WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 3 Исследование необратимой структурной релаксации в объемном металлическом стекле Pd–Cu–Ni–P © Н.П. Кобелев, Е.Л. Колыванов, В.А. Хоник Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия Воронежский государственный педагогический университет, 394043 Воронеж, Россия E-mail: kobelev@issp.ac.ru (Поступила в Редакцию 25 апреля 2005 г.) На частотах 25 Hz методом обратного крутильного маятника исследовано поведение модуля сдвига и затухания звука в процессе „необратимой“ структурной релаксации объемного металлического стекла Pd40Cu30Ni10P20 в области температур, меньших температуры стеклования. Показано, что „необратимая“ релаксация может быть восстановлена закалкой образцов от температур выше температуры стеклования.

Получены оценки формы спектра, характерных значений энергии активации и „частоты попыток“ процесса „необратимой“ структурной релаксации.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (проект № НШ-2169.2003.2) и Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 05-02-17726 и 04-02-17140).

PACS: 61.43.Dq, 61.66.Dk, 62.40.+i, 81.05.Kf 1. Введение основанная на представлении о наличии в структуре стекла релаксационных центров типа упругих диполей Металлические стекла в силу уникальности их физи- с несимметричным с двухъямным потенциалом. Было ческих свойств остаются предметом интенсивных иссле- также показано, что „необратимый“ вклад в изменение модуля сдвига и затухания может при определенных дований уже в течение нескольких десятилетий. Появлеусловиях снова быть восстановлен с помощью специние так называемых объемных металлических стекол [1] альной термической или деформационной обработки.

(сплавов, сохраняющих некристаллическую структуру Настоящая работа посвящена исследованию необратипри очень низких (до 10-1 K/s) скоростях закалки и мой структурной релаксации в объемном металлическом обеспечивающих возможность получения массивных — стекле Pd40Cu30Ni10P20 для выяснения общих и отличидо нескольких сантиметров в диаметре — заготовок) тельных черт этого процесса в металлических стеклах создало перспективу применения металлических стекол разного состава.

в качестве конструкционных материалов. В связи с этим особую актуальность приобретает изучение их упругих и неупругих свойств.

2. Методика эксперимента Металлические стекла находятся в струкурно-неравновесном состоянии, вследствие чего в них протекают Исходный сплав Pd40Cu30Ni10P20 готовился прямым необратимые процессы (необратимая структурная респлавлением компонентов (чистотой не хуже 99.95%) лаксация), которые значительно меняют их физические с помощью двухзонного метода в толстостенной кварцесвойства. При этом необратимая структурная релаксавой ампуле при контролируемом давлении фосфора [5].

ция, протекающая вблизи и ниже температуры стеклоАморфное состояние достигалось закалкой расплава в вания, остается относительно мало изученной. Акустимедную изложницу, скорость закалки при этом в райческие методы являются одним из мощных инструменоне температуры стеклования составляла около 100 K/s тов исследования кинетики релаксационных процессов (процедура закалки подробно описана ранее [5,6]). Пов твердых телах. В наших предыдущих работах [2–4] лученные отливки имели размер 3 6 60 mm. Обметодом низкочастотного внутреннего трения был проразцы для испытаний (сечением 1.5 2mm и дливеден цикл исследований процессов необратимой струкной 15-20 mm) вырезались из этих отливок с помощью турной релаксации в объемном металлическом стекле электроискровой резки и подвергались далее механичеZr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10. Был выделен вклад необрати- ской шлифовке и полировке. Состояние (аморфность) мой структурной релаксации в поведение затухания и образцов контролировалось на рентгеновском дифракмодуля сдвига, а также изучены его частотные, темпера- тометре Siemens D-500 в CuK-излучении. Плотность турные, временные зависимости и оценен спектр энер- стекла составляла 9.27 g/cm3. Температуры стеклова гий активации необратимой структурной релаксации. ния Tg и начала кристаллизации, согласно калориметНа основе этих данных была предложена феноменоло- рическим данным [5], составляли соответственно гическая модель необратимой структурной релаксации, и 630 K при скорости нагрева 5 K/min. Затухание и 390 Н.П. Кобелев, Е.Л. Колыванов, В.А. Хоник модуль сдвига образцов измерялись в вакууме 10-1 Pa методом обратного крутильного маятника на частотах 25 Hz в интервале температур от 150 до 550 K.

Проведенные испытания можно условно разделить на два типа: нагрев и охлаждение с постоянной скоростью (использовались скорости от 0.5 до 1.5 K/min), а также измерение временных изотермических зависимостей модуля сдвига и затухания. В последнем случае нагрев до температуры измерений осуществлялся со скоростью около 2 K/min, температура поддерживалась в процессе измерения с точностью до 1 K.

