Новые представления о плавлении веществ, стекловании расплавов и релаксации стекол

температуры испытания приводит к появлению на кривой а-е ярко выраженной стадии пластического течения. Причем величина относительного удлинения стремительно растет вблизи температуры начала кристаллизации Тк (Тк = 843 К при скорости нагрева Т = 50 К/мин.). Так, при Т = 823 К величина пластической деформации достигает 50 % (кривая 6), а при Т = 836 К - 180 % (кривая 7). Предел текучести по мере повышения температуры испытания уменьшается и достигает минимума при Т = 836 К. Деформирование при Т > Тк сопровождается снижением показателей пластичности и повышением предела текучести (кривая 8). При высоких температурах деформации имеет место нестабильность пластического течения, выражающаяся в появлении срывов напряжения на кривой а-е. Приведенные температурные зависимости а и е показывают, что при Т ~ 573 К (Т ~ 0,7Тк) имеет место перегиб в сторону значительного увеличения пластичности аморфного сплава 71КНСР.

а)

б)

Рис. 2. Фрактограммы аморфного сплава 71КНСР после испытаний при 293 К (а) и 600 К (б). Увеличение - х 1000

2. Можно заметить, что установленная температура перехода от квазихрупкого поведения к пластичному (Т ~ 0,7Тк) соответствует смене низкотемпературного гетерогенного механизма деформации на высокотемпературный гомогенный [3, 4].

Смена механизма деформации с гетерогенного на гомогенный сопровождается изменением картины разрушения. При низких температурах в изломе наблюдается характерный для АММ веноподобный узор (рис. 2а). При Т > 0,7Тк густота расположения «вен» растет, а их узор становится более сложным (рис. 2б).

ЛИТЕРАТУРА

1. Забелин С.Ф., Зеленский В.А. Особенности кинетики нанокристаллизации аморфных металлических материалов при нестационарных режимах термического воздействия // Ученые записки За-бГГПУ. Серия: Физика, математика, техника, технология. Чита: ЗабГГПУ, 2012. № 3 (44). С. 62-72.

2. Глезер А.М. и др. Механическое поведение аморфных сплавов. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2006. 416 с.

3. Забелин С.Ф., Зеленский В.А., Феофанов А.А. Механизм контролируемой нанокристаллизации аморфных металлических материалов при термоциклическом воздействии // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 835-836.

4. Забелин С.Ф. и др. Анализ нанокристаллизации и формирования нанофазных систем в поверхностном слое металлов и сплавов // Технология машиностроения. 2010. № 11. С. 5-12.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Zabelin S.F., Zelensky V.A. SOME LAWS OF STRAIN AMORPHOUS METALLIC MATERIALS AT TEMPERATURES

The change in the plasticity of amorphous metallic materials under tensile strain at different temperatures and strain rates is investigated. It is Found that the amorphous alloy exhibits 71KNSR high plastic properties in a narrow temperature range in the vicinity of Tc at a given strain rate.

Key words: amorphous metal materials; deformation and plasticity; constructional properties.

УДК 538.9

НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПЛАВЛЕНИИ ВЕЩЕСТВ, СТЕКЛОВАНИИ РАСПЛАВОВ И РЕЛАКСАЦИИ СТЕКОЛ

© В.А. Хоник

Ключевые слова: металлические стекла; плавление; стеклование; структурная релаксация.

Представляется обзор новых представлений, позволяющих понять и описать взаимосвязь плавления, стеклования расплава и релаксации свойств стекла, полученного закалкой этого расплава.

Предпосылкой возникновения этих нового подхода -«межузельной теории конденсированного состояния» -послужили эксперименты [1], проведенные в 1970-х гг. А.В. Гранато с сотрудниками, установившими, что, во-первых, межузельные атомы в типичном ГЦК металле -меди - образуют гантельную (а не октаэдрическую, как считалось ранее) конфигурацию, когда два атома стремятся занять один и тот же узел кристаллической ре-

шетки. Во-вторых, было показано, что образование таких дефектов - «межузельных гантелей» - вызывает экспоненциальное снижение модуля сдвига. Проведенные на основе этих экспериментов оценки показали, что если оказалось бы возможным ввести в кристалл 23 % межузельных гантелей, то модуль сдвига должен обратиться в ноль, так что кристалл стал бы вести себя подобно жидкости. В-третьих, межузельные гантели в

2045

сравнении с вакансиями, обладая втрое большей энтальпией образования, имеют и примерно в пять раз большую энтропию образования (для меди), что позволило в дальнейшем правильно рассчитать энтропию плавления.

Эти наблюдения послужили создания количественной модели [2], интерпретировавшей плавление кристаллов как результат лавинообразной генерации термодинамически равновесных дефектов - межузельных гантелей, интерпретируемых в общем смысле как два атома, стремящихся занять один и тот же минимум потенциальной энергии [3]. В жидком состоянии они не теряют своей идентичности [4] и частично сохраняются в стекле в результате закалки расплава. Релаксация свойств стекла при термообработке обусловлена изменением их концентрации [5].

