Прогнозирование поведения металлических стекол как перспективного функционального материала с точки зрения дислокационной концепции

Металлическое стекло (МС) – один из наиболее «молодых», быстроразвивающихся и перспективных материалов. Представляя из себя, по сути, "замороженную жидкость", МС обладает изотропной аморфной структурой, обладающей высокой коррозионной стойкостью, биосовместимостью, прочностью, твердостью, износостойкостью, формуемостью и магнитной мягкостью. В то же время наличие преимущественно металлических связей, обладающих куда большей гибкостью, чем ковалентные, обуславливает некоторую пластичность материала, сравнимую с пластичностью высокопрочных сталей. При этом, отношение предела упругости к модулю Юнга, т.е. способность аккумулировать упругую энергию очень высоко и сравнимо с полимерами. Такое сочетание свойств делает МС чрезвычайно интересным материалом как для фундаментальных исследований, так и для прикладной науки и производства. Однако, одним из главных недостатков, сдерживающих применение МС является сильная локализация деформации при комнатной температуре. Носителем деформации в данном случае являются так называемые полосы сдвига (ПС) – планарный дефект, толщина которого составляет порядка 10-100 нм. Такая сверхлокализация дестабилизирует пластическое течение материала и провоцирует раннее развитие микротрещин в полосах сдвига, что приводит к падению вязкости, пластичностии, в конечном счете, к преждевременному хрупкому разрушению. Любая успешная попытка улучшения прочностных качеств МС так или иначе приводит к изменению формирования и роста ПС, будь то подбор химического состава, микролегирование, геометрическая локализация деформации или повышение гомогенности аморфной структуры. Все вышеперечисленные методы приводят к более плотному ветвлению и взаимному пересечению укороченных ПС, препятствуя формированию магистральной полосы. Таким образом, сдвигообразование в МС – ключевой механизм, изменение которого неразрывно связано с изменением механических свойств. Именно поэтому изучение полос сдвига и закономерностей их развития является актуальной задачей, которой с момента первого упоминания в литературе занимались уже почти 50 лет как отечественные, так и зарубежные ученые (Хоник В.А., Виноградов А.Ю., Глезер А.М., Кетов С.В., Лузгин Д.В., Табачникова Е.Д., Masumoto T., Inoue A., Argon A.S., Gilman J.J., Spaepen F., Pampillo C.A., Chen H.S., Leamy H.J., Greer A.L., Maass R., Wright W.J., Dahmen K.A., Song S.X., Wilde G.., Klaumuenzer D., Hufnagel T. и многие другие). Однако, несмотря на всеобщий интерес к МС и локализации деформации в них, ясного понимания механизма ПС в аморфных сплавах до сих пор нет. Именно на изучение механизмов сдвигообразования в МС с точки зрения дислокационной концепции и направлен данный Проект.

1. Провести серию статических и динамических экспериментов по исследованию эволюции полос сдвига в металлических стеклах. Полученные в этих экспериментах данные не только будут являться непосредственным подтверждением правомерности применения дислокационной концепции, но и создадут набор данных для последующего анализа с целью расширения возможностей дислокационного подхода.
2. Объяснить выявленный в пробных экспериментах скейлинг средней скорости фронта полосы сдвига и предложить на основе дислокационного подхода математическое обоснование наблюдаемого скейлинга связав его с вероятностными распределениями длин полос сдвига при их инициации и дальнейшем распространении.
3. На основе решения двух предыдущих задач предложить модель распространения полосы сдвига в металлическом стекле. Связать ранее известную термоактивируемую природу полос сдвига с дислокационной концепцией. Объединение решений поставленных задач в единое целое и последующий критический анализ позволит обозначить общность сдвиговых явлений в конденсированных средах с неупорядоченной структурой и расширить континуальный дислокационный подход на новые классы материалов и, в том числе на ряд геофизических явлений.

За период выполнения Проекта были получены следующие результаты:

1. На основе экспериментальной методики высокоскоростной микроскопической видеосъемки механических испытаний с синхронизацией видеозаписи и события локализованной деформации по сигналу акустической эмиссии, испускаемому событием были проведены:
   а) серия статических экспериментов по определению методом цифровой корреляции изображений деформационных полей смещения в вершине различных полос сдвига, образованных в процессе механического сжатия образцов металлического стекла.
   б) серия динамических экспериментов по определению средней скорости фронта полосы сдвига при её инициации в процессе механического сжатия образцов металлического стекла.
2. В результате измерений поля деформации заторможенной полосы сдвига и последующей обработки экспериментальных данных методом корреляции цифровых изображений показано, что поля абсолютной деформации полосы сдвига как качественно, так и количественно совпадают с теоретически рассчитанным полем макродислокации, расположенной в вершине полосы сдвига. При этом экспериментально доказанный факт того, что вершина полосы сдвига в металлическом стекле является линейным дефектом дислокационного типа с дальнодействующими полями напряжений, позволило нам трактовать результаты статических и динамических экспериментов в металлических стеклах с позиций теории дислокаций.
3. В результате измерений скорости движущейся полосы сдвига и последующей обработки экспериментальных данных методом вычитания цифровых изображений показано, что полоса сдвига формируется с конечной скоростью, причем зависимость скорости полосы сдвига от времени имеет асимметричный импульсный характер и условно состоит из двух этапов: быстрое нарастание скорости фронта от нуля до некоторого максимального значения, а затем медленное затухание по степенному закону. Это свидетельствует о том, что полоса сдвига возникает не единовременно, как следует из перколяционной модели, а в результате последовательного распространения фронта сдвига.
4. Было представлено математическое обоснование наблюдаемого квадратичного скейлинга в зависимости скорости сдвиговых процессов в металлическом стекле от времени и обсуждена его связь с вероятностными распределениями длин полос сдвига. Предложенное математическое описание хоть и носит оценочный характер, но обладает универсальностью приложения к любым сдвиговым процессам в механике сплошных сред, поскольку в качестве управляющего параметра использует лишь показатель степени в функции плотности вероятности степенного распределения по длинам полос сдвига. Наблюдаемый квадратичный скейлинг в зависимости скорости сдвиговых процессов в металлическом стекле от времени для многочисленных экспериментов демонстрирует унифицированность поведения в диапазоне изменения времени на четыре порядка, а скорости полосы сдвига на девять порядков. Это свидетельствует о его универсальности и возможности разделения механизмов локализации деформации в металлических стеклах.
5. На основе анализа амплитудных распределений сигналов акустической эмиссии, полученных при нагружении металлического стекла была представлена экспериментальная верификация вероятностного распределения длин полос сдвига и установлена его связь с наблюдаемым масштабным скейлингом средней скорости полос сдвига, что свидетельствует о правильности выбранного математического подхода в трактовке наблюдаемого скейлинга.
6. На основе подтвержденной гипотезы о том, что фронт полосы сдвига является дефектом дислокационного типа и, используя полученные на предыдущих этапах выводы о степенном характере распределения средней скорости полос сдвига, предложена и экспериментально подтверждена модель распространения полосы сдвига в металлическом стекле. Установлена связь между ранее известной термоактивируемой природой полос сдвига с дислокационной концепцией.
7. Обобщение полученных за время реализации Проекта экспериментальных результатов и их теоретическое обоснование позволило трактовать формирование и эволюцию полос сдвига в металлических стеклах в рамках единой дислокационной концепции. Анализ полученных результатов обозначил общность сдвиговых явлений в конденсированных средах с неупорядоченной структурой.