Для восстановления „необратимой“ структурной релаксации в предварительно отрелаксированных образцах проводилась их закалка от температуры 600-610 K пуРис. 2. Изменение логарифмического декремента затухания в тем помещения в воду комнатной температуры металлиas-cast образце Pd40Cu30Ni10P20 в ходе последовательных цикческой ампулы с образцом. По нашим оценкам скорость лов нагрева-охлаждения до 440 (1) и 535 K (2). На вставке — охлаждения в области температуры стеклования при изменение затухания в низкотемпературной области: 1 —цикл нагрева до 345 K, 2 — цикл нагрева до 440 K и последующего этом составляла 50-100 K/s.

охлаждения, 3 и 4 — нагревы до 535 и 525 K соответственно.

3. Экспериментальные результаты насыщение, так что при последующем термоциклирова3.1. Температурные зависимости. На рис. нии затухание и модуль сдвига меняются с температурой приведены температурные зависимости модуля сдвиобратимо. Примеры температурной зависимости необрага в as-cast образце объемного металлического стектимого вклада в модуль сдвига ( Gn/G =(GR - G)/GR, ла Pd–Cu–Ni–P, полученные в ходе нескольких цикгде G и GR — величины модуля сдвига при данной лов нагрева-охлаждения при последовательно повышатемпературе до и после релаксации соответственно) ющихся температурах. На рис. 2 показаны подобные приведены на вставке к рис. 1. Полученные резульзависимости для декремента затухания. Как следует таты качественно аналогичны ранее наблюдавшимся в из этих рисунков, начиная с температур около 350 K объемном металлическом стекле Zr–Cu–Ni–Al–Ti [2–4].

наблюдается гистерезис (т. е. необратимые изменения) в Величина необратимого вклада в модуль (при комнатной температурных зависимостях затухания и модуля сдвига.

температуре) в as-cast образцах, как и в циркониевом После нагрева до 530-550 K этот процесс выходит на стекле, составляла 8-13%. В то же время имеются и заметные различия в поведении затухания и модуля сдвига в Ps–Cu–Ni–P и Zr–Cu–Ni–Al–Ti: 1) более высокий уровень обратимой части затухания в отрелаксированных образцах палладиевого стекла (даже с учетом того, что температура стеклования для него почти на 100 K ниже, чем для циркониевого); 2) наличие на кривой затухания (T ) исследуемого нами соединения широкого обратимого типа внутреннего трения в области температур 200-300 K (вставка на рис. 2) и связанного с ним дефекта модуля, что проявляется в более сильной температурной зависимости модуля (ступеньки) в as-cast состоянии в этом районе температур. Величина этого (релаксационного) дефекта модуля в as-cast образцах составляла 1-3%. В результате термических обработок (рис. 2) пик сужался и уменьшался по величине, несколько сдвигаясь в сторону Рис. 1. Относительное изменение модуля сдвига в as-cast более высоких температур. После нагрева до температур образце объемного металлического стекла Pd40Cu30Ni10P20 в выше 450 K пик практически исчезал, как и дефект ходе последовательных циклов нагрева-охлаждения до теммодуля (ступенька на температурной зависимости моператур 345 (1), 440 (2), и 535 K (3) и при повторном дуля сдвига). Подобные изменения в поведении модуля нагреве до 525 K (4). На вставке — примеры температурных отражаются и на температурной зависимости необразависимостей необратимого вклада в изменение модуля для тимого вклада в модуль сдвига (вставка на рис. 1):

as-cast (1) и предварительно отожженного при 460 K (2) образцов. для as-cast образцов величина необратимого вклада при Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Исследование необратимой структурной релаксации в объемном металлическом стекле Pd–Cu–Ni–P низких температурах на 20-30% меньше, чем вблизи комнатной температуры, в то время как для образца, предварительно отожженного при 460 K, его величина практически не зависит от температуры вплоть до температуры преварительного отжига. Таким образом, в as-cast образцах металлического стекла Pd–Cu–Ni–P часть необратимого вклада в изменение модуля сдвига выше комнатной температуры обусловлена подавлением в процессе отжига релаксационного процесса, связанного с низкотемпературным пиком внутреннего трения.

Следует отметить, что аналогичный релаксационный пик в этом же интервале температур наблюдался нами ранее в стекле Zr–Cu–Ni–Al–Ti [4,7] (либо после сильной пластической деформации [4], либо после гидрогенизации образца [7]), однако величина пика в обоих случаях была заметно меньше. Кроме того, если в палладиевом стекле Рис. 3. Относительное изменение модуля сдвига в ходе нагрева-охлаждения as-quenched (закаленного от температуры наблюдаемый пик „отжигается“ (исчезает) после термо 600 K) образца металлического стекла Pd40Cu30Ni10P20. На обработок при температурах, значительно меньших Tg, вставках: I — температурная зависимость необратимого вклада то в циркониевом он хотя и уменьшался по величине, в модуль, II — изменение низкотемпературной части декрено полностью не устранялся в результате отжига, в мента затухания в ходе цикла нагрева-охлаждения.

