Наблюдение низкотемпературных аномалий стекольного типа при изучении акустических свойств наноструктурных металлов

Abstract

Методом составного вибратора с частотой ω ≈ 5·10⁵ с⁻¹ в интервале температур 2–20 К измерены значения и температурные зависимости динамического модуля Юнга Е(Т) двух металлов (Ti, Zr) в кристаллическом (CR) и наноструктурном (NS) состояниях. Переход от CR (крупнозернистые поликристаллы) к NS (ультрамелкозернистые поликристаллы) реализован методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Показано, что переход металлов в состояние NS сопровождается смягчением модуля на несколько процентов и появлением на зависимостях ЕNS(Т) специфической особенности — перехода при увеличении температуры от логарифмического к степенному закону с температурой кроссовера Тc ≈ 6–8 К, такая особенность характерна для модулей упругости стекол. Структурные искажения в NS состоянии, проявляющие свойства атомного беспорядка (стекольная подсистема или «фаза»), интерпретированы в рамках дислокационных представлений как следствие накопления в металлах под действием ИПД больших плотностей дислокаций со случайными конфигурациями дислокационных линий. В Приложении проведено детальное сопоставление и установлены аналогии динамических свойств фрагментов дислокационных линий с динамикой квазилокальных возбуждений в стеклах — так называемых двухуровневых туннельных систем, релаксационных систем и гармонических осцилляторов, которые в теории стекол привлекаются для описания их свойств при низких температурах.

Методом складового вібратора з частотою ω ≈ 5·10⁵ с⁻¹ у температурному інтервалі 2–20 К виміряні значення та температурні залежності динамічного модуля Юнга Е(Т) двох металів (Ti, Zr) у кристалічному (CR) і наноструктурному (NS) станах. Перехід від CR (крупнозернисті полікристали) до NS (ультрадрібнозернисті полікристали) реалізовано методами інтенсивної пластичної деформації (ІПД). Показано, що перехід металів у стан NS супроводжується пом'якшенням модуля на декілька процентів та появою на залежностях ЕNS(Т) специфічної особливості — переходу при зростанні температури від логарифмічного до степеневого закону з температурою кросовера Тc ≈ 6–8 К, така особливість характерна для модулів пружності стекол. Структурні спотворення у NS стані, які мають властивості атомного безладу (скловидна підсистема або «фаза»), інтерпретовано у рамках дислокаційних уявлень як наслідок накопичення у металах під дією ІПД великих густин дислокацій з випадковими конфігураціями дислокаційних ліній. У Додатку проведено детальне співставлення та встановлено аналогії динамічних властивостей фрагментів дислокаційних ліній з динамікою квазілокальних збуджень у стеклах — так званих дворівневих тунельних систем, релаксаційних систем і гармонійних осциляторів, які у теорії скла залучаються для опису його властивостей при низьких температурах.

The values and temperature dependences of the dynamic Young modulus E(T) of two metals (Ti and Zr) in the crystaline (CR) and nanostructured (NS) states were measured by the composite oscillator technique at the frequency ω ≈ 5·10⁵ s⁻¹ in the temperature range 2–20 K. The transition from CR (coarse-grained polycrystals) to NS (ultrafine-grained ones) was realized by the severe plastic deformation (SPD) method. It is shown that the transition of the metals into the NS-state is accompanied by softening of the modulus by a few percent and by the appearance in the dependences ENS(T) of a specific feature, namely, a transition from the logarithmic to a power law temperature dependence when increasing temperature with the crossover point Tc ≈ 6–8 K: this feature is typical of the elastic modulus behavior in glasses. The structural distortions in the NS-state, responsible for the occurrence of atomic disorder properties (glass subsystem or “phase”), are interpreted in the context of dislocation concept as a SPD-induced accumulation of large dislocation densities with random configurations of dislocation lines in metals. In Supplement a detailed comparison is given and a clear analogy is established between the dynamic properties of dislocation line fragments and the dynamics of quasi-local excitations in glasses (so-call-ed two-level tunneling systems, relaxation systems and harmonic oscillators), which are involved in the theory of glasses to describe their properties at low temperatures.