научная статья по теме О НЕМОНОТОННЫХ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ В НЕРАВНОВЕСНЫХ НАНООБРАЗУЮЩИХ РАСПЛАВАХ AL-ПМ-РЗМ Физика

Текст научной статьи на тему «О НЕМОНОТОННЫХ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ В НЕРАВНОВЕСНЫХ НАНООБРАЗУЮЩИХ РАСПЛАВАХ AL-ПМ-РЗМ»

МАТЕРИАЛЫ ДЕВЯТОЙ ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

"Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем " ФХУДС-1Хс элементами научной школы

(Ижевск, ноябрь 2010 г.)

Председатель Оргкомитета конференции "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем" ФХУДС-1Х с элементами научной школы д-р физ.-мат. наук В.Ф. Петрунин

Материалы конференции "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем" ФХУДС-1Х с элементами научной школы под общей редакцией д-ра физ.-мат. наук В.И. Ладьянова и д-ра физ.-мат. наук О.М. Канунниковой

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 11, с. 1514-1517

УДК 536-12:54-143:546.62'30'65

О НЕМОНОТОННЫХ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ В НЕРАВНОВЕСНЫХ НАНООБРАЗУЮЩИХ РАСПЛАВАХ Al-ПМ-РЗМ

© 2011 г. В. И. Ладьянов1,2, С. Г. Меньшикова2, М. Г. Васин1,

А. Л. Бельтюков1,2, В. В. Маслов

E-mail: las@pti.udm.ru; svetlmensh@mail.ru; albeltyukov@mail.ru

Получены временные зависимости вязкости расплавов Al87Ni8Y5, Al86Ni8Ce6, Al86Ni8La6 при различных температурах после фазового перехода кристалл—жидкость. Обнаружено немонотонное изменение вязкости с течением времени, обусловленное разрушением неравновесного микрогетерогенного состояния расплава, унаследованного от исходного многофазного сплава. Предложен механизм немонотонной релаксации неравновесных микрогетерогенных расплавов в рамках динамической теории молекулярного поля, предполагающей возникновение в системе иерархии времен релаксации. Получена теоретическая временная зависимость вязкости расплавов, качественно согласующаяся с экспериментальными данными.

3

ВВЕДЕНИЕ

Сплавы на основе Al (80—90 ат. %) с переходными и редкоземельными металлами (ПМ и РЗМ) имеют высокую склонность к аморфизации и в аморфном состоянии отличаются высокими прочностными характеристиками по сравнению с литыми промышленными алюминиевыми сплавами при сохранении пластичности и коррозионной стойкости [1, 2]. Частичная кристаллизация аморфных лент, в результате которой формируются наночастицы Al, приводит к дополнительному повышению их механической прочности [3]. Дальнейшее повышение аморфизующей способности и улучшение свойств аморфных сплавов связано с возможностью влияния на формирование их структуры в процессе получения путем тем-пературно-временной обработки расплава перед закалкой. Возможность такого подхода применительно к жидким сплавам Al-ПМ-РЗМ подтверждается результатами рентгенодифракционных исследований модельного сплава Al86Ni8Ce6 [4], которые свидетельствуют о высокой степени микрогетерогенности его строения, а также о значительных изменениях композиционного и топологического порядка в расплаве при нагреве и последующем охлаждении.

Также известно, что многокомпонентные сплавы, в том числе расплавы на основе алюминия, после плавления могут находиться в неравновесном состоянии [5]. При этом процесс релаксации к

1 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт УрО РАН, Ижевск.

2 Научно-исследовательский институт Термофизики новых материалов Удмуртского государственного университета, Ижевск.

3 Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев.

равновесному состоянию может проходить в течение многих часов. Часто в расплаве после плавления фиксируются метастабильные состояния [5, 6], для выхода из которых требуется дополнительное внешнее воздействие (термическое, механическое, электромагнитное и т.д.). Ранее [7, 8] при исследовании температурных и временнЫх зависимостей вязкости жидких сплавов системы А1-ПМ-РЗМ нами быши обнаружены немонотонные релаксационные процессы, предположительно обусловленные распадом неравновесного микронеоднородного состояния расплава, унаследованного от многофазного твердого состояния. Многообразие и противоречивость явлений, связанных с временной нестабильностью в металлических расплавах, указывает на существование различный причин их появления [9—11], особенно в случае микрогетерогенных систем. Природа и механизмы этих явлений остаются неясными и требуют дальнейшего изучения.

В настоящей работе проведены исследования временных зависимостей кинематической вязкости модельный жидких сплавов А187№8У5, А186№8Се6 и А186№8Ьа6 при различный температурах и предложен возможный механизм немонотонных релаксационных процессов, обнаруженных в расплавах после фазового перехода кристалл—жидкость.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Сплавы выплавляли в дуговой печи в атмосфере очищенного аргона после предварительного ваку-умирования рабочей камеры до давления 10-2 Па. Исходными компонентами при выплавке сплавов служили элементы с содержанием основного металла: алюминий 99.99, лантан 99.99, иттрий

1514

v, 10-7 м2 • с-1

6 -

О НЕМОНОТОННЫХ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ

5

1515

5 =

4 -

100 200

t, мин

300

Рис. 1. Временные зависимости вязкости расплава А186М8Ьаб при температурах 900° С (кривая 1), 1000°С (2), 1100°С (3), 1200°С (4) и 1300°С (5).

99.8, церий 99.9 и электролитический никель 99.96 (мас. %).

Временные зависимости вязкости расплавов, у(/), были получены при различных перегревах выше температуры ликвидуса. При этом образец нагревали от комнатной температуры до заданной со скоростью 30—40 град/мин и проводили измерения в течение длительной изотермической выдержки. Измерения вязкости проводили методом затухающих крутильных колебаний [12] на автоматизированной установке [13] в защитной атмосфере очищенного гелия. В качестве тиглей использовали цилиндрические стаканчики из А1203. С целью исключения неконтролируемого влияния оксидной пленки в качестве второй торцевой поверхности в тигель поверх образца помещали крышку из А1203, выполняющую роль второй торцевой поверхности. Конструкция крышки позволяла ей плотно прилегать к поверхности расплава в ходе всех измерений, т.е. крышка свободно перемещалась в вертикальном направлении вдоль оси тигля, а при возникновении крутильных колебаний двигалась вместе с тиглем. Общая среднеквадратичная ошибка измерения вязкости не превышает 4% при ошибке единичного измерения не более 2.5%.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Временные зависимости вязкости жидких сплавов А186№8Ьа6, А187№8У5, А186№8Се6, полученные при различных температурах, приведены на рис. 1 и 2. Все полученные зависимости у(1) имеют

0

>

100

t, мин

200

Рис. 2. Временные зависимости вязкости жидких сплавов А^7М8У5 (а) при температурах 900°С (1), 1050°С (2), 1200°С (3) и А186М8Се6 (б) при 900°С (1), 1000°С (2) и 1200°С (3).

сложный вид: на фоне уменьшающейся с течением времени вязкости наблюдается ярко выраженный пик. Относительная величина этого пика и значение времени, при котором он проявляется, уменьшаются при увеличении температуры перегрева расплавов по отношению к ликвидусу. По временным зависимостям вязкости были определены значения времени релаксации т, расплавов как время, в течение которого в изотермических условиях устанавливаются постоянные значения вязкости. Температурная зависимость времени релаксации расплавов приведена на рис. 3. Время релаксации жидких сплавов вблизи температур ликвидуса составляет порядка 200 мин и уменьшается с повышением температуры расплава по экспоненциальному закону.

Известно, что жидкости, в том числе и металлические расплавы, представляют собой бесконечно вырожденные по структурным состояниям квази-неэргодические системы. Это приводит к значительным трудностям их теоретического описания. Кроме того, анализируемые нами экспериментальные данные были получены сразу после плавления, т.е. расплав находился в неравновесном состоянии. Квазинеэргодичность и неравновесность системы рассматриваются нами в качестве основных причин появления максимума на изотермах вязкости расплавов А1-№-РЗМ.

7

4

3

3

4

0

3

0

1516

ЛАДЬЯНОВ и др.

т„ мин 300

200 -

100 -

♦ - 1 • -2 ■ - 3

50

900 1100 1300

Температура, °С

Т0 СХР(ЯГ)(Ссг - С))"'

ние можно представить в виде полуэмпирической временной зависимости

(—,Г) = ехрI —— I с* - (с* - с0)ехрI —— I

V Тси— Л V ).

' (1)

где т^ = то ехр

(ёш) (кГ)

— время диспергирования,

= т0 ехр

1ЕсиА (кГ)

— время диссоциации, с* и с0 —

Рис. 3. Температурная зависимость времени релаксации расплавов А^№8Ьа6 (1), А^6^8Се6 (2) и А187№8У5 (3) в изотермических условиях.

Предположим, что расплав сразу по завершении фазового перехода кристалл—жидкость находится в неравновесном микрогетерогенном состоянии, обусловленном наличием в нем атомных микрогруппировок с упорядочением по типу кристаллических фаз, свойственный сплаву заданного химического состава (предположительно микрогруппировок на основе тугоплавких химических соединений А13№, А14Ьа, А1пСе3, А13У и др.). Растворение последних приводит к необратимому изменению структурного состояния расплава и его постепенному приближению к равновесному состоянию. Одним из основный параметров, оказывающих влияние на вязкость расплава, является концентрация (количество на единицу объема) этих микрогруппировок. В начале изотермической выщержки расплава размер микрогруппировок достаточно велик, а их концентрация мала и не оказывает существенного влияния на вязкость. Когда концентрация приближается к некоторому предельному значению ссг ("перколяционному" пределу), влияние становится более существенным. Динамика этого процесса необратима, а время релаксации зависит от концентрации. Вблизи ссг эту зависимость можно представить степенной функцией

'ё.

где т0 — временной масштаб релаксации, р — критический показатель, с — концентрация микрогруппировок, Еу — энергия активации вязкого течения, Т — абсолютная температура, Я — газовая постоянная. Изменение концентрации микрогруппировок, по нашему мнению, определяется двумя процессами: диспергированием крупных микрогруппировок и диссоциацией наиболее мелких. Первый процесс (диспергирование) приводит к увеличению концентрации неравновесный микрогруппировок в расплаве, второй (диссоциация) — к уменьшению их общего количества. Это измене-

максимальная и начальная концентрации микрогруппировок, Е^ц и ЕсШ — энергии активации диспергирования и диссоциации соответственно, к — постоянная Больцмана. Поскольку релаксационная динамика процессов, происходящих при изотермической выдержке неравн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком