момента металлических стекол 7г5о7Си28№9А112з, Zr5^ дСигззМюзА^з и 2г5зСи18 7№12А11бз> когда степень релаксации немонотонно зависит от температуры

4. Все наблюдаемые особенности релаксации крутящего момента исследуемых металлических стекол можно интерпретировать в рамках феноменологической модели направленной структурной релаксации. Это в свою очередь означает, что скорость структурной релаксации играет определяющую роль в формировании закономерностей релаксации напряжений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Нгуен Тхи Нгок Ны, 2010 год

1. Люборский Ф.Е. Аморфные металлические сплавы // Аморфные металлические сплавы: Сб. трудов / Под ред. Ф.Е. Люборского. М., 1987. С. 9-16.

2. Дювез П. История открытия металлических стекол // Металлические стекла. Ионная структура, электронный перенос и кристаллизация: Сб. трудов / Под ред. Г.И. Гюнтеродта и Г. Бека. М.: Мир, 1983. С. 38-44.

3. Klement W., Willens R.H., Duwez P. Non-crystalline structure in solidified gold-silicon alloys//Nature. 1960. Vol. 187. P. 869-870.

4. Chen H.S. Glassy metals // Reports on Progress in Physics. 1980. Vol. 43. P. 353-432.

5. Золотухин И.В. Аморфные металлические материалы // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 4. С. 73-78.

6. Inoue A. Bulk amorphous alloys. Practical characteristics and application. Switzerland: Materials Science Foundation, 1999. 234 p.

7. Loffler J.F. Bulk metallic glasses // Intermetallics. 2003. Vol. 11. P. 529-540.

8. Inoue A., Takeuchi A. Recent Progress in Bulk Glassy Alloys // Materials Transactions. 2002. Vol.43. P. 1892-1906.

9. Хоник B.A. Стекла: структура и структурные превращения // Соросовский образовательный журнал. 2001. № 3. С. 95-102.

10. Ichitsubo Т., Matsubara Е., Numakura Н. Glass-to-liquid transition in zirconium and palladium based metallic glasses // Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 449. P. 506-510.

11. Эгами Т. Изучение структуры с помощью рентгеновской дифракции с дисперсией по энергии // Металлические стекла. Ионная структура, электронный перенос и кристаллизация: Сб. фудов / Под ред. Г.И. Гюнтеродта и Г. Бека. М.: Мир. 1983. 376 с.

12. Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния. М.: Металлургия, 1982. 168 с.

13. Bernal J.D. A geometrical appioach to the structure of liquids // Nature. 1959. Vol. 183. P. 141-147.

14. Finney J.L. Modeling the structures of amorphous metals and alloys // Nature. 1977. Vol. 266. P. 309-314.

15. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. Аморфные металлические сплавы // Успехи физических наук. 1990. Т. 160. С. 75-110.

16. Глезер A.M. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы // Российский химический журнал. 2002. Т. XLVI. С. 57-63.

17. Гаскелл Ф. Модели структуры аморфных металлов // Металлические стекла: Выпуск II. Атомная структура и динамика, электронная структура, магнитные свойства. М. : Мир, 1986. С. 12-63.18.