том числе и при температурах, несколько превышающих температуру стеклования [4].

3.2. Влияние закалки на предварительно отрелаксированные образцы. Ранее в рабоЭти эксперименты подтвердили, что в сплаве те [4] нами было показано, что специальная термиPb-Cu-Ni-P, как и в случае циркониевого стекла ческая обработка (закалка от температур выше Tg) (несмотря на имеющиеся различия в их поведении при предварительно отрелаксированных образцов объемного температурах выше Tg: в сплаве Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Alметаллического стекла Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 приводит наблюдается фазовая декомпозиция [8], которой не прок частичному восстановлению „необратимых“ вкладов исходит в Pd40Cu30Ni10P20), специальная термическая в модуль сдвига и затухание. Подобные эксперименобработка (закалка от температур выше Tg) восстанавты были повторены нами на металлическом стекле ливает „необратимое“ поведение модуля и затухания, Pd40Cu30Ni10P20.

причем с отличной воспроизводимостью. Использование На рис. 3 приведены температурные зависимости такой процедуры дает возможность изучать процесс модуля сдвига при нагреве и последующем охлаждении „необратимой“ структурной релаксации без помех со предварительно отрелаксированного образца после его стороны возможных неконтролируемых вариаций структермической обработки (закалки) посредством описантуры конкретных образцов. Именно поэтому данная ной выше процедуры. Как видно из рисунка, после процедура использовалась далее для восстановления такой обработки (будем обозначать это состояние как „необратимого“ поведения модуля сдвига и затухания as-quenched) в образце снова наблюдаются необратимые после релаксации.

изменения модуля сдвига. Характер температурной за3.3. И з о т е р м и ч е с к и е о т ж и г и. Одной из задач висимости необратимого вклада в модуль (вставка I на данной работы была оценка активационных параметрис. 3) при этом качественно аналогичен полученному ров процесса „необратимой“ структурной релаксации для as-cast образцов (закаленных из расплава), а его в Pd–Cu–Ni–P. Ее сложность связана с тем, что, как и в величина при комнатной температуре составила окоциркониевом стекле [2,3], этот процесс характеризуется ло 7.5% (несколько меньше, чем в as-cast образцах — распределенным спектром времен релаксации и соответдо 13%). Необходимо отметить высокую степень восственно энергий активации. Это демонстрирует рис. 4, производимости результатов при последующих повторах на котором приведены временные зависимости измене этой процедуры: величина восстановленного „необратиния необратимого вклада в модуль в as-quenched образмого“ вклада в модуль была каждый раз практически це, измеренные при последовательных изотермических одинаковой (с точностью до 0.5-1%, если закалка провыдержках при разных температурах. Как видно из этого изводилась от одной и той же температуры), причем на рисунка, зависимости In( Gn/G) от t не спрямляются в одном и том же образце она могла быть повторена, как этих координатах. Поэтому для оценки формы спектра минимум, до 5-7 раз. После закалки снова проявлялись низкотемпературный пик внутреннего трения (вставка II энергий активации процесса необратимой структурной на рис. 3), несколько меньший по величине, чем в as-cast релаксации была выбрана процедура, ранее примененная состоянии, и связанный с ним дефект модуля (1.5-2%). нами для подобной оценки в циркониевом стекле [3].

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 392 Н.П. Кобелев, Е.Л. Колыванов, В.А. Хоник температурный спектр величин ( G/G)t необратимой релаксации модуля будет описывать форму спектра энергий активации процесса необратимой структурной релаксации.

На рис. 5 приведен полученный таким образом в процессе нескольких циклов измерений температурный спектр величин необратимой релаксации модуля сдвига для as-quenched образца. Для того чтобы получить из этого спектр энергий активации, необходимо „привязать“ шкалу энергий к шкале температур. Следует обратить внимание на то, что приведенный на рис. спектр имеет в области высоких температур форму резкого пика. Поэтому возникло предположение, что если „выжечь“ в процессе предварительного отжига низкотемпературную часть спектра, то оставшаяся часть будет иметь вид, близкий к -функции, т. е. харакРис. 4. Изменение со временем необратимого вклада в модуль сдвига в ходе последовательных изотермических выдержек при теризоваться в первом приближении одной энергией 345 (1), 415 (2) и 460 K (3).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.