Металл стекло и прочие материалы. Металлические стёкла

В самом начале этого реферата мы выяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуют кристаллическую решетку того или иного типа. Строгую периодичность системы ионов называют “дальним порядком”. Например, при многократном повторении в пространстве той комбинации ионов воспроизводится объемно-центрированная кубическая решетка. При наличии дальнего порядка мы можем точно указать координаты любого иона, если знаем его порядковый номер по отношению к произвольно выбранному исходному иону. Все позиции ионов, все межатомные расстояния четко определены.

Возвращаясь к системе атомов, мы назовем такую ситуацию “ближним порядком”. Можно довольно точно указать координаты и количество атомов, окружающих данный атом, но более далеких прогнозов делать уже нельзя. Но в природе существует и другая категория веществ, которые называются аморфными. При охлаждении, когда энергия тепловых колебаний атомов становится столь низкой, что они уже не могут свободно путешествовать, эти вещества сохраняют структуру жидкости. Здесь может идти речь только о ближнем порядке в расположении атомов. Движение “толпы” как бы постепенно затихает, люди все менее энергично толкают друг друга и, наконец, застывают на своих случайных местах, слегка покачиваясь из стороны в сторону.

Обычное стекло, смола, парафин, асфальт - это примеры природно аморфных материалов, не имеющих правильного кристаллического строения. Такие материалы при нагревании и охлаждении лишь изменяют свою вязкость, но никаких принципиальных изменений во взаимном расположении составляющих их атомов не происходит.

У кристаллических тел подобные изменения свойств при нагреве происходят гораздо более резко, а само плавление - у чистых металлов - идет при строго определенной температуре, так что температура плавления металла является одной из его фундаментальных физических характеристик (констант). Если не меняется внешнее давление и металл хорошо очищен от примесей, то по появлению первой капли при нагреве можно определить температуру с точностью до десятых долей градуса.

Возникает вопрос: нельзя ли и в металлическом сплаве “заморозить” ту атомную структуру которая характерна для жидкости, нельзя ли лишить металл дальнего порядка в твердом состоянии. Ведь тогда можно ожидать значительного изменения всех тех его свойств, которые определяются правильным строением кристаллов.

В принципе способ, с помощью которого можно решить такую задачу, ясен - надо пытаться резко увеличить скорость охлаждения жидкого металла, чтобы быстро спуститься в ту область температур, где атомы уже не могут менять своих соседей. Расчеты и эксперименты показали, что подавить процесс кристаллизации действительно удается, но для этого нужны скорости охлаждения порядка миллионов градусов в секунду. Один из разработанных способов заключается в разбрызгивании мелких капель жидкого металла на хорошо отполированную поверхность быстро вращающегося холодного медного диска. Капля на поверхности диска размазывается очень тонким слоем (несколько микрометров), а хорошая теплопроводность меди обеспечивает высокую скорость теплоотвода.

В настоящее время уже налажен промышленный выпуск десятков сплавов в аморфном состоянии. Оказалось, что легче всего аморфизуются сплавы переходных и благородных металлов с металлоидами (неметаллами, углеродом, бором, фосфором и др.), причем есть сплавы, в которых удается подавить кристаллизацию при скорости охлаждения порядка тысяч и даже сотен градусов в секунду.

Какие же свойства аморфных сплавов особо ценны для техники? Как и ожидалось, аморфные металлы во многих отношениях отличаются от своих кристаллических собратьев. Хотя модули упругости при аморфизации снижаются в среднем на 30 (силы межатомной связи уменьшаются), но прочность и твердость резко возрастают. Отсутствие дислокации приводит к тому, что металлические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали. Высокая твердость определяет их великолепную износостойкость. Правда, пластичность аморфных сплавов низкая, что даже можно было ожидать, так как “носителями” пластичности являются дислокации. Все же металлические стекла не так хрупки - как обычное стекло. Их можно, например, прокатывать при комнатной температуре.

Другое важнейшее преимущество аморфных металлических сплавов - их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не корродируют. Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель и хром, в растворе соляной кислоты практически равны нулю. Для сравнения можно сказать, что скорость коррозии “классического” коррозионностойкого сплава железа с никелем и хромом (знаменитая нержавеющая сталь, которую так и называют - “нержавейка”) в той же среде превышает 10мм/год. Основная причина такой высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов, по-видимому, состоит в том, что, не имея кристаллической решетки, они лишены и характерных “дефектов” кристаллов - дислокации и, главное, границ между зернами. Высокая плотность упаковки атомов в кристалле вблизи этих “дефектов” уменьшается столь резко, что вдоль них легко проникают в металл “вражеские агенты”. Важно, что бездефектная структура аморфного сплава передается той тонкой окисной пленке, которая образуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и в дальнейшем защищает металл от прямого контакта с “агрессором”.

Весьма интересным показалось и сочетание некоторых физических свойств аморфных сплавов, в частности, магнитных и электрических. Выяснилось, что сплавы на основе ферромагнитных металлов (железа, никеля) в аморфном состоянии так же ферромагнитны.

Если вернуться сердечникам трансформаторов то будет видно, что замена обычной трансформаторной стали аморфным сплавом даст огромную экономию энергии. В США подсчитано, что потери на вихревые токи уменьшается при этом в 4 раза. Необычное сочетание магнитных и электрических свойств металлических стекол позволяет с большим эффектом использовать их и для других преобразователей тока, датчиков, сердечников и разного рода реле.

Количество компонентов в сплавах возрастает вместе с требованиями. Уже не редкость сплавы с десятком и более компонентов. Их составление - большое искусство, так как компоненты должны работать в гармонии и согласии. Недаром создателей новых сплавов металлурги называют композиторами.

