научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ РЕЛАКСАЦИИ СТРУКТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ АМОРФНОГО СПЛАВА NI 80P 20 ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ РЕЛАКСАЦИИ СТРУКТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ АМОРФНОГО СПЛАВА NI 80P 20 ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 5, с. 37-41

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.24 779:539.89:539.213.28

ОСОБЕННОСТИ РЕЛАКСАЦИИ СТРУКТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ АМОРФНОГО СПЛАВА Ni80P20 ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

© 2004 г. В. И. Крысов, С. А. Костыря

Донецкий физико-технический институт им. Галкина НАН Украины, 83114 Донецк, ул. Р. Люксембург, 72

Поступила в редакцию 04.06.2002 г.; в окончательном варианте - 25.11.2003 г.

Исследовано влияние высокого гидростатического давления до 0.5 гПа на кинетику релаксации структурно-чувствительных свойств при температуре 140°C. Установлено, что кинетические параметры структурной релаксации, а также приращения микротвердости, плотности сплава и размера структурных неоднородностей, выявляемых методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, от давления зависят немонотонно. Выделены два интервала давлений, различающиеся закономерностями релаксации свободного объема, где размер рассеивающих частиц сокращается, а структура выравнивается. Наличие двух выделенных интервалов предположительно объяснено присутствием в сплаве, по крайней мере, двух структурных типов носителей свободного объема, различающихся дилатационными свойствами. Установлена корреляция между шириной спектра энергий активации и индексом расширенной экспоненты, описывающей процесс релаксации. Количественная оценка средних значений энергии активации и активационного объема показывает, что процесс структурной релаксации в исследованном сплаве контролируется диффузией при активаци-онном объеме, близком к моноатомному.

Ранее [1] обнаружено немонотонное влияние гидростатического давления на электросопротивление металлического аморфного сплава (AMC) Ni80P20 при комнатной температуре. На этом же сплаве установлена немонотонность барической зависимости времени структурной релаксации [2].

В данной работе, в продолжение указанных работ, проведено комплексное исследование влияния гидростатического давления на эволюцию некоторых структурно-чувствительных свойств. В частности, в ÄMC Ni80P20 изучены закономерности приращений макроскопической плотности, микротвердости, структурной неоднородности ме-зоскопического масштаба и кинетических параметров релаксации электросопротивления в изотермических условиях при температуре 140°C.

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

Аморфный сплав Ni80P20 толщиной 20 мкм получен электролитическим методом, описанным в работе [3]. Электролитический AMC по сравнению с полученным закалкой расплава обладает большим свободным объемом, что позволяет ожидать более высокую чувствительность его свойств к давлению. C целью предотвращения выхода свободного объема до испытания образ-

цы для каждого давления использовались в свежеприготовленном виде.

Аппаратура высокого давления, нагревательный элемент и метод измерения электросопротивления описаны в работах [1, 2].

Структура мезоскопического масштаба (размер концентрационных неоднородностей Я) исследовалась методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей на установке КРМ-1. Рассеянную интенсивность измеряли двухкоординат-ным детектором типа РКД-1М. Размер неоднородностей определяли по методу Гинье [4].

Плотность р измеряли по методу Архимеда, взвешивая образцы на воздухе и в толуоле при комнатной температуре с поправкой на небольшие колебания температуры. Навески по 30-40 мг взвешивали по семь раз до и после отжигов под давлением. Из массива этих данных вычисляли средние значения и среднеквадратичные погрешности. Последние не превышали 0.3%.

Микротвердость Н измеряли на приборе ПМТ-3. Проблему влияния подложки на результаты измерения тонких образцов решали следующим образом. В качестве подложки использовали гладкую стеклянную пластинку, твердость которой значительно превышала твердость образцов. Образцы к подложке прижимали тонкой металлической пластиной с отверстием, открывающим доступ индентора к образцу. Измерения проводили

(а)

(б)

М/Яо 01"

-0.4 Ь

1п т, с 8

7 п 1.0

(г)

(Д)

ЪЕ, кДж/моль 14 12 10

(е)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Р, гПа

Рис. 1. Барические зависимости приращений: а - физической плотности; б - микротвердости; в - размера структурных неоднородностей; г, д, е - зависимости времени структурной релаксации, индекса п и ширины спектра энергий активации соответственно.

при нагрузке 20 г, времени нагружения 5 с и выдержки 20 с. При этом глубина отпечатка составляла значительно меньше 1/3 толщины образца, т.е. меньше того значения, при котором влияние подложки проявляется.

Отпечатки наносили на зеркальную поверхность образцов, которая при электроосаждении соприкасалась с глянцевой поверхностью катодной пластинки из нержавеющей стали. Это позволяло получать геометрически совершенные отпечатки и соответственно достаточно высокие точности измерений. С целью ослабления влияния макроскопической гетерогенности образцов измерения до и после баротермической обработки проводили на участках, близко расположенных друг к другу. Каждое значение микротвердости определялось как среднее из десяти измерений; среднеквадратичная ошибка не превышала 5%.

