Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние термических воздействий на ближний порядок в аморфных и жидких сплавах

13.01.2019


БП в состоянии термического равновесия


Как упоминалось ранее, величина равновесного КБП зависит от температуры вследствие влияния энтропии, что во многом повторяет поведение КБП в кристаллах. Следовательно, в первом приближении к аморфным сплавам вполне применимо описание КБП, основанное на приближении Брегга-Вильямса. Температура перехода порядок — беспорядок будет однако при этом сильно размыта в результате влияния флуктуаций параметров взаимодействия. Расчет равновесного значения ГБП представляет собой существенные трудности, однако недавняя теория предсказывает, что

где В — объемный модуль, G — модуль сдвига и Kа и Kу —константы порядка единицы. Их оценка в континуальном приближении дает выражение:

Значения <рг> и <т2> согласно (6.15) и (6.16) стремятся к нулю при температуре О К, однако они как мы знаем из экспериментов по моделированию, изображенных на рис. 6.4 и 6.5 при О К конечны. Следовательно, <р2> и <т2> можно заморозить при определенных температурах, при которых выражения (6.15) и (6.16) соответствуют значениям при температуре 0 К, как следует из рис. 6.7. Эти температуры называют температурами стеклования. В рамках модели аморфного железа получены следующие значения:

Хотя точность проведенной оценки невелика вследствие использования различных приближений, рассчитанная величина Tg, при которой замерзают флуктуации давления, находится в хорошем соответствии с экспериментальными значениями для аморфных сплавов на основе железа. Верхняя температура стеклования Tg', при которой замерзают флуктуации сдвиговых напряжений, очень близка к температуре плавления Tm. В соответствии с этой теорией, жидкость при температуре >Tg имеет два состояния: атомного газа и молекулярной жидкости. Обычный атомный газ, в котором каждый атом совершает броуновское движение, существует только >Tg', а при температуре <Тg, движение атомов становится более кооперативным, так что система разбивается на молекулы, имеющие определенное время жизни, при этом вязкость системы увеличивается очень быстро по мере снижения температуры. Хотя в настоящее время пет экспериментальных подтверждений существования четко выраженной верхней температуры стеклования Tg', общее поведение, предсказываемое теорией, находится в соответствии с экспериментальными наблюдениями.

Необратимая структурная релаксация


Поскольку аморфные сплавы получают быстрой закалкой из расплава, структура закаленного состояния не является термически равновесной, и последующий отжиг вызывает структурную релаксацию. Влияние отжига широко и многообразно, но некоторые параметры являются необратимыми ниже Tg, в то время как остальные — обратимыми. Необратимая структурная релаксация лучше всего проявляется на примере вязкости, которая линейно возрастает со временем, а также на примере ФПР, регистрируемой с помощью дифракции рентгеновских лучей. Недавно обнаружено, что изменения ФПР могут быть вполне удовлетворительно объяснены в рамках изменения с помощью уравнения (6.14), как показано на рис. 6.8. Кроме того, изменения ФПР, связанные со снижением <т2>, не согласуются с наблюдениями; следовательно, можно заключить что необратимая структурная релаксация обусловлена в значительной мере только снижением <р2>. Этот вывод не является неожиданным, если мы рассмотрим температурную зависимость <р2> и <т2>, показанную на рис. 6.7. Так как <т2> замерзает при высокой температуре, где время атомной релаксации — величина — 10в-10—10в-12 с, <т2> может релаксировать к своему минимальному значению в процессе охлаждения при обычных скоростях закалки из расплава 10в5—10в6 К/с. В то же время в процессе замораживания вязкость и время релаксации повышаются гораздо больше, так что <р2> можно заморозить при величине больше равновесной. Эта величина может характеризоваться температурой, при которой замороженная величина <р2> находится в равновесии, — так называемой фиктивной температурой Tj. При последующем отжиге <р2> релаксирует к своему низкотемпературному значению, а <т2> при этом не изменяется. На изменение <р2> влияет вязкость и диффузионная подвижность, однако детальной теории, связывающей <р2> с диффузионной подвижностью, еще не создано. Если мы рассмотрим теорию свободного объема, то коэффициент диффузии D можно выразить в следующем виде:

где — равновесное значение <р2>, поскольку изменение <р2> пропорционально изменению объема. Следовательно, D снижается по мере того, как снижается <р2> при релаксации.