Изготовить такие композиции в промышленности часто труднее, чем составить. У компонентов разные температуры плавления, химические свойства, плотность. Если при плавке еще удается управлять множеством процессов, используя вакуум или защитные атмосферы, флюсы, разделяя плавку на этапы, то при кристаллизации влиять на ход событий можно только режимом охлаждения. Здесь-то компоненты и проявляют свой характер. Одни упрямо не хотят растворяться в общей массе сплава и выделяются прослойками, другие жадно поглощают все загрязнения и примеси, образуя стойкие и вредные соединения, третьи кристаллизуются в слишком крупные или слишком мелкие зерна, нарушая структурную однородность сплава. И чем больше компонентов, тем больше подобных проблем.

Чтобы избавиться от трудностей, связанных с кристаллизацией, можно изготовить металл из смеси компонентов в виде частиц, гранул или волокон, спрессовав и сварив их в сплошную массу. Так возникла технология композитных металлов, а затем порошковая металлургия. Это была первая попытка начать революцию в металлургии, но она удалась лишь частично.

Порошковая металлургия и композиты занимают хотя и важную, но довольно ограниченную область в выпуске металлических изделий. Это, прежде всего производство твердых сплавов для инструмента, затем изготовление изделий из тугоплавких металлов - вольфрама, молибдена и других, плавление которых сопряжено с техническими трудностями, наконец, получение деталей с особой структурой - пористых, волокнистых, чешуйчатых.

Порошковая технология ограничена, прежде всего, стоимостью продукции, которая пока раз в десять выше, чем продукция, полученная традиционными металлургическими приемами. Кроме того, хотя при спекании происходит диффузия компонентов и протекают некоторые химические реакции, композиты все же обладают свойствами смеси, а не сплава.

Вторая попытка состоялась сравнительно недавно, когда новая наука - физика металлов - обнаружила, что теоретическая прочность металла на полтора-два порядка выше реальной. Оказалось, что низкая прочность металла объясняется дефектами кристаллической решетки. Количество дефектов в металле может быть соизмеримо с числом атомов, поэтому в расчетах используют плотность, или концентрацию дефектов в единице объема. Если эта величина близка к нулю, что соответствует идеальному кристаллу, то прочность такого кристалла близка к теоретической. С повышением концентрации дефектов прочность сначала стремительно снижается, а затем начинает снова возрастать, но значительно медленнее. Минимум обычно соответствует реальной прочности чистого металла. Примеси, легирующие добавки, деформация увеличивают концентрацию дефектов и повышают прочность материала.

Была поставлена задача получить бездефектные и достаточно крупные металлические монокристаллы. Однако она не решена до сих пор. Правда, удалось вырастить тонкие, в несколько десятков микрон, и длиной до полутора сантиметров почти бездефектные кристаллы некоторых металлов. Их прочность действительно оказалась во много раз выше обычной. Из таких “усов” были даже изготовлены высокопрочные композиты. Но дальше лабораторий дело пока не пошло: скорость роста “усов” оказалась слишком низкой, а потому цена - слишком высокой.

Третья попытка совершить революцию в металлургии делается сегодня.

Четверть века назад эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла, обнаружили, что в некоторых случаях кристаллическая решетка в металле вообще отсутствует, а расположение атомов характерно для бессструктурного, аморфного тела. Это не было неожиданностью: твердые аморфные тела - стекла получают путем переохлаждения жидкого расплава. Правда, для образования обычных стекол достаточно очень небольшой скорости охлаждения. Для металлов же, чтобы опеределить кристаллизацию, необходимы громадные скорости охлаждения - миллионы градусов в секунду. Такая скорость была достигнута, когда порции расплавленного металла выстреливали в воду, - получались частицы с аморфной, стеклообразной структурой.

Неожиданным оказалось другое: у аморфного металла совсем другие, не сходные свойства с металлом кристаллическим. Нет, металл остается металлом, со всеми характерными для него свойствами - блеском, электропроводностью и т.д. Но он становится в несколько раз прочнее, повышается стойкость к коррозии, меняются электоромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант - модуль упругости. Но главное достоинство нового материала заключается в том, что в нем прекрасно соединяются, уживаются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждении сплав затвердевает, прежде чем компоненты- антагонисты успевают проявить свой антагонизм.

Аморфные сплавы получили название металлических стекол. Интерес к ним стремительно возрастает. Сейчас ставится задача не только получать сплавы с новыми свойствами, но и создавать их промышленную технологию. А здесь еще очень много нерешенных проблем. Первым из полученных металлических. стекол был сплав Аu--Si. Затем удалось получить в аморфном состоянии не только сплавы, но и, некоторые чистые металлы -- от Gе, Те и Вi до ярко выраженных А1, V, Сг, Fе, Ni и других. Для этого потребовались фантастические скорости охлаждения - до 10 10 К/с. Однако аморфное состояние металла оставалось не устойчивым - при нагреве начиналась кристаллизация. Необходимо было найти сплавы с разумными скоростями охлаждения и температурой, с устойчивой аморфной структурой.

На основании этих теоретических представлений металлурги составляют сейчас аморфные сплавы, получая превосходные практические результаты. Уже есть металлические стекла, у которых критическая скорость всего лишь 100 - 200 К/с, а температура стеклования в несколько раз меньше температуры плавления основного компонента. Таковы, например двойной сплав Pd80Si20, с двадцатипроцентной добавкой кремния сплавы Ni80P20, Fe80B20, Au81Si19 и многие другие. Нетрудно заметить, что общее содержание металлоидов во всех этих сплавах около 20 %. Какие же свойства металлических стекол особенно ценны для современной техники?

Прежде всего, исследователей заинтересовали ферромагнитные свойства сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Металлургия готовит для промышленности сотни тысяч тонн специальных электротехнических сталей и сплавов в виде тонкого листа. Из них 95 % составляют армкожелезо, динамные и трансформаторные стали. Из листа набираются сердечники электродвигателей и генераторов, трансформаторов и магнитопроводов. Материалы для сердечников электромашин называют магнитомягкими. Они должны обладать высокой магнитной проницаемостью, высокой индукцией насыщения, значительным удельным электросопротивлением. Это чрезвычайно важно для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи, для повышения к.п.д. электрических машин.

Трансформаторные и другие электротехнические стали - это сплав железа с кремнием. Причем больше 4 % кремния добавлять нельзя, но и при этом металл получается хрупким, плохо прокатывается, легко теряет столь необходимые магнитомягкие свойства. В результате потери в сердечниках обычно достигают 0,3-1 %, падает к.п.д. Правда, есть еще и более магнитомягкие материалы. Это пермаллои - сплавы на основе железа и никеля, которые применяются в магнитофонных головках и других точных приборах. Однако они в десятки раз дороже стали и тоже легко теряют свои свойства при обработке или перегреве. А магнитомягкие свойства металлических стекол оказались на уровне пермаллоев лучших марок, притом эти свойства более стойки и стабильны.

Поскольку ожидаемая стоимость промышленных металлических стекол даже ниже, чем электротехнической стали, то применение нового материала сулит громадные выгоды. У нас в стране производится в год около 1275. млрд. квт-ч электроэнергии. На своем пути до потребителя электрический ток не менее четырех раз проходит через электротехнические устройства -- генераторы, трансформаторы, электродвигатели. И везде потери. Если сократить их вдвое только в сердечниках, это составит экономию 20 млрд. квт-ч. А некоторые марки металлических стекол сокращают потери не в 2, а в 3--4 раза. Так что интерес к новым материалам понятен и оправдан. К этому необходимо еще добавить, что из-за более низкой, чем у сталей, электропроводности для металлических стекол частично или полностью к отпадает необходимость в изоляции пластин в пакетах сердечников. А это означает уменьшение габаритов и повыше-ние к.п.д. электрических машин.

Не менее привлекательны механические свойства металлических стекол. Аморфный металл в среднем в 5--7 раз прочнее своего кристаллического аналога. Например, сплав Fе80В20 имеет прочность на разрыв 370 кгс/мм 2 - в десять раз прочнее железа, вдвое прочнее лучших легированных сталей.

К недостаткам металлических стекол, как и всех стекол вообще, следует отнести их малую пластичность, а также характерное снижение прочности при увеличении скорости нагружения. И все же есть основания считать аморфные сплавы пластичными стеклами: их можно вырубать и резать на полосы в штампах, на полосы и проволоку, можно гнуть и сплетать, поэтому не трудно представить плетенные сетки из аморфного металла вместо арматуры в железобетонных плитах, прочнейшие волокнистые композиты, канаты и многие другие изделия, где уникальная прочность металлических стекол позволит сэкономить тысячи тонн металла.

Полученное при помощи просвечивающего электронного микроскопа изображение разных уровней кристаллизованности аморфного металла

Инженеры из Университета Южной Калифорнии получили новый вид металлического стекла , отличающийся повышенной упругостью. Материал сочетает в себе, кажется, несочетаемые свойства – твёрдость, прочность и эластичность. Материал, получивший технологическое название SAM2X5-630, обладает наивысшей ударной прочностью из всех известных металлических стёкол.

Металлические стёкла, или аморфные металлы - класс металлических твердых тел с аморфной структурой. В отличие от металлов с их кристаллической структурой, таковая у аморфных металлов аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов.


Слева прыгает шарик из нового металлического стекла, справа – из обычной стали

Материал способен выдерживать сильные удары, при этом он не крошится и не ломается, а возвращает первоначальную форму. Потенциал его применения практически безграничен – начиная от свёрл и бронежилетов и заканчивая имплантатами для укрепления костей и защитой космических спутников.

Обычно аморфные металлы получают нагреванием до 630 °C, а затем очень быстрым (порядка градуса в секунду) охлаждением. Материал SAM2X5-630 был получен нагреванием порошкообразного состава на основе железа (Fe 49.7 Cr 17.7 Mn 1.9 Mo 7.4 W 1.6 B 15.2 C 3.8 Si 2.4).

Уникальные свойства металла происходят из удачной находки сочетания температуры нагревания и скорости охлаждения – именно такие условия, которые испытал полученный состав, приводят к образованию локальных очагов слабо выраженной кристаллической структуры. Другие условия нагрева или охлаждения приводят к получению полностью аморфных металлов со случайным расположением атомов.

«У него почти нет внутренней структуры, и в этом он похож на стекло, но при этом встречаются регионы с кристаллизацией,- говорит Вероника Эльясон , ассистент-профессор из Инженерной школы им.Витерби при университете, и ведущий автор работы. – Мы пока понятия не имеем, почему небольшое количество кристаллизировавшихся участков в металлических стёклах приводят к таким сильным различиям в реакциях на удар».

Динамический предел упругости Гюгонио (максимальное воздействие, которое материал выдерживает без необратимой деформации), был определён для SAM2X5-630 в районе 12 ГПа. У нержавеющей стали этот показатель равен 0,2 ГПа, у карбида вольфрама (используемого для создания твёрдых инструментов и сердечников бронебойных пуль) – 4,5 ГПа, у алмазов – до 60 ГПа.

Изучение аморфных металлов началось в 1960 году в Калифорнийском технологическом институте – группой учёных было получено первое металлическое стекло Au 75 Si 25 . С тех пор было получено множество подобных материалов с интересными свойствами, однако пока область их практического применения нельзя назвать широкой из-за их высокой стоимости.

Например, полученный недавно в Японии Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 - неканцерогенный, в три раза прочнее титана, мало изнашивается, при трении не образует порошок, а по модулю продольной упругости практически совпадает с человеческими костями – в потенциале его можно будет использовать как прекрасную искусственную замену суставов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

металлический сплав стекло

Введение

1. Металлические стёкла

2. Состав, структура, свойства

3. Механические свойства металлических стекол

4. Область применения

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Прочность и пластичность являются актуальными направлениями исследований механики разрушения. Данные области механики деформируемого твердого тела интенсивно развиваются в большой мере в связи с всё возрастающими запросами промышленности, из-за чего роль новых материалов и технологий с каждым годом возрастает. Их разработка, получение и изучение свойств является объективной необходимостью развития человеческого общества.

Открытие электропластического эффекта на металлах привело к более глубокому пониманию механизма пластической деформации. Появилась возможность управлять механическими свойствами металлических материалов.

В экспериментах с импульсным током было обнаружено увеличение пластичности и уменьшение хрупкости металла. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений. Электропластический эффект линейно зависит от плотности тока, наиболее выражен при импульсном токе, а при переменном токе отсутствует.

Целесообразность расширения использования электропластического эффекта стала очевидной, так как его применение снижает энергетические затраты, а значит и экономические. В частности, в промышленности различные материалы широко используются в электрических полях, вследствие чего их механические характеристики меняются.

Физические свойства металлических стекол (высокая прочность в сочетании с пластичностью, высокая твердость, коррозионная стойкость, стойкость к истиранию и удельное электросопротивление и др.) определяются не только химическим составом, но и структурным состоянием этих материалов.

Массовое использование аморфных металлических сплавов, работающих в электрических полях, ставит задачи по изучению их механических свойств в условиях действия импульсного электрического тока.

1. Металлические стёкла

Стекловидные металлы, метглассы, металлич. Сплавы в стеклообразном состоянии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлического расплава (скорость охлаждения 106 К/с). Быстрый теплоотвод достигается, если, по крайней мере, один из размеров изготовляемого образца достаточно мал (фольга, лента, проволока). Расплющиванием капли расплава между охлаждаемыми наковальнями получают фольгушириной 15 -- 25 мм и толщиной 40--70 мкм, а охлаждением на вращающемся барабане (диске) или прокаткой струи между двумя валками -- ленту шириной 3--6 мм и толщиной 40--100 мкм. Выдавливанием расплава в охлаждённую жидкость могут быть изготовлены в виде проволоки.

Изучение металлических стёкл позволяет исследовать природу металлических, магнитных и другие свойства твёрдых тел.

Высокая прочность (приближается к теоретическому пределу для кристаллов) в сочетании с большой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью делает металлические стёкла перспективными упрочняющими элементами для материалов и изделий.

Некоторые металлические стёкла например Fe80B20 --ферромагнетики с очень низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью, что обусловливает их применение в качестве магнитно-мягких материалов. Другой важный класс аморфных магнитных материалов -- сплавы редких земель с переходными металлами. Перспективно использование электрических и акустических свойств металлических стёкл (высокое и слабо зависящее от температуры, электричества, сопротивления, слабое поглащение вука).

В 90х объемные металлические стекла (ОМС) с размером > 1 мм в каждом из 3х пространственных измерений (Рис. 1) удалось получить на базе широко распространенных металлов: магния, титана, меди, железа и т.д. в двойных, тройных, четверных и многокомпонентных сплавах.

Рис. 1. Образцы отливок объемные металлические стекла (оптическое изображение)

Статистический анализ имеющейся информации по ОМС показал рост их стеклообразующей способности от двойных к тройным и четверным сплавам.

2. Состав, структура, свойства

Состав металлических стёкл равен 80% переходных (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Pr и др.) или благородных металлов и около 20% поливалентных неметаллов (В, С, N, Si, P, Ge и др.), играющих роль стекло-образующих элементов. Примеры-- бинарные сплавы Au81Si19, Pd81Si19 и Fe80B20) и псевдобинарные сплавы, состоящие из 3--5 и более компонентов. Металлические стёкла -- метастабильные системы, которые кристаллизуются при нагревании до температуры, равной Ѕ температуры плавления.

Aтомная структура стёкол демонстрирующая отсутствие дальнего порядка в расположении атомов (Рис. 2) определяют их свойства, в частности механические. По величине прочности и удельной прочности они значительно превосходят соответствующие кристаллические сплавы из-за невозможности использования механизмов аккомодационной деформации дислокационного или двойникового типа. Условный предел текучести объемных металлических стёкл достигает ~2 GPa для объемных металлических стёкл на основе Cu, Ti и Zr, ~3 GPa на основе Ni, ~4 GPa на основе Fe, ~5 GPa на основе Fe и Co, а также 6 GРa для кобальтовых сплавов. Структура металлического стекла также обеспечивает упругую деформацию до 2 %, что в сочетании с высоким пределом текучести обуславливает большие значения запасенной энергии упругой деформации (показатели уy2/E и уy2/сЕ, где уy, с и Е - предел текучести, плотность и модуль Юнга, соответственно). Следует отметить, что недавние исследования указывают наличие атомных кластеров в объемных металлических стёкл.

Рис. 2. Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и картины дифракции от выбранной области субмикроскопического размера (SAED) и наноразмера (NBD). Заметно отсутствие дальнего порядка в расположении атомов. Размер областей рассеяния показан кругами условно. (В России изучением структуры занимаются, в частности, А.С. Аронин и Г.Е. Абросимова)

Объемные металлические стекла обладают не только высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и большими значениями упругой деформации до начала пластической деформации, но и высоким сопротивлением коррозии, включая самопроизвольную пассивацию в некоторых растворах. Высокая твердость, износостойкость, качество поверхности объемных металлических стёкл, а также текучесть при нагреве определяет их применение в микромашинах в качестве механизмов передач (шестеренок), компонентов высокоточных механических систем. Объёмные металлические стекла на основе железа и кобальта с намагниченностью насыщения до 1.5 T имеют рекордно низкие значения коэрцитивной силы менее 1 А/м и активно используются как магнитомягкие материалы. Следует отметить, что в России металлическими стеклами на основе железа и кобальта занимались такие ученые как А.М. Глезер, С.Д. Калошкин и многие другие. Явление стеклования, наблюдаемое при переходе из жидкости в стекло и расстекловывания при нагреве, является одной из самых важных не до конца решенных проблем физики твердого тела. А именно, являются ли аморфная и жидкая фазы одной и той же фазой, только наблюдаемой при разных температурах, или же имеет место фазовый переход из жидкого состояния в аморфное и обратно, и если это так, то какого рода этот фазовый переход? Некоторые успехи достигнуты с использованием компьютерного моделирования, но полной ясности еще нет.

Пластическое течение в металлических стеклах осуществляется в виде сильно локализованных сдвиговых деформационных полос. В случае, когда механические условия таковы, что удается избежать катастрофической нестабильности процесса, имеются множественные полосы сдвига при одноосном сжатии, изгибе, прокатке и протяжке, а также при локализованном индентировании.

Деформации в отдельных полосах исключительно велики. При исследовании поверхностных реплик с подвергшихся резкому изгибу лент Pd80Si20 с помощью трансмиссионной электронной микроскопии Масумото и Маддин наблюдали полосы сдвига шириной ~ 200 Е. С помощью интерференционной микроскопии на поверхности были обнаружены связанные с ними ступеньки высотой до 2000 ?, что свидетельствует о сдвиговых деформациях в полосе. Такие полосы появляются задолго до разрушения, следовательно, сдвиговая деформация разрушения материала превышает значение 200 Е. Способность выдерживать большие деформации связана с отсутствием жесткой пространственной направленности связей структуры или с тем, что аморфная матрица относительно свободна от таких макроскопических дефектов, как поры, оксидные включения, отдельные кристаллики и т.д. Первое объясняет пластичность металлических стекол по сравнению с другими неорганическими стеклами типа диоксида кремния, имеющими ковалентные связи; второе объясняет наличие более локализованной пластичности металлических стекол в сравнении с пластичностью при изгибе стальных листов.

Сильная локализованная сдвиговая деформация уже сама по себе свидетельствует об отсутствии деформационного упрочнения в металлических стеклах. Дополнительное подтверждение этому дают испытания на сжатие, выполненные Пампилло и Ченом на аморфном сплаве Pd77,5Cu6Si16,5. Стекло этого состава аморфизуется, что позволяет получать стержни большого диаметра (~ 2 мм), удобные для проведения испытаний на сжатие. Образцы подвергались сжатию до появления полос деформации. После этого они подверглись полировке для удаления образованных полосами ступенек на их поверхности и впоследствии были снова нагружены.

Оказалось, что полосы, возникшие после первого нагружения, проявились снова, хотя концентраторов напряжений, связанных со ступеньками скольжения на поверхности, не было. Этого не было бы при наличии деформационного упрочнения полос. Форма кривых «напряжение - деформация» свидетельствует об отсутствии деформационного упрочнения: напряжение, необходимое для пластического течения, сохраняется приблизительно постоянным.

3. Механические свойства металлических стекол

Вследствие отсутствия деформационного упрочнения деформация стекол в режиме одноосного растяжения механически нестабильна, пластическое течение перерастает в разрушение. Для проволок растяжение создает катастрофическую сдвиговую неустойчивость. В случае лент, чтобы исключить надрыв, проявлению подобной неустойчивости предшествует образование шейки. При этом шейку трудно обнаружить, хотя ориентировка сдвига ясно указывает на ее существование, а при более высоких температурах образуется более развитая шейка и легко наблюдаемая.

Для лент металлических стекол с постоянным поперечным сечением при растяжении типично разрушение путем распространения надрыва, характерное для тонких полос высокопрочных материалов. Разрушение начинается обычно в захватах вследствие существующих там концентраций напряжений. Надрыв распространяется аналогично винтовой дислокации в плоскости, ориентированной под углом ~ 45° по отношению к оси растяжения и нормали к поверхности ленты. В пластической зоне, примыкающей к трещине, осуществляется локализованная сдвиговая деформации, и по деформированному материалу происходит сдвиговый разрыв.

В радиально симметричном образце тенденция к надрыву устранена, и разрушение происходит одновременно со сдвиговой нестабильностью. По всему поперечному сечению образца под углом 45° к оси растяжения развивается исключительно сильная полоса сдвига, по которой и происходит сдвиговой разрыв.

На поверхности разрушения стекол обычно наблюдается небольшая гладкая область, соответствующая начальному сдвигу. Остальная часть поверхности отмечена "венообразным узором", который впервые наблюдал и описал Лими. Используя стереосканирующую электронную микроскопию, Лими с сотрудниками установили, что вены представляют собой выступы на плоском фоне. В материале зарождаются и распространяются по полосе сдвига сдвиговые дискообразные трещины. Там, где они встречаются, материал разрушается путем образования внутренних шеек, в результате чего появляются плавно закругляющиеся "вены". Образование сдвиговых дискообразных трещин происходит с участием дилатации (расширения или сжатия) образца. Это подтверждается тем фактом, что при растяжении аморфной проволоки в условиях наложенного гидростатического давления трещина возникает предпочтительно на наружной периферии зоны сдвига. В этом случае на поверхности разрушения преобладает семейство тесно расположенных, приблизительно параллельных вен, ориентированных перпендикулярно направлению сдвига. Короткие сегменты трещин распространяются как винтовые компоненты дислокационной петли, оставляя позади себя вены, которые являются аналогами диполей краевых дислокаций.

Окончательное разрушение проволоки, испытываемой на усталость, происходит всегда одновременно с общим течением по оставшейся части сечения, по которой еще не распространилась усталостная трещина. Разрушение ленты с базой происходит таким же образом, если прикладываемое растягивающее напряжение составляет приблизительно 99% от напряжения течения. В случае меньших уровней напряжений разрушение происходит под углом 45°. В последнем случае в центральной части сечения непосредственно перед усталостной трещиной имеет место трехосное напряженное состояние. Поверхность катастрофического разрушения ориентирована под углом 90° к оси растяжения. Макроскопически такое разрушение носит хрупкий характер. При этом усталостная трещина распространяется от места своего зарождения по площади, представляющей собой полуокружность. После этого происходит быстрое разрушение. Для поверхности разрушения, ориентированной под углом 90° к оси растяжения, характерен классический V-образный "шевронный" узор, линии которого ориентированы к месту образования трещины. При более подробном рассмотрении поверхности разрушения шевроны имеют пилообразную форму с поверхностями, расположенными наклонно по отношению к оси растяжения. Детальное изучение этих поверхностей показало, что они покрыты тонкой сеткой равноосного "венообразного" узора. Это свидетельствует о том, что даже при макроскопических условиях плоской деформации локальное разрушение происходит сдвиговым путем.

4. Область применения

Интерес к металлическим стеклам был инициирован, прежде всего, возможностями их применения в технике, основанными на необычных свойствах этих материалов.

Механические свойства металлических стёкол позволяют применять их в качестве упрочняющих нитей в композитных материалах, используемых в строительстве, аэронавтике и спорте, а также для армирования бетона и подобных материалов. Прочные ленты могут быть использованы в качестве намотки для упрочнения сосудов высокого давления или для построения больших маховых колес, используемых для аккумулирования энергии. Высокая твердость и отсутствие границ зерен позволяют получать отличные режущие кромки, в частности бритвенных лезвий. Могут найти применение некоторые виды пружин, изготовленных из металлических стекол.

Магнитные свойства, металлических стекол открывают возможность их применения в качестве материалов для сердечников индуктивных составляющих электронных схем, в силовых трансформаторах, где они могут заменить обычные сплавы Fe-Si с ориентированными зернами, а также в двигателях, в качестве магнито - мягких материалов для магнитного экранирования, в качестве записывающих магнитных головок, датчиков, возбудителей механических фильтров и линий задержки.

Благодаря своим электрическим свойствам металлические стекла могут применяться, например, в качестве термометров сопротивления и нагревателей при низких температурах и прецизионных резисторов с нулевым температурным коэффициентом сопротивления. Сверхпроводящие ленты из металлического стекла нечувствительны к радиационным повреждениям и, следовательно, могут оказаться предпочтительными для применений в технике термоядерного синтеза.

Хорошее сопротивление коррозии делает их очень ценными для химии, хирургии, биомедицины. Однако для таких применений в общем случае металлические стекла должны иметь не лентообразную, а какую-то другую форму.

Возможны также другие применения металлических стекол, например, в качестве фольги для пайки твердым припоем, эмиссионных катодов, плавких предохранителей и аккумуляторов водорода.

Заключение

Первоначально металлические стекла были предметом лишь научного интереса, как новое, необычное состояние твердого тела, однако сейчас они интенсивно используются в промышленности.

Появление металлических стекол (сплавов с низкой критической скоростью охлаждения, позволяющей получать в аморфном состоянии слитки весом до 1 кг и более) создало перспективу их применения и в качестве конструкционных материалов. У металлических стекол есть и недостатки. Они имеют довольно малую пластичность, а также теряют прочность при повышении скорости нагрузки. Однако все же аморфные сплавы можно считать пластичными стеклами: их можно подвергать вырубке и резке на полосы в штампах, на проволоку, их можно сплести и согнуть. Их них можно изготовить плетеные сетки, которые удачно заменят арматуру в железобетонных плитах, канаты, прочные волокнистые композиты и самые разные изделия, что позволит сэкономить огромное количество металла.

Список используемой литературы

1. Гилман Д.Д., Лими Х.Д. Металлические стекла. М.: Металлургия. 1984. 264с.

2. Бобров О. Л. , Лаптев С.Н. , Хоник В.А. Релаксация напряжений в массивном металлическом стекле Zr52.5Ti5CU17.9Ni14.6 AII0 // ФТТ. 2004. Т. 46. Вып. 6. С. 457 - 460.

3. Кожушка А.А., Синани А.Б. Скорость нагружения и хрупкость твердых тел. // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 5. С. 812 - 815.

4. Альшиц В.И., Даринская Е.В., Колдаева М.В., Петржик Е.А. Магнитопластический эффект: основные свойства и физические механизмы // Кристаллография. 2003. Т. 48. Вып. 2. С. 826-854.

5. Моргунов Р.Б., Баскаков А.А., Трофимов И.Н., Якунин Д.В. Роль термоактивируемых процессов в формировании магниточувствительных комплексов точечных дефектов в монокристаллах NaCl: Eu // ФТТ. 2003. Т. 45. Вып. 2. С. 257-258.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов. Диаграммы состояния конструкционных материалов. Физико-механические свойства и применение пластических масс, сравнение металлических и полимерных материалов.

учебное пособие , добавлен 13.11.2013


Достоинства и недостатки металлических конструкций. Классификация нагрузок и воздействий. Области применения и номенклатура металлических конструкций. Физико-механические свойства стали. Расчет металлических конструкций гражданских и промышленных зданий.

презентация , добавлен 23.02.2015


Краткий обзор и характеристики твердых материалов. Группы металлических и неметаллических твердых материалов. Сущность, формирования строения и механические свойства твердых сплавов. Производство и применение непокрытых и покрытых твердых сплавов.

реферат , добавлен 19.07.2010


Изучение методики построения диаграмм состояния металлических сплавов. Исследование физических процессов и превращений, протекающих при кристаллизации сплавов. Виды термической обработки. Анализ влияния температуры на растворимость химических компонентов.

контрольная работа , добавлен 21.11.2013


Улучшение эксплуатационных и технологических свойств металлического материала благодаря сплаву металлов. Фазы металлических сплавов. Диаграммы фазового равновесия. Состояние сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

реферат , добавлен 31.07.2009


Понятие о металлических сплавах. Виды двойных сплавов. Продукты, образующиеся при взаимодействии компонентов сплава в условиях термодинамического равновесия. Диаграммы состояния двойных сплавов, характер изменения свойств в зависимости от их состава.

контрольная работа , добавлен 08.12.2013


Аустенитные и азотосодержащие коррозионно-стойкие стали: способы получения, технология производства, выплавка, термомеханическая обработка, основные свойства. Метод электрошлакового переплава металлических электродов в водоохлаждаемый кристаллизатор.

дипломная работа , добавлен 19.06.2011


Основные сорта стекол, применяемые при машинном изготовлении стеклянных трубок. Возможные соединения керамических материалов с соответствующими сортами стекла. Обработка поверхности стекол. Его сверление и резание. Травление стекла и плавленого кварца.

реферат , добавлен 28.09.2009


Материалы для получения искусственной стекольной массы. Технология варки стекла. Физические, механические, термические и электрические свойства. Газопроницаемость и обезгаживание стекол. Химическая стойкость. Исходные материалы для стеклодувных работ.

курсовая работа , добавлен 11.07.2009


Производство металлических пен из расплавов металлов. Свойства пеноалюминия и пеноникеля. Применение металлических пен в машиностроении, космических технологиях, строительстве и медицине. Их использование для уменьшения концентрации нежелательных ионов.

Именно такой материал, для которого энергия образования сдвиговых полос будет много меньше энергии, необходимой для их превращения в трещины, и пытались создать авторы. Перепробовав множество вариантов, они остановились на сплаве палладия, фосфора, кремния и германия, позволявшем получить стеклянные стержни диаметром около 1 мм. При добавлении серебра диаметр удалось увеличить до 6 мм; размер образцов, заметим, ограничивается тем, что исходный расплав требует очень быстрого охлаждения.

«Смешивая пять элементов, мы добиваемся того, что материал при охлаждении «не знает», какую кристаллическую структуру принять, и выбирает аморфную», — поясняет один из участников исследования Роберт Ритчи. Эксперименты показали, что такое металлическое стекло действительно сочетает присущую стёклам твёрдость с характерным для металлов сопротивлением развитию трещин.

Нетрудно предсказать, что на практике новый материал, содержащий чрезвычайно дорогой палладий, будет использоваться редко — возможно, для изготовления зубных или каких-либо других медицинских имплантатов.

«К сожалению, мы пока не определили, почему наш сплав имеет столь привлекательные характеристики, — говорит ещё один участник работ Мариос Деметриу. — Если нам это удастся, можно будет попробовать создать удешевлённый вариант стекла на основе меди, железа или алюминия».

Металлические стекла, или аморфные металлы, это новые технологические сплавы, структура которых не кристаллическая, а скорее, неорганизованная, атомы в которой занимают до некоторой степени случайное расположение. В этом смысле металлические стекла похожи на такие оксидные стекла, как известково-натриевые стекла, используемые для окон и бутылок.

С определенной точки зрения аморфная структура металлических стекол обусловливает два важных свойства. Во-первых, как и другие виды стекол, они претерпевают переход стекла в переохлажденное жидкое состояние при нагревании. В этом состоянии растекаемость стекла может регулироваться по многим параметрам, создавая тем самым большое число возможных форм, придаваемых стеклу. Например, компания Liquidmetal Technologies изготовила короткую клюшку для гольфа.

Во-вторых, аморфная атомная структура означает, что металлическое стекло не имеет дефектов кристаллической решётки, так называемые дислокации, которые влияют на многие прочностные свойства большинства обычных сплавов. Наиболее очевидным следствием этого является большая твердость металлических стекол, чем у их кристаллических аналогов. К тому же металлические стекла менее жесткие, чем кристаллические сплавы. Сочетание высокой твердости и низкой жесткости придают металлическим стеклам высокую упругость - способность аккумулировать энергию упругой деформации и высвобождать ее.

Еще одно следствие аморфной структуры в том, что в отличие от кристаллических сплавов, металлические стекла ослаблены из-за деформации. «Деформационное разуплотнение» вызывает концентрацию деформации в очень узких полосах скольжения, просвечивающей электронной микроскопии.

Металлическое стекло или прозрачный металл?

В Калифорнийском технологическом институте разработан новый метод изготовления чрезвычайно перспективных конструкционных материалов - объемных металлических стекол. Они представляют из себя сплавы нескольких металлов, не имеющие кристаллической структуры. В этом они похожи на обычное стекло - отсюда и название. Металлическое стекло возникает при очень быстром охлаждении расплавов, из-за которого те просто не успевают кристаллизоваться и сохраняют аморфную структуру. Сначала таким способом научились получать тонкие ленты металлических стекол, которые легче заставить быстро терять температуру. Объемные металлические стекла изготовлять куда труднее.

Металлические стекла обладают множеством достоинств. Кристаллические решетки обычных металлов и сплавов всегда содержат те или иные структурные дефекты, которые снижают их механические качества. В металлических стеклах таких дефектов нет и не может быть, поэтому они отличаются особой твердостью. Некоторые металлические стекла к тому же сопротивляются коррозии даже лучше нержавеющей стали. Поэтому специалисты полагают, что эти материалы ожидает блестящее будущее.

До сих пор объемные металлические стекла имели один крупный недостаток - низкую пластичность. Они хорошо выдерживают изгибы и сжатия, но ломаются при растяжении. Теперь Даглас Хоффман и его коллеги изобрели технологию изготовления объемных металлических стекол на основе сплавов титана, циркония, ниобия, меди и бериллия, которая приводит к рождению материалов, не уступающих по прочности лучшим титановым и стальным сплавам.

Разработчики полагают, что сначала они найдут применение в авиакосмической индустрии, а потом, когда удастся снизить их себестоимость, и в других отраслях.

Металлическое стекло как победить хрупкость

Под сканирующим электронным микроскопом хорошо видна ступенчатая структура полосы сдвига.

По краям трещин формируются аналогичные полосы сдвига, что приводит к разрушению вершины трещины и препятствует её дальнейшему росту.

Благодаря своей аморфной структуре металлические стекла могут быть прочными, как сталь, и пластичными, как полимерные материалы, они способны проводить электрический ток и обладают высокой коррозионной стойкостью. Такие материалы могли бы получить широкое распространение при изготовлении медицинских имплантатов и разнообразных электронных устройств, если бы не одно неприятное свойство: хрупкость. Металлические стекла, как правило, являются ломкими и неравномерно сопротивляются усталостным нагрузкам, что ставит под вопрос их надежность. Использование многокомпонентных аморфных металлов решает эту проблему, однако для монолитных металлических стекол она до сих пор актуальна.

В рамках нового исследования. проведенного совместно учеными из Лаборатории Беркли и Калифорнийского технологического института, был найден способ повысить усталостную прочность объемных металлических стекол. Объемное металлическое стекло на основе палладия, подвергнутое усталостным нагрузкам, проявило себя ничуть не хуже, чем лучшие из композитных металлических стекол. Его усталостная прочность сравнима с этим показателем для широко используемых поликристаллических конструкционных металлов и сплавов, таких как сталь, алюминий и титан.

Под нагрузкой на поверхности палладиевого металлического стекла образуется полоса сдвига локальная область значительной деформации, которая принимает ступенчатую форму. При этом по краям трещин, разделяющих ступени, возникают такие же полосы сдвига, что притупляет вершины трещин и препятствует их дальнейшему распространению.

Палладий характеризуется высоким соотношением модулей объемного сжатия и сдвига. что скрадывает присущую стеклообразным материалам хрупкость, поскольку образование многоуровневых полос сдвига, препятствующих дальнейшему росту трещин, оказывается энергетически более выгодным, чем формирование крупных трещин, приводящих к быстрому разрушению образца. Вкупе с высоким пределом выносливости материала эти механизмы значительно повышают усталостную прочность объемного металлического стекла на основе палладия.

Некристаллический металл или сплав, обычно получаемый переохлаждением расплавленного сплава посредством осаждения из газовой фазы или жидкой фазы или внешними методами воздействия.

Источники: www.nanonewsnet.ru, tran.su, www.razgovorium.ru, www.popmech.ru, enc-dic.com

Невская битва 1240 — Невская битва 1240, сражение русских и шведских войск на берегу р. Нева 15 июля 1240. Целью...

Харибда

В древнегреческой мифологии Сцилла и Харибда были морскими чудовищами. Согласно «Одиссее» Гомера, Сцилла и Харибда...

Причины начала Первой мировой войны

В мировой истории существует много различных событий, которые меняли суть самой истории. В каждый исторический период происходило...

Формирование и распространение полос сдвига на поверхности образца металлического стекла (Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2)

Под сканирующим электронным микроскопом хорошо видна ступенчатая структура полосы сдвига.

По краям трещин формируются аналогичные полосы сдвига, что приводит к разрушению вершины трещины и препятствует её дальнейшему росту.

Благодаря своей аморфной структуре металлические стекла могут быть прочными, как сталь, и пластичными, как полимерные материалы, они способны проводить электрический ток и обладают высокой коррозионной стойкостью. Такие материалы могли бы получить широкое распространение при изготовлении медицинских имплантатов и разнообразных электронных устройств, если бы не одно неприятное свойство: хрупкость. Металлические стекла, как правило, являются ломкими и неравномерно сопротивляются усