Введение к работе
Актуальность темы. Металлические стекла (МС) были открыты около 50 лет назад и долгое время изготовлялись в виде лент толщиной 20 — 30 мкм методом спиннингования расплава со скоростью ~106 К/с. Ограниченность размеров получаемых образцов и относительная сложность реализации такой процедуры изготовления значительно ограничивали круг возможного применения этих материалов, обладающих уникальным набором свойств. В последнее время внимание физиков и материаловедов сфокусировано на поисках металлических расплавов, проявляющих высокую стеклообразующую способность. В результате этих усилий минимальную скорость охлаждения, необходимую для фиксации некристаллического состояния расплава, удалось снизить до 10~2 — 10 К/с, что позволило приготовлять «объемные» МС толщиной до 80 мм. Это существенно расширило потенциальные области применения этих материалов, однако физика металлических расплавов с высокой стеклообразу-ющей способностью и стекол, приготовленных из этих расплавов, в настоящее время остается в значительной степени неясной. В частности, вопрос о влиянии стеклообразующей способности расплавов на кинетику релаксации физических свойств стекол, полученных из них, остается полностью неисследованным.
В силу неравновесности структурного состояния МС в них самопроизвольно протекают атомные перестройки, приводящие к уменьшению их энергии и совокупно называемые «структурной релаксацией». Несмотря на многочисленные исследования этого масштабного явления, структурная релаксация остается до сих пор во многом неизученной, а механизмы ее реализации - неясными. В настоящее время существует ряд феноменологических моделей, описывающих структурную релаксацию металлических стекол, однако важнейший вопрос о физической природе атомных «центров» структурной релаксации остается нерешенным даже на качественном уровне. В настоящее время популярна модель «свободного объема», в рамках которой центры релаксации связываются с некоторыми локальными областями избыточного «свободного объема», вмороженными при закалке расплава, а структурная релаксация стекол объясняется аннигиляцией этого свободного объема. Однако, в литературе практически отсутствуют работы прямо подтверждающие роль свободного объема в закономерностях структурной релаксации и обусловленного ею пластического течения МС. Более того, стали накапливаться экспериментальные работы, которые прямо или косвенно ей противоречат.
Важное место в понимании физики структурной релаксации занимает изучение обусловленных ею упругих и вязкоупругих релаксаций. Именно этот подход был реализован в настоящей работе. Экспериментальными методами его реализации послужили измерения высокочастотного модуля сдвига, ползучести и релаксации напряжений. Эти измерения позволили как прояснить связь стеклообразующей способности исходного расплава со свойствами получаемого из него стекла, так и установить ряд общих черт и особенностей структурной релаксации исследуемых стекол.
Цели и задачи исследований. С учетом вышеизложенного, в данной работе были поставлены следующие цели:
-
Экспериментальное изучение кинетики релаксации напряжений, ползучести, модуля сдвига и внутренних напряжений деформационной природы в объемных МС, существенно различающихся по стеклообразующей способности исходных расплавов.
-
Установление кинетических законов релаксации и их физическая интерпретация.
Для достижения поставленных целей были определены следующие задачи исследования:
Модернизация автоматизированного аппаратно-программного комплекса для измерений релаксации крутящего момента в широком интервале температур.
Изучение кинетики релаксации крутящего момента и ползучести образцов объемных металлических стекол систем Zr-(Cu,Ag)-Al и Pd-Cu-Ni-P, отличающихся по стеклообразующей способности исходных расплавов.
Изучение кинетики релаксации модуля сдвига объемных МС Zr-(Cu,Ag)-Al.
Определение внутренних напряжений деформационной природы в объемных МС систем Zr-(Cu,Ag)-Al и Pd-Cu-Ni-P.
Интерпретация полученных результатов в рамках феноменологических представлений и на основе межузельной теории.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
На примере систем Zr-(Cu,Ag)-Al и Pd-Cu-Ni-P исследована связь структурной релаксации стекла со стеклообразующей способностью исходного расплава.
Проведены измерения внутренних напряжений, возникающих при гомогенном пластическом течении объемных МС на примере систем Zr-(Cu,Ag)-Al и Pd-Cu-Ni-P.
На защиту выносятся:
Совокупность экспериментальных результатов изучения кинетики релаксации крутящего момента и ползучести объемных металлических стекол систем Zr-(Cu,Ag)-Al и Pd-Cu-Ni-P, существенно отличающихся по стеклообразующей способности исходных расплавов.
Совокупность экспериментальных результатов изучения кинетики релаксации модуля сдвига объемных МС системы Zr-(Cu,Ag)-Al.
Совокупность результатов определения внутренних напряжений, возникающих при деформировании объемных МС систем Zr-(Cu,Ag)-Al и Pd-Cu-Ni-P.
Интерпретация полученных результатов в рамках феноменологических представлений и на основе межузельной теории конденсированного состояния вещества.
Научная и практическая ценность работы. Полученные в работе экспериментальные результаты позволяют прояснить связь стеклообразующей способности исходного расплава со свойствами получаемого из него стекла и
установить ряд общих черт и особенностей структурной релаксации исследуемых стекол. Анализ полученных результатов показывает, что центрами релаксации, ответственными за структурную релаксацию стекла, могут быть дефекты, подобные межузельным гантелям в кристаллических металлах, а структурная релаксация может интерпретироваться как уменьшение концентрации таких дефектов. Этот вывод является важным для построения адекватной теории структурных дефектов и релаксационных явлений в стеклах. Непосредственное практическое значение имеют результаты определения внутренних напряжений, возникающих при деформации объемных МС.
Апробация работы. Полученные в работе результаты были представлены на V Международной конференции с элементами школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов 2010), XXII Международной научной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж 2010), IV Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах - ФАГРАН-2010» (Воронеж 2010), VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва 2011), XX Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург 2012) и VI Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах - ФАГРАН-2012» (Воронеж 2012).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 5 статьях (ссылки на эти статьи указаны ниже в квадратных скобках), опубликованных в российских и международных физических журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций (см. ниже список публикаций по диссертации). Эти журналы индексируются международными базами данных Web of Science и Scopus.
Личный вклад автора. Автор лично выполнил работу по модернизации установки для измерения релаксации крутящего момента в части крепления образца и торсиона, реализовал более точное терморегулирование, а также написал все необходимое программное обеспечение. Лично им были выполнены все измерения релаксации крутящего момента, все калориметрические измерения, а также большая часть измерений ползучести металлических стекол Pd4oCu3oNi10P2o, Pd43.2Cu28Ni8.8P2o, Z^Cu^Ag^^Alg и Z^eCi^Alg. Автор принимал участие в обсуждении и анализе результатов, формулировке выводов исследований и подготовке всех публикаций в печать. Постановка целей и задач исследований осуществлена научным руководителем проф. В.А. Хони-ком. Измерения высокочастотного модуля сдвига, аттестация некристалличности исследуемых металлических стекол, а также приготовление исходных сплавов были выполнены соавторами по публикациям.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов по работе и списка литературы, содержащего 164 наименования. Объем диссертации составляет 98 страниц текста, включая 43 рисунка и 1 таблицу.
