О вязкости объемно-аморфизуемого расплава Ni_{64, 4}Fe_{2}Cr_{4, 9}Mn_{2}b_{16, 2}c_{0, 5}Si_{8}

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
ФИЗИКА 2007. № 4
УДК 532. 13:546. 74'-72'-76'-711'-27'-26'-28
И. В. Стерхова, Л. В. Камаева, В. И. Ладьянов, Н. В. Куракова, В. В. Молоканов
О ВЯЗКОСТИ ОБЪЕМНО-АМОРФИЗУЕМОГО РАСПЛАВА
М164АГе2СГ4,9МП2В16,2Со, 5318
Исследованы температурные и временные зависимости вязкости объемно-аморфизуемого расплава М164,4Ее2Ст4,дМи2В16,2Со, ь& gt-?г8. Установлено наличие температурных областей, отличающихся различным характером температурной зависимости вязкости. Показано влияние исходного состояния сплава и его предыстории на поведение вязкости. Обнаружено аномальное поведение вязкости расплава в области 1430 ° С, обусловленное обратимым структурным превращением в нем. Показано, что повышенная склонность сплава к аморфизации при низких скоростях охлаждения обусловлена значительными временами релаксации структуры расплава вблизи температуры затвердевания.
Ключевые слова: объемно — аморфизуемый сплав, вязкость, релаксация, неравновесное и равновесное состояние расплава.
Интенсивные исследования в области аморфных материалов, обусловленные их уникальными механическими и физическими характеристиками (высокая твердость и прочность, магнитные свойства, коррозионная стойкость и др.), привели к появлению нового класса материалов — объемных аморфных сплавов. Эти сплавы, в отличие от обычных аморфо-образующих систем, не требуют высоких скоростей охлаждения (Уохл). Для их аморфизации достаточно Уохл ~ 1−100 К/с, а толщина аморфного слоя может достигать нескольких см [1−3]. К ним относятся многокомпонентные сплавы, состав которых близок к эвтектическому на основе интерметаллических соединений со сложной кристаллической структурой.
Однако, как показывают исследования [4−6], помимо выбора особого состава максимальная аморфизуемость зависит также от исходного состояния расплава перед охлаждением. Одним из наиболее структурно-чувствительных свойств расплава является вязкость, а ее высокие значения и большая энергия активации — одним из критериев его аморфизу-емости.
В связи с этим в настоящей работе представлены результаты исследований температурных и временных зависимостей кинематиче-
ской вязкости (V) объемно-аморфизуемого расплава на основе никеля N?64,4^в2СГ4,9МП2?16,260,58.
Вязкость измеряли методом затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом [5]. Измерения проводили в защитной атмосфере очищенного гелия в тиглях из А^Оэ с двумя торцевыми поверхностями в режимах нагрева от температуры плавления (Чпл) до 1510 ° Си последующего охлаждения при ступенчатом изменении температуры с шагом 15 ° С и 50 ° С и изотермическими выдержками на каждой точке 20 мин. Для доверительной вероятности 0,95 в интервале 1000 ° С-1550 ° С наиболее вероятная ошибка определения абсолютных значений вязкости применительно к расплаву Nг64,4Fe2Cr4,gMn2Bl6,2Co, 5Sг8 в единичном эксперименте составляет 3,5% при общей ошибке не более 4,5%. Температуру плавления сплава определяли с помощью метода дифференциального термического анализа в режиме нагрева со скоростью 20 ° С/мин. По данным ДТА, тем-
800 МО 1000 1100 1200 1300
Рис. 1. Термограмма нагрева сплава N?64,4 Ев2Ст4,9Мп2В16,2 С0,5Я18 (Унаг=20 ° С/мин)
пературы солидус и ликвидус равны 962 ° Си 1008 ° С соответственно (рис. 1).