Такой подход обеспечивает понимание с единых позиций целого ряда важных вопросов физики конденсированного состояния и, в частности, дает:

- термодинамическое обоснование переохлаждения жидкости и перегрева расплава [2];

- объяснение эмпирического правила плавления Линдемана (произведение коэффициента теплового расширения на температуру плавления есть константа, примерно одинаковая для всех химических элементов) [6];

- объяснение эмпирического правила плавления Ричарда (энтропия плавления в расчете на атом примерно равна 1,2 кв для большинства химических элементов, где кв - постоянная Больцмана) [2];

- интерпретацию парадокса Каузмана (почему энтропия переохлажденной жидкости не может быть ниже энтропии кристалла) и предсказание псевдокри-тической температуры Каузмана (нижней границы существования переохлажденной жидкости) [7];

- объяснение эмпирической формулы Фогеля-Фулчера-Таммана для вязкости переохлажденных жидкостей [8];

- интерпретацию скачка теплоемкости при стекловании и расчет теплоемкости переохлажденной жидкости [9];

- интерпретацию кинетики релаксации упругих и вязкоупругих свойств стекол [5, 10-12];

- интерпретацию низкотемпературного «бозонного» пика теплоемкости стекла [13];

- количественное объяснение тепловых эффектов, возникающих при нагреве стекла [14];

- понимание связи между модулями сдвига стекла и материнского кристалла [15].

Исследования позволили заключить, что межузель-ная теория имеет серьезные перспективы как единой основы для описания различных физических свойств

расплавов и стекол в связи с кристаллическим состоянием, из которого они образуются.

ЛИТЕРАТУРА

1. Holder J., Granato A.V., Rehn L.E. Effects of self-interstitials and close pair on the elastic constants of copper // Phys. Rev. B. 1974. V. 10. P. 3б3-375.

2. Granato A. V. Interstitialcy model for condensed matter states of face-

centered-cubic metals // Phys. Rev. Lett. 1992. V. б8. P. 974-977.

3. Granato A.V. Mechanical properties of simple condensed matter //

Mater. Sci. Eng. 2009. V. A 521-522. P. б-ll.

4. Nordlund K., Ashkenazy Y., Averback R.S., Granato A.V. Strings and interstitials in liquids, glasses and crystals // Europhys. Lett. 2005. V. 71. P. б25.

5. Granato A.V., Khonik V.A. An Interstitialcy Theory of Structural Relaxation and Related Viscous Flow of Glasses // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 155502-1-155502-4.

6. Granato A. V., Joncich D.M., Khonik V.A. Melting, thermal expansion and the Lindemann rule for elemental substances // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. P. 171911.

7. Mitrofanov Yu.P., Khonik V.A., Granato A. V., Joncich D.M., Khonik S. V., Khoviv A.M. Relaxation of a metallic glass to the metastable equilibrium: evidence for the existence of the Kauzmann pseudocritical temperature // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. P. 171901.

8. Granato A.V. A derivation of the Vogel-Fulcher-Tammann relation for supercooled liquids // J. Non-Cryst. Sol. 2011. V. 357. P. 334-338.

9. Granato A. V. The specific heat of simple liquids // J. Non-Cryst. Sol. 2002. V. 307-310. P. 37б-38б.

10. Khonik S.V., Granato A.V, Joncich D.M., Pompe A., Khonik V.A. Evidence of distributed interstitialcy-like relaxation of the shear modulus due to structural relaxation of metallic glasses // Phys. Rev. Lett.

2008. V. 100. P. 0б5501.

11. Mitrofanov Yu.P., Khonik V.A., Granato A.V., Joncich D.M., Khonik S. V. Relaxation of the shear modulus of a metallic glass near the glass transition // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. P. 073518.

12. Khonik V.A., Mitrofanov Yu.P., Lyakhov S.A., Vasiliev A.N., Khonik S. V., Khoviv D.A. Relationship between the shear modulus G, activation energy, and shear viscosity n in metallic glasses below and above Tg, Direct in situ measurements of G and n // Phys. Rev. B.

2009. V. 79. P. 132204.

13. Vasiliev A.N., Voloshok T.N., Granato A.V, Joncich D.M., Mitrofanov Yu.P., Khonik V.A. Relationship between low-temperature boson heat capacity peak and high-temperature shear modulus relaxation in a metallic glass // Phys. Rev. B 2009. V. 80. P. 172102.

14. Mitrofanov Yu.P., Makarov A.S., Khonik V.A., Granato A.V., Joncich D.M., Khonik S. V. On the nature of enthalpy relaxation below and above the glass transition of metallic glasses // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101. P. 131903.

15. Makarov A.S., Khonik V.A., Mitrofanov Yu.P., Granato A.V., Joncich D.M., Khonik S. V. Interrelationship between the shear modulus of a metallic glass, concentration of frozen-in defects and the shear modulus of the parent crystal // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. P. 091908.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Khonik V.A. NEW IDEAS ON MELTING OF SUBSTANCES, VITRIFICATION OF MELTS AND RELAXATION OF GLASSES

An overview of a new approach to melting of substances, vitrification of melts and relaxation of glasses is presented.

Key words: melting; glass formation; structural relaxation of glasses; interstitialcy theory.

204б