Rev. Phys. Appl. (Paris) 12, 819-836 (1977)
DOI: 10.1051/rphysap:01977001205081900

Phénomènes de relaxation et frottement intérieur dans les solides vitreux

J. Perez et P.F. Gobin

Groupe d'Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux E. R. A. n° 463, I. N. S. A. Villeurbanne 69621, France

Abstract
Several mechanical relaxation phenomena are observed on glasses. The characteristics of these phenomena varry from one type of glass to another but some features seem to be common to all solids in the vitreous state. Hence, results about : - oxyde glasses, - organic glasses, - vitreous semiconductors, - metallic glasses, are recalled. Then, it is shown that there are a relaxation process about the glass transition (primary relaxation) and several relaxation processes more or less differenciated at lower temperature (secondary relaxations). The primary or α relaxation corresponds to a rapid increase of internal friction with temperature ; the Arrhenius law is not any more valid and the response of the material to stress can be non-linear. On the contrary, secondary relaxation processes are linear and obey to the Arrhenius law. Some of them can be interpreted in terms of movement of well defined structural elements (for exemple : jump of alcaly ions in silica-alcaly oxyde glasses) ; others are not clearly explained : for instance, just before the glass transition, a peak or an anomaly in the spectrum internal friction versus temperature more or less resolved from the increase of damping due to the α relaxation, is often observed. This feature seems to be associated to delayed elasticity. We propose that such a behavior corresponds to a second relaxation phenomenon (β relaxation) which is, as α relaxation, characteristic of the vitreous state. In order to have agreement between the structural models generally admitted for describing the vitreous state and the necessity to have two types of atomic arrangements for explaining the two relaxation phenomena α and β, we propose the following assumption : whatever the structural model considered, there are planar defects or boundaries in glasses. Then, the β relaxation could be due to thermally activated movements of atoms or molecules in the boundaries while the α relaxation should be the consequence of cooperative rearrangements of atoms or molecules between the boundaries. In a first step, the relaxation models well known in the case of crystalline solids are adapted to the case of glassy materials ; hence, experimental results can be interpreted at less qualitatively.

Résumé
Les solides vitreux présentent divers phénomènes de relaxation mécanique que l'on peut étudier par mesure de frottement intérieur. Les caractéristiques de ces phénomènes varient d'un type de solides vitreux à un autre. Néanmoins, on peut relever certains comportements qui semblent communs à l'ensemble des solides à l'état vitreux. Ainsi, le rappel de résultats concernant : - les verres minéraux, - les matériaux organiques vitreux, - les solides covalents vitreux, - les verres métalliques, fait apparaître que, dans tous les cas, il existe un processus de relaxation vers le domaine de transition vitreuse (relaxation primaire) et des processus de relaxation plus ou moins bien différenciés à plus basse température (relaxation secondaire). La relaxation primaire ou α qui se traduit généralement par une montée rapide du frottement intérieur avec la température est caractérisée par la non-validité de la loi d'Arrhénius et la non-linéarité vis-à-vis de la contrainte. Les phénomènes de relaxation secondaire, au contraire, sont linéaires et suivent la loi d'Arrhénius. Ils peuvent être nombreux et si certains peuvent être expliqués en envisageant le mouvement d'éléments structuraux bien définis (par exemple, saut des ions alcalins dans un verre silice-oxyde alcalin), d'autres donnent lieu à des anomalies de frottement intérieur dont l'interprétation n'est pas toujours clairement établie. Ainsi, un peu au-dessous du domaine de transition vitreuse, on observe souvent un pic ou une anomalie de frottement intérieur plus ou moins bien résolue de la montée de frottement intérieur lié à la relaxation α ; cette manifestation semble être associée à des effets d'élasticité retardée. Un tel comportement nous paraît correspondre à un 2e phénomène de relaxation propre à l'état vitreux (relaxation β). Pour concilier les données concernant les modèles structuraux proposés pour décrire l'état vitreux et la nécessité d'envisager 2 environnements atomiques différents pour rendre compte des phénomènes de relaxation α et β, nous proposons d'ajouter aux modèles de structure généralement admis l'hypothèse suivant laquelle existeraient des défauts de type interfaces. La relaxation β pourrait ainsi résulter du mouvement des atomes ou molécules au niveau des interfaces alors que la relaxation α serait la conséquence du mouvement coopératif des atomes ou des molécules entre les interfaces. Dans une première approche, l'adaptation des modèles de relaxation déjà connus dans le cas des solides cristallins aux solides vitreux nous permet de rendre compte, au moins qualitativement, des résultats expérimentaux.

PACS
6140D - Structure of glasses.
6240 - Anelasticity, internal friction and mechanical resonances.
6470P - Glass transitions.
8140J - Elasticity and anelasticity.

Key words
amorphous semiconductors -- anelastic relaxation -- glass -- vitreous state -- internal friction -- vitreous solids -- mechanical relaxation phenomena -- glasses -- metallic glasses -- vitreous semiconductors -- relaxation process -- glass transition -- oxide glasses -- organic glasses