Полученные температурные зависимости V, представленные на рис. 2, имеют сложный характер и зависят от предыстории расплава. В режиме первого нагрева (рис. 2а) до 1250 ° С наблюдается рост вязкости, после чего ее значения уменьшаются. Однако вблизи 1430 ° С наблюдается аномалия на политерме V, которая воспроизводится также и при охлаждении расплава. В режиме охлаждения вязкость растет до 1190 ° Си далее уменьшается с понижением температуры. Причем вблизи температуры кристаллизации (1000 ° С) значения вязкости, полученные при охлаждении, оказываются выше, чем при нагреве. Отмеченные особенности политерм вязкости качественно воспроизводятся при втором нагреве образца после его охлаждения до комнатной температуры (рис. 2б). Однако максимумы вязкости смещаются в сторону более высоких температур (~ 1300 ° С). В интервале
1000 1100 1200 1300 1400 1500
Рис. 2. Температурные зависимости вязкости расплава N?64,4Ев2Ст4,9Мп2В16,2С0,5Я18 в режиме нагрева (•) и охлаждения (о): а, б — шаг по температуре 15 ° С, в — 50 ° С
температур 1300 — 1510 ° С (рис. 2а, б) первая и вторая политермы совпадают в режиме нагрева, а при охлаждении наблюдается гистерезис вязкости ниже температуры аномалии (рис. 2б). При третьем нагреве (рис. 2 В, шаг 50 ° С) значения вязкости растут до 1350 ° Си далее совпадают с политермами первого и второго нагревов. Таким образом, полученные данные показывают, что в условиях вискозиметрического эксперимента состояние расплава после первого и второго переплава отличается, то есть зависит от предыстории получения образца перед началом измерений.
Для выявления причин такого поведения политерм вязкости расплава N?64,4^в2Сг4,9Мп2?1б, 260,58 были проведены исследования ее временных зависимостей (рис. 3). Последние получены в условиях изотермических выдержек в течение 2 или 5 часов в режимах нагрева и охлаждения. Выход на заданную температуру производили со скоростью 100 ° С/мин. При 1200 ° С (рис. 3а) начальные значения вязкости (7−10−7 м 2/с) ниже, чем на политермах V при данной температуре (рис. 2), достигают их в течение 3 часов и далее они растут. При 1350 ° С вязкость достигает равновесных значений через 90 мин, а дальнейшая выдержка не приводит к ее изменению (рис. 3б.). При увеличении температуры расплава до 1455 ° С (нагрев от 1350 ° С со скоростью 50 ° С/мин) и 1505 ° С (нагрев от 1455 ° С со скоростью 50 ° С/мин) значения вязкости практически не изменяются в течение времени выдержки — 1 час (рис. 3 В, г), соответствуют значениям на политермах V при этих температурах и затем незначительно уменьшаются (рис. 2а, б). После охлаждения (от 1505 до 1405 ° С) на временных зависимостях при 1405 ° С значения вязкости остаются постоянными в течение ~ 2 часов (рис. 3д). Однако при дальнейшем уменьшении температуры расплава до 1200 ° С зависимость вязкости от времени выдержки имеет
0 20 40 60 80 100 120
Рис. 3. Временные зависимости вязкости расплава Ы164,4Ее2Ст4,9Мп2В16,2С0,б?г8 в режиме изотермической выдержки вблизи 1200 ° С (а), 1350 ° С (б), 1455 ° С (в), 1505 ° С (г) (при нагреве — •) и 1405 ° С (д), 1200 ° С (е) (при охлаждении — о)
качественно иной характер (рис. 3е): постоянные значения при временах & lt- 1 часа и затем — резкое увеличение и последующий значительный рост. При этом для режимов изотермических выдержек каких-либо особенностей зависимостей температуры от времени не наблюдалось, и последние устанавливались достаточно быстро.
Полученные в работе экспериментальные результаты указывают на сложное температурно-временное поведение вязкости объемно-аморфизуемого расплава N?64,4Fe2Cr4,gMn2Bl6,2Co, 5S?8. Оно зависит как от условий подготовки (выплавки) образца до начала эксперимента, так и от режима измерений в области температур собственно жидкого состояния.
Можно полагать, что подобное поведение политерм вязкости обусловлено заметной неравновесностью сплава N?64,4 9Mn2Bl6,2Co, 5S?8 в исходном состоянии и его предысторией, поскольку условия его выплавки отличаются от условий охлаждения в вискозиметре. Отмеченное во многом связано со сложным структурно-фазовым состоянием исходного многокомпонентного образца. Сразу после плавления в расплаве присутствуют микрогруппировки атомов различного типа, упорядоченные по типу прочных химических соединений, присутствующих в твердом многофазном образце (карбиды, бориды, силициды и др.), которые сохраняются в расплаве в течение длительного времени. Отмеченное подтверждается результатами исследований временных зависимостей вязкости в этих областях температур (рис. 3) с временами релаксации ~ 13 часов, кото-
рые значительно превышают время изотермической выдержки и характерные времена измерений v. С ростом температуры в расплаве происходит их доплавление (дорастворение), что приводит к повышению вязкости. Максимум на политермах вязкости в режиме нагрева соответствует, по-видимому, полному растворению неравновесных микрогруппировок и переходу расплава в равновесное состояние. При этом отличие температур максимума вязкости на политермах нагрева в первом и втором опытах (рис. 2 а, б) обусловлено различным состоянием образцов перед началом измерений (перед плавлением). Аномальное поведение вязкости в области 1430 ° С связано с обратимым структурным превращением в расплаве в этой области температур.
Вопрос о причине повышенной склонности к аморфизации сплава Ni64,4Fe2Cr4,gMn2Bi6,2Co, 5Sis требует отдельных исследований. Обращает на себя внимание относительно небольшие значения переохлаждения расплава (А Т ~ 20 ° С) и значения вязкости и энергии активации, характерные для обычных металлических жидкостей. Для подобных хорошо аморфизуемых расплавов следовало бы ожидать больших значений переохлаждения [7], что не наблюдается в наших экспериментах. Поскольку реализация аморфного состояния при охлаждении расплава определяется совместным действием двух факторов — увеличением вероятности зарождения центров кристаллизации с повышением переохлаждения и уменьшением подвижности атомов с понижением температуры [7], то можно полагать, что значительные времена релаксации вязкости, связанные с перестройкой структуры расплава, вблизи температур затвердевания (рис. 3) являются одним из основных факторов повышенной аморфизуемости сплава Ni^^F^Cr^^M^Bi^^Co^Sis при малых скоростях охлаждения жидкой фазы.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного гранта УрО и СО РАН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Inoue A. Stabilisation of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys // Acta Mater. 2000. Vol. 48. P. 279−306.
2. Петржик М. И., Молоканов В. В. Пути повышения стеклообразующей способности металлических сплавов // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2001. Т. 65, № 10. С. 1384−1389.
3. Molokanov V. V., Petrzhik M. I., MikhailovaT. N. et al. Formation of bulk (Zr, Ti)-based metallic glasses // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2001. Т. 65, № 10. С. 1384−1389.
4. Молоканов В. В., Шалыгин А. И., Петржик М. И., Михайлова T. Н. и др. Влияние состояния расплава на стеклообразующую способность, структуру и свойства быстрозакаленных стержней объемного аморфного сплава на основе железа // Перспективные материалы. 2003. № 3. С. 10−17.
5. Молоканов В. В., Петржик М. И., Михайлова Т. Н., Манов В. П., По-пель П. С., Сидоров В. Е. Влияние термической обработки расплава на свойства и стеклообразующую способность магнитомягкого сплава Fer6,6Ni1,3Si8,eB13,5 // Расплавы. 2000. № 4. С. 40−48.
6. Логунов С. В., Ладьянов В. И. Обработка данных и измерение вязкости металлических расплавов методом крутильных колебаний // Расплавы. 1996. № 3. С. 63−74.
7. Овсиенко Д. Е. Зарождение и рост кристаллов из расплава. Киев: Наук. думка, 1994. 358 с.
Поступила в редакцию 02. 02. 07
I. V. Sterkhova, L. V. Kamaeva, N. V. Kurakova, V. I. Lad'-yanov, V. V. Molokanov
On the viscosity of the bulk-amorphized N?64,4Fe2Cr4& gt-9Mn2Bi6:2Co:5Sis melt
Temperature and time dependences of viscosity of the bulk-amorphized Ni644Fe2C'-r4: 9Mn2Bi6:2C'-o:5Sis melt have been investigated. The presence of temperature areas of different character of the viscosity temperature dependence has been established. Influence of the initial state of the alloy and its prehistory on viscosity behaviour has been shown. In the area of 1430 ° С the abnormal behaviour of viscosity of the melt caused by reverse structural transition has been discovered. It has been shown that higher ability of the alloy to amorphization at low speed of cooling is caused by the considerable relaxation times of the melt structure near the solidification temperature.
Стерхова Ирина Валентиновна Камаева Лариса Вячеславовна Физико-технический институт 426 001, Россия, г. Ижевск, ул. Кирова, 132 E-mail: las@pti. udm. ru
Куракова Надежда Витальевна Молоканов Вячеслав Владимирович Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН 119 991, Россия,
г. Москва, Ленинский просп., 49 E-mail: molokano@ultra. imet. ac. ru
Ладьянов Владимир Иванович Удмуртский государственный университет
НИИ Термофизики новых материалов
426 068, Россия, г. Ижевск, ул. Барышникова, 53 E-mail: las@pti. udm. ru

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой