Композиционная зависимость хрупкости металлических стеклообразующих жидкостей

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3708 (2022) Цитировать эту статью

3104 Доступа

6 цитат

41 Альтметрика

Подробности о метриках

Вязкость и ее температурная зависимость, хрупкость — ключевые свойства жидкости. Считается, что низкая хрупкость способствует образованию металлических стекол. Тем не менее, хрупкость остается плохо изученной, поскольку экспериментальные данные о ее зависимости от состава скудны. Здесь мы представляем метод раздувания пленки (FIM), который измеряет хрупкость металлических стеклообразующих жидкостей в широком диапазоне состава и стеклообразующей способности. Определена хрупкость 170 сплавов в диапазоне более 25 ат.% по Mg–Cu–Y. В этой системе сплавов наблюдаются большие различия в хрупкости. Вопреки общему пониманию, низкая хрупкость здесь не коррелирует с высокой стеклообразующей способностью. Мы вводим сложность кристаллизации как дополнительный вклад, который потенциально может стать существенным при моделировании стеклообразующей способности на многие порядки величины.

Вязкость η является центральным свойством жидкости1,2. Он определяет макроскопическое сопротивление потоку и управляет динамическими процессами, такими как диффузия3,4 и структурная релаксация1,5. С повышением температуры термическая активация снижает вязкость. Кроме того, атомно-равновесная структура жидкости постоянно приспосабливается к повышению температуры, что еще больше снижает вязкость. Тип жидкости (например, атомная, молекулярная, ковалентная сеть), ее состав и атомная структура определяют величину этого структурного вклада2,6,7,8,9,10. Таким образом, они четко отражаются на результирующей зависимости вязкости от температуры, которая является ключевым свойством, широко известным как хрупкость жидкости6. Качественно жидкости классифицируют на прочные и хрупкие с помощью графика Энджелла (рис. 1а). Для количественной оценки хрупкости обычно используется параметр хрупкости m7 (уравнение (1)). Хрупкость является свойством жидкого состояния, а не состояния стекла, в котором атомная структура заморожена1,11 (рис. 1б).

На графиках Энджелла Tg/T представляет собой обратную температуру, масштабированную по температуре стеклования Tg6,7,8,9. Согласно реологическому соглашению, Tg соответствует вязкости 1012 Па·с, около которой обычно происходит калориметрическое стеклование6,11. a Хрупкость жидкости: в сильном пределе жидкости демонстрируют линейную температурную зависимость в соответствии с уравнением Аррениуса {{{{{\rm{A}}}}}}}}{{k}_{{{{{{\rm{B}}}}}}}T}\right)\)1,7, 8. Это возникает исключительно в результате термической активации и не влечет за собой никаких структурных изменений, поэтому основной механизм течения и энергия активации EA остаются неизменными1,7,8. Для сравнения, хрупкие жидкости имеют более низкую вязкость и резкое увеличение при приближении к Tg в результате крупных структурных изменений1,2,7,8,50. В частности, с понижением температуры поток требует все большей совместной перестройки, что приводит к росту активационных барьеров. Параметр хрупкости m представляет собой наклон при Tg. Он колеблется от 16 для поведения Аррениуса, наиболее точно реализуемого SiO26, и превышает 100 для хрупких жидкостей6,7. б Стеклование: переохлажденная жидкость, находящаяся в метастабильном равновесии, может постоянно корректировать свою структуру в зависимости от изменения температуры. Отсюда и хрупкое, неаррениусовское поведение. Напротив, при Tg жидкость переходит из состояния равновесия в стеклообразное состояние. Здесь временной масштаб структурных изменений становится больше, чем экспериментальный временной масштаб1,8,37. Эта конфигурация замороженного изоструктурного стекла демонстрирует неглубокую зависимость вязкости от температуры, определяемую термической активацией типа Аррениуса1,20,37. (Для простоты здесь предполагаются одинаковые Tg и фиктивная температура.).

Особый интерес для изучения хрупкости представляют металлические стеклообразующие жидкости. Их структурная простота, в частности по сравнению с полимерными жидкостями, позволяет сделать повсеместные выводы. В то же время они предоставляют разнообразную основу для исследований, поскольку составы могут постоянно меняться и обычно состоят из нескольких составляющих элементов с большими различиями в размерах атомов, энергетических и геометрических взаимодействиях12,13,14. Это может привести к появлению широкого спектра жидких структур и свойств. Самое главное, что стеклообразующая способность (GFA), определяемая количественно через критическую скорость охлаждения RC, может варьироваться на многие порядки15. Многие металлические жидкости имеют низкую GFA с RC > 108 К/с15. Другие с определенным составом могут быть переохлаждены ниже Tg без кристаллизации даже при температуре <103 К/с, что позволяет образовывать объемное стекло16,17. В целом, хрупкость коррелирует со многими свойствами жидкости и стекла, включая кинетику релаксации, диффузии и кристаллизации18,19,20,21,22, механические свойства23 и константы упругости24. Самое главное, широко распространено мнение, что крепкие жидкости коррелируют с высоким содержанием GFA11,18,19,20,21,25,26,27,28,29,30,31,32. Технологически вязкость и хрупкость важны для обработки33,34,35, например, при литье, формовании термопластов, отжиге и старении.