Неупругость


Хорошо известно, что некоторая доля деформации ползучести в последующем возвращается, демонстрируя тем самым явление неупругости аморфных сплавов. Общая деформация ползучести, следовательно, может быть записана в виде:

где evisc — деформация, связанная с вязким течением. В отличие от кристаллических твердых тел, evisc не отвечает стадии установившегося течения, поскольку вязкость линейно возрастает со временем по закону

где b и t0 — константы. Неупругая составляющая может быть записана в виде:

где N(т0) — плотность времен релаксации т0, которая характеризуется широким спектром энергий активации около значения 2 эВ. Наиболее примечательная черта неупругости в аморфных сплавах заключается в том, что она строго не зависит от термической истории и существует даже после длительного отжига, который понижает коэффициент диффузии атомов до очень малых значений. Следовательно, микроскопический механизм неупругости должен отличаться от того, который описывает процесс структурной релаксации. Имеются два типа возможных механизмов, способных объяснить наблюдаемое явление неупругости. Один из них заключается в существовании локального сдвигового превращения, которое изменяет только локальное сдвиговое напряжение т, но не нарушает атомных связей и, следовательно, оставляет неизменной топологию структуры. Иными словами, это в чистом виде превращение, происходящее с БПИ. Другой механизм объяснения неупругости заключается в локальном превращении БПИ, которое включает локальное изменение ТБП, но оставляет без изменений общее распределение напряжения. Энергия активации первого процесса меньше, чем второго, поэтому он может оказаться важным при низких температурах. Неупругость, наблюдающаяся при высоких температурах, видимо связана со вторым процессом. Детали явления, однако, могут быть выявлены только с помощью соответствующих экспериментов по компьютерному моделированию. Постоянство неупругости является одним из наиболее важных свойств аморфных сплавов, и весьма вероятно, — прямым следствием внутренней несогласованности атомной структуры.

Кинетика изменения КБП


Все атомные перестройки, рассмотренные выше, а именно, необратимая структурная релаксация, диффузия, и неупругость могут изменить локальный КБП сплавов. Уже установлено, что, с одной стороны, КБП, определяемый параметрами Уоррена — Каули ар, может изменяться при изменении локального давления р. С другой стороны, КБП, определяемый с помощью более обобщенного параметра, дающегося уравнением (6.4), может изменяться как под влиянием давления р, так и сдвигового напряжения т. При изменении локальной топологии величина аp изменяется только для атомов, которые непосредственно вовлечены в процесс топологической перестройки, а именно, образующих или разрушающих связи. Однако Inl,m (А) изменяется для большинства соседних атомов. Так как механизм, с помощью которого происходит изменение КБП, не единственный, то и кинетика изменения КБП также может оказаться смешанной. Действительно, часть изменения величины Tc необратима, что является следствием необратимой структурной релаксации. Ho большая часть изменения величины Tc — обратима. Далее, наведенная полем магнитная анизотропия не имеет необратимой части и может быть полностью уничтожена путем отжига выше Tc. Эти обратимые изменения, весьма возможно, непосредственно связаны с неупругостью. Хотя серьезного сопоставления с помощью машинного моделирования неупругости и поведения Tc или анизотропии еще не проведено, кинетика изменения этих трех свойств очень похожа в предположении, что все они являются следствием одних и тех же атомных перестроек. Неупругое сдвиговое превращение можно объединить с Tc через I0,0(A) если обменная константа строго зависит от расстояния между атомами в пределах первого пика ФПР. Этот механизм хорошо объясняет изменения значений Tc в сплавах Fe—Ni и Fe—Cr, показанные на рис. 6.1. Наведенная полем магнитная анизотропия связана с величиной In2,m(А) (n=0,1), которая также может изменяться при сдвиговом превращении, обусловливающем неупругость. Заслуживает внимания то обстоятельство, что величина I02,m (А) изменяется только тогда, когда изменяется локальный ТБП, в то время как изменение в чистом виде БПИ, оставляющее ТБП без изменений, влияет только на Il2,m. Эффект магнитного последействия, наблюдающийся при низкой температуре, позволяет предполагать, что существуют механизмы переориентации анизотропии с довольно малыми энергиями активации. Вполне вероятно, что они являются процессами переориентации в чистом виде БПИ.

Имеется доказательство того, что кинетика изменения Tc и наведенной анизотропии зависят от термической предыстории. Зависимость, однако, довольно слабая и заметно отличается от той, которая наблюдается при структурной релаксации. Такое поведение можно обосновать, прибегнув к помощи модели двухуровневой системы, аналогичной той, которая была использована для объяснения низкотемпературных аномалий с целью выявления неупругости аморфных сплавов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: