Сдвиговая вязкость металлических стекол на основе Zr-Cu-Ni-Al с различной стеклообразующей способностью Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 539.3

СДВИГОВАЯ ВЯЗКОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕКОЛ НА ОСНОВЕ Zr-Cu-Ni-Al С РАЗЛИЧНОЙ СТЕКЛООБРАЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ

© А.В. Лысенко1*, С.В. Хоник2), Р.А. Кончаков1*, Д. Д. Ку3), Ю. Шен3), В.А. Хоник1* 2)

^ Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж, Россия 2) Воронежский государственный университет, г. Воронеж, Россия 3) Технологический институт, г. Харбин, Китай

Ключевые слова: металлические стекла; сдвиговая вязкость.

Измерена сдвиговая вязкость металлических стекол системы 2г-Си-№-А1 в объемном и ленточном состоянии с различной стеклообразующей способностью (СС). Показано, что, вопреки ожиданиям, стекла с большей СС проявляют меньшую вязкость.

Интенсивные исследования по поиску металлических стекол (МС) с высокой стеклообразующей способностью (СС) привели к открытию МС с критической скоростью охлаждения менее 1-10 К/с и минимальным размером от одного до нескольких сантиметров [1]. Однако физика структурного состояния расплавов с высокой СС и приготовленных из них стекол остается противоречивой, несмотря на наличие новых гипотез, основанных на феноменологическом, геометрическом, кинетическом и термодинамическом подходах [2-6]. С точки зрения кинетического подхода сдвиговая вязкость п является наиболее важным параметром, задающим временную шкалу для структурных перестроек и определяющим способ выявления расплавов с высокой СС: чем выше п переохлажденного жидкого состояния, тем выше СС [7].

Можно далее предполагать, что стеклообразное состояние расплава содержит определенное количество «дефектов», которые могут быть связаны с локальным избыточным свободным объемом и способны к перестройке при последующем нагреве под нагрузкой, обеспечивая гомогенное пластическое течение. Тогда можно ожидать, что количество таких дефектов должно быть меньше в случае стекол с большей СС. Следовательно, п должна быть больше для стекол, полученных из сплавов с большей СС. Хотя это утверждение представляется вполне разумным, оно, насколько нам известно, экспериментальной проверке не подвергалось. Такая проверка была принята в качестве основной цели настоящего исследования. Мы измерили п стекол системы 7г-Си-№-А1, значительно отличающихся по своей СС. Было установлено, что п существенно меньше для стекол с большей СС, вопреки вышеизложенному. Изготовление стекол методами всасывания и спиннингования расплава (скорости закалки ~102 и ~106 К/с соответственно) позволило изучить соотношение между вмороженным свободным объемом и сдвиговой вязкостью стекол с различной СС.

Исходные сплавы (в %) 7г53Си18,7№12А116,3 (= 7г53 далее в тексте) и 7г50,7Си28№9А112,3 (= 7г50.7) значительно отличаются по своей СС [8]. Максимальный диаметр полученных некристаллических стержней составил 6 мм и 14 мм для сплавов 7г53 и 7г50.7 соответственно. Сдвиговая вязкость определялась из измерений ползучести, выполненных при скорости нагрева 5 К/мин. Подробности эксперимента представлены в [9]. Было установлено, что при температурах более 600 К стекло 7г50.7, как в объемной, так и в ленточной форме, проявляет меньшую вязкость, чем стекло 7г53, имеющее меньшую СС. При более низких температурах случайная погрешность слишком велика (вследствие малости деформации образца), чтобы сделать какой-либо надежный вывод. Вязкость стекла 7г50.7 на 40-80 % меньше (в зависимости от температуры) по сравнению с 7г53, что существенно превышает систематическую погрешность, равную 8-10 %.

