Введение к работе
Актуальность темы.
Металлические стекла (МС) характеризуются комплексом уникальных свойств, обусловленных некристалличностью их структуры. Развитие представлений о природе стеклообразования и методов очистки металлических расплавов позволило в последнее десятилетие значительно повысить их стеклообразующую способность, что сделало возможным приготовление так называемых объемных металлических стекол с характерным минимальным размером до нескольких сантиметров. Однако сложность и сильная неравновесность структуры определяют недостаточный уровень понимания многих физических явлений в этих материалах. В частности, несмотря на многолетние исследования, вопрос о физических механизмах пластического течения металлических стекол и условиях их реализации далёк от окончательного решения.
Неравновесность структуры стекол проявляется в самопроизвольных атомных перестройках, реализующихся с той или иной скоростью при любых температурах. Совокупность этих перестроек принято называть структурной релаксацией. В настоящее время доминирует точка зрения о том, что гомогенное течение и его подавление в результате структурной релаксации обусловлено избыточным свободным объемом в стекле и его уменьшением при термообработке. Эта точка зрения опирается, однако, на результаты косвенных экспериментов. В литературе практически отсутствуют результаты сколько-нибудь прямых экспериментов, однозначно подтверждающих (или опровергающих) роль избыточного свободного объема в формировании закономерностей гомогенного течения металлических стекол.
Исследования показали, что гомогенное вязкоупругое пластическое течение металлических стекол ниже температуры стеклования тесно связано со структурной релаксацией. Известно, например, что в результате структурной релаксации вязкость металлических стекол может возрасти на пять порядков. Такой эффект "старения" часто интерпретируется как необратимое явление, приводящее к необратимому изменению свойств металлических стекол и представляет собой сугубо негативный фактор, значительно ограничивающий перспективы их технологического использования. Это, в свою очередь, ставит вопрос о проведении исследования возможности восстановления вязкоупругих свойств стекол.
Причины, почему некоторые металлические расплавы легко формируют стекла, а другие нет, на данный момент остаются в значительной степени невыясненными. Более того, вопрос о влиянии стеклообразующей способности исходного расплава на релаксацию физических и, особенно, механических свойств получаемого из него металлического стекла остается полностью неисследованным и, насколько нам известно, в литературе даже не ставился. Понимание этого вопроса представляется важным как с точки зрения фундамен-
4 тальной науки, так и в прикладном аспекте, поскольку именно объемные многокомпонентные металлические стекла, приготовленные из расплавов с высокой стеклообразующей способностью, наиболее привлекательны для технических применений. В связи с этим в диссертации представлены исследования связи стеклообразующей способности исходных расплавов со структурной релаксацией металлических стекол, приготовленных из них.
С учетом изложенного, в работе были поставлены следующие цели исследования:
Экспериментальное исследование и интерпретация кинетики гомогенного пластического течения ниже температуры стеклования объемных и ленточных металлических стекол на основе Pd и Zr в условиях интенсивной структурной релаксации.
Определение возможности и условий возврата деформационной способности металлических стекол, состаренных в результате структурной релаксации.
Изучение связи кинетики гомогенного течения металлических стекол ниже температуры стеклования со стеклообразующей способностью исходных расплавов.
Для достижения поставленных целей были определены следующие задачи исследования:
Модернизация экспериментальной установки для измерения изохронной и изотермической ползучести.
Экспериментальное изучение кинетики ползучести "обычного" металлического стекла Pd4oCu3oNi10P20 (плотность ниже плотности исходного кристалла) и "необычного" стекла Pd4oCu4oP2o (плотность выше плотности исходного кристалла).
Определение возможности и условий возврата деформационной способности ленточного металлического стекла Pd4oCu4oP2o; ^ также стекол Pd4oCu3oNi10P2o в объемной и ленточной форме, значительно отличающихся по скорости закалки, реализуемой при их изготовлении.
Изучение и интерпретация кинетики гомогенного течения объемных и ленточных образцов металлических стекол Zr53Cu18 7Ni12Al16 3 и Zr5o.7Cu28Ni9Al12.3 близкого химического состава с существенно отличающейся стеклообразующей способностью исходных расплавов.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
Показано, что кинетические законы ползучести "обычного" и "не
обычного" металлических стекол Pd4oCu30Ni10P2o и Pd4oCu4oP2o в изотермиче
ских условиях и при изохронном нагреве вполне аналогичны, указывая на
отсутствие значимой связи центров структурной релаксации с избыточным
5 свободным объемом. Об этом же свидетельствуют измерения ползучести стекол Zr-Cu-Ni-Al в объемной и ленточной форме.
Показано, что рост сдвиговой вязкости металлических стекол на основе Pd в результате структурной релаксации не является истинно необратимой. Сверхбыстрая закалка состаренных образцов из состояния переохлажденной жидкости восстанавливает сдвиговую вязкость до уровня исходного состояния.
Исследовано влияние стеклообразующей способности расплавов Zr-Cu-Ni-Al на кинетику гомогенного пластического формоизменения стекол, приготовленных из них. Установлено, что различие в стеклообразующей способности этих расплавов определяет различие в кинетике ползучести соответствующих стекол.
Показано, что все установленные температурно-временные зависимости ползучести исследуемых металлических стекол на основе Pd и Zr могут быть интерпретированы в рамках модели направленной структурной релаксации, свидетельствуя об определяющей роли скорости структурной релаксации в формировании закономерностей гомогенной вязкоупругой деформации.
На защиту выносятся:
Совокупность результатов измерений ползучести металлических стекол Pd4oCu4oP2o, Pd4oCu3oNi10P2o, Zr53Cu18.7Ni12Al16.3 и Zr50JC-a2SNigA\U3mTiKe температуры стеклования.
Обнаруженные закономерности возврата сдвиговой вязкости состаренных металлических стекол Pd4oCu4oP2o и Pd40Cu3oNi10P2o после закалки из состояния переохлажденной жидкости.
Интерпретация кинетики гомогенного течения металлических стекол в рамках модели направленной структурной релаксации.
Научная и практическая ценность работы
Полученные в работе экспериментальные результаты расширяют представления о физической природе механизмов пластического течения, кинетике и механизмах структурной релаксации и возврата свойств металлических стекол при термообработке.
Особую практическую значимость представляют результаты проведенного исследования по восстановлению вязкоупругости, которые могут послужить основой для создания технологических процессов восстановления деформационной способности термически состаренных металлических стекол.
Апробация работы. Полученные в работе результаты были представлены на XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород 2008), IV Всероссиской 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 4 статьях, опубликованных в российских и международных физических журналах.
Личный вклад автора.
Автором была выполнена модернизация экспериментальной установки по измерению изотермической ползучести, приготовление объемных образцов МС Pd4oCu3oNi10P2o, а также произведены все измерения ползучести. Автор принимал участие в анализе результатов, изложенных в работе, и подготовке публикаций в печать. Постановка целей и задач исследования осуществлена научным руководителем проф. В.А. Хоником. Подготовка исходных материалов для закалки расплавов, приготовление ленточных образцов МС, аттестация их некристалличности и термический анализ были выполнены соавторами по публикациям.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав и выводов, изложенных на 101 страницах текста, включая 36 рисунков, 1 таблицы и список цитируемой литературы из 95 наименований. Краткое содержание диссертации Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, изложены основные положения, выносимые на защиту, а также обоснована научная новизна и практическая значимость выполненного исследования.