Все перечисленные параметры измеряли на свежеприготовленных образцах и после отжигов при 140°С под давлением. Длительность отжигов составляла 8 ч. За это время релаксация электросопротивления практически заканчивалась.

Эксперимент проводили в следующей последовательности: монтаж образца в нагреватель -погружение в канал сосуда высокого давления -подъем давления до заданного - нагрев - охлаждение - разгрузка - измерения. Нагрев образцов при атмосферном давлении проводили в камере высокого давления в той же жидкости (техническое масло + керосин). Следы этой смеси, остающиеся на поверхности образцов, смывали толуолом.

Следили за относительными приращениями измеряемых величин в виде АП/П0, где АП = Пк - П0; П0 и Пк - исходные и конечные значения параметров. Такое представление данных в определенной мере сглаживало разброс точек, вызываемый некоторым разбросом исходного состояния образцов.

Изотермы электросопротивления обрабатывали в соответствии с эмпирическим выражением [5]:

а = 1 - ехр [-(г/т)п], (1)

где а = (г - г0)/(г0 - г^), г, г0 и г^ - текущее, исходное и конечное значения электросопротивления. Отсюда находили времена релаксации т и индексы п для каждого давления.

При такой обработке возникает трудность в определении начального электросопротивления г0, так как при г = 0 его измерить не удается. Поэтому г0 определяли последовательным подбором до момента спрямления изотермы в координатах 1п1п(1/(1 - а)) = f(1n г) с коэффициентом корреляции не ниже 0.98.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены барические зависимости всех измеренных величин. Привлекает внимание их немонотонность и совпадение экстремумов некоторых параметров по оси давлений.

Приращения макроскопической плотности и микротвердости (рис. 1а, б) при всех давлениях положительны и изменяются с давлением скорре-лированно. Корреляция качественно согласуется с данными, приведенными в работе [6], где микротвердость представлена пропорциональной среднему межатомному расстоянию.

Барические зависимости относительных приращений размеров рассеивающих частиц (А^/Я0) (рис. 1в) также немонотонны. Их значения в некоторых интервалах давлений отрицательны, что указывает на сокращение размеров. Это может происходить либо за счет механического дробления, либо, если эти частицы обладают повышенным свободным объемом, за счет вытеснения его на внутренние и внешние поверхности.

Величина 1п т с ростом давления в целом увеличивается (рис. 1г). Аппроксимируя все точки еди-

AR/Rq

0.3 0.2 0.1

0 -0.1

-0.2 -0.3 -0.4

■ 0°.5 - «0.2

-...... Ч0.3

\0.4

0 | 0.05 1 1 | I 0.1 1

0.70 0.75 0.80 0.85 0.90

0.95

n

Рис. 2. Зависимость относительных приращений размеров структурных неоднородностей от индекса п (цифры возле точек указывают на величину давления, гПа).

A -2

1.0

n

Рис. 3. Зависимость A = f(n).

ной прямой, оценивали средние значения энергии активации E при атмосферном давлении и актива-ционного объема Va. Аппроксимирующее уравнение имеет вид: lnт = 7.62 + 1.86 х 10-9 Па-1 х P при коэффициенте корреляции 0.75. Сравнивая это равенство с логарифмическим видом выражения т = TDexp[(E + PVa)/kT (1/td - частота Дебая; P -давление; к - постоянная Больцмана; T- температура), получим E = (7.62 - lnTD)kT; Va = 1.86 х 10-9кТ. Отсюда E ~ 120 кДж/моль и Va ~ 102 нм3.

Из выражения Аррениуса (при межатомном расстоянии 10-9 м, частоте, равной частоте Дебая 1012 1/c, и энергии активации, равной 120 кДж/моль) вытекает численное значение коэффициента диффузии ~5 х 10-24 м2/с, характерное для диффузии элементов в металл-металлоидных АМС [7]. Эта величина и значение Va, близкое к объему одного атома, присущи вакансионному механизму диффузии. Однако в случае аморфной структуры этот результат недостаточен, как аргумент в пользу вакансионного механизма, так как в условиях сильной деструктурированности системы свободный объем, равный объему атома, может быть распределен по значительно большему объему. В результате механизм окажется групповым. Кроме того, из-за немонотонностей кинетики в некоторых интервалах давлений кинетические параметры могут существенно отличаться от указанных значений.

Значения индекса n (рис. 1д) колеблются в интервале 0.7-0.95. Неравенство n < 1 характерно для структурной релаксации [5, 8]. Оно указывает на существование статистического распределения времен релаксации, обусловленного статистическим же распределением энергетических барьеров. Последнее, в свою очередь, обусловлено структурной гетерогенностью сплава. Таким об-

разом, индекс n может служить показателем степени структурной неоднородности АМС.

На связь индекса n c гетерогенностью сплава указывает и корреляция его изменений с изменениями приращений размеров структурных неоднородностей AR/Rq. График корреляции представлен на рис. 2. Обнаруживаются две раздельные ветви в интервалах давлений 0-0.1 и 0.2-0.4 гПа, на протяжении которых с увеличением n (и повышением давления) величина AR/Rq снижается. При достижении n = 0.95 и P = 0

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