Независимо от СС, стекла ленточной формы имеют значительно меньшую плотность по сравнению с объемными образцами, на 1,44 и 1,07 % меньше для стекол 7г53 и 7г50.7 соответственно. Однако наблюдается различное уплотнение объемных и ленточных образцов при структурной релаксации. Если плотности объемных образцов в исходном состоянии и после отжига в области Тё в пределах погрешности одинаковы, то ленточные образцы показывают значительное уплотнение, на 0,99 и 0,43 % для стекол 7г53 и 7г50.7 соответственно. Выяснилось, что ленточное стекло с большей СС (7г50.7) испытывает приблизительно в 2 раза меньшее уплотнение при структурной релаксации по сравнению с ленточным стеклом с меньшей СС (7г53). Этот факт находится в соответствии с общепринятым мнением о том, что высокая СС соответствует плотной структуре с минимальным свободным объемом [10]. Можно утверждать, следовательно, что ленточные образцы 7г53 имеют приблизительно в 2 раза больший избыточный свободный объем, чем ленточные образцы

Zr50.7, проявляя при этом, однако, большую п. Следовательно, эксперимент не подтверждает часто предполагаемую сильную (экспоненциальную) зависимость п от свободного объема.

Итак, нами установлено, что сдвиговая вязкость стекла c наибольшей стеклообразующей способностью (СС), вопреки ожиданиям, всегда меньше вязкости стекла с меньшей СС. Это справедливо как для лент, так и для объемных стекол, несмотря на то, что последние значительно плотнее (на 1,07-1,44 %) и, следовательно, имеют меньший вмороженный свободный объем. Для стекол с данным составом сдвиговая вязкость массивных образцов может быть как больше, так и меньше, чем для ленточных образцов, в зависимости от температуры [11-12]. Полученные результаты, таким образом, не выявляют какой-либо однозначной связи сдвиговой вязкости со свободным объемом. Однако ленточные образцы стекла с меньшей СС демонстрируют примерно в два раза большее уплотнение при структурной релаксации, чем ленточные образцы стекла с большей СС, подтверждая общепринятую точку зрения о том, что хорошая СС соответствует плотной структуре.

ЛИТЕРАТУРА

1. AshbyM.F., Greer A.L. // Scripta Mater. 2006. V. 54. Р. 321.

2. Egami T. // Mater. Sci. Eng. 1997. V. A226-22S. Р. 261.

3. Poon S.J., Shiflet G.J., Guo F.Q., Ponnambalam V. // J. Non-Cryst. Sol.

2003. V. 317. Р. 1.

4. Ma D., Tan H., Wang D., Li Y., Ma E. // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 86. Р. 191906.

5. Cao H., Ma D., Hsieh K.C., Ding L., Stratton W.G., Voyles P.M., Pan Y., Cai M., Dickinson J.T., Chang Y.A. // Acta Mater. 2006. V. 54. Р. 2975.

6. Miracle D.B. // Acta Mater. 2006. V. 54. Р. 4317.

7. Muhkherjee S., Scroers J., Johnson W.L., Rhim W.-K. // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. Р. 245501.

8. Sun Y.J., Qu D.D., Huang Y.J., Liss K.-D., Wei X.S., Xing D.W., Shen J. // Acta Mater. 2009. V. 57. Р. 1290.

9. Khonik V.A., Mikhailov V.A., Safonov LA. // Scr. Mater. 1997. V. 37. Р. 921.

10. Greer A.L., Ma E. // Mater. Res. Bull. 2007. V. 32. Р. 633.

11. Bobrov O.P., Khonik V.A., Lyakhov S.A., Csach K., Kitagawa K., Neuhäuser H. // J. Appl. Phys. 2006. V. 100. Р. 033518.

12. Nguyen N.T.N., Khonik S.V., Khonik V.A. // Phys. Stat. Sol. (a) 2009. V. 206. Р. 1440.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по грантам № 09-02-01236 и № 10-02-00502.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Lysenko A.V., Khonik S.V., Konchakov R.A., Qu D.D., Shen J., Khonik V.A. Shear viscosity of Zr-Cu-Ni-Al-based metallic glasses with different glass-forming ability.

Shear viscosity of Zr-Cu-Ni-Al-based metallic glasses in bulk and ribbon forms with different glass-forming ability has been measured. It has been shown that, contrary to the expectations, glasses with higher glass-forming ability reveal smaller viscosity.

Key words: metallic glasses; shear viscosity.

SS5