О связи модуля сдвига и энергии активации атомных перестроек в металлических стеклах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 539.3

О СВЯЗИ МОДУЛЯ СДВИГА И ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ АТОМНЫХ ПЕРЕСТРОЕК В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕКЛАХ

© Ю.П. Митрофанов, А.В. Лысенко, С.А. Ляхов, В.А. Хоник

Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж, Россия,

e-mail: [email protected]

Ключевые слова: энергия активации; модуль сдвига; вязкость; структурная релаксация.

Проведены измерения сдвиговой вязкости и высокочастотного модуля сдвига в металлических стеклах на основе 2г в условиях линейного нагрева. Сделан вывод о том, что ниже температуры стеклования энергия активации структурной релаксации не контролируется макроскопическим модулем сдвига.

Вопрос о факторах, определяющих энергию активации атомных перестроек в стеклах ниже и выше температуры стеклования, является одним из наиболее важных в физике некристаллического состояния. Наиболее распространенной гипотезой в настоящее время является утверждение о том, что эта энергия контролируется макроскопическим «мгновенным» модулем сдвига Ох [1]. Так, в рамках модели «расталкивания» Дьюре [2] для реализации элементарного акта структурной релаксации необходим некоторый дополнительный объем ¥с , который создается путем упругого расталкивания окружения. Соответствующая работа определяется величиной Ох , так что энергия активации элементарной атомной перестройки есть Е(Т) = Ох (Т)¥с . Следуя Дьюре [2] и предполагая выполнимость уравнения Аррениуса для сдвиговой вязкости п, получаем выражение для температурной зависимости п в виде

П = П0 exp

G„ (T )Vc kBT

(1)

где По = const, kB - постоянная Больцмана. Адекватность соотношения (1) была экспериментально установлена на ряде переохлажденных органических жидкостей [2, 3]. Проверка выполнимости этого соотношения для металлических стекол выше и ниже температуры стеклования Tg представляет значительный интерес. Это было ранее нами выполнено на примере металлического стекла Pd40Cu30Ni10P20 [4]. Прямыми измерениями п и Ох было показано, что модуль сдвига выше Tg пропорционален kBTln(n/п0) , в соответствии с формулой (2). Ниже Tg это соотношение не выполняется, т. к. структурная релаксация, контролирующая сдвиговую вязкость в этом интервале температур, определяется распределенным спектром энергий

активации. Цель настоящей работы состояла в проведении аналогичных экспериментов на стеклах на основе Zr.

Проведенные параллельные измерения п и GrXl (на частоте 500 кГц) показали, что, как и в упомянутом случае стекла Pd40Cu30Ni10P20, ниже Tg формула (1) не выполняется, ибо сдвиговая вязкость контролируется спектром экспоненциальных релаксаций. Мы предполагаем, однако, что каждая из этих релаксаций (со своей энергией активации) может определяться локальным модулем сдвига. Нам не удалось выполнить измерения вязкости заметно выше Tg, так что оценить степень адекватности формулы (1) для этого интервала температур не удалось.

ЛИТЕРАТУРА

1. Dyre J.C. // Rev. Mod. Phys. 2006. V. 78. Р. 953.

2. Dyre J.C., Olsen N.B., Christensen T. // Phys. Rev. 1996. V. B 53. Р. 217.

3. Torchinsky D.H., Johnson J.A., Nelson K.A. // J. Chem. Phys. 2009. V. 130. Р. 064502.

4. Khonik V.A., Mitrofanov Yu.P., Lyakhov S.A., Vasiliev A.N., Khonik S. V., Khoviv D.A. // Phys. Rev. 2009. V. B 79. Р. 132204.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по грантам 09-02-97510-р_центр_а и 10-02-00502-a.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Mitrofanov Yu.P., Lysenko A.V., Lyakhov S.A., Khonik V.A. On the relationship of the shear modulus with activation energy of atomic rearrangements in metallic glasses.

Measurements of the shear viscosity and high-frequency shear modulus in Zr-based metallic glasses upon linear heating have been performed. It has been concluded that the activation energy of structural relaxation below the glass transition temperature is not controlled by the macroscopic shear modulus.

Key words: activation energy; shear modulus; viscosity; structural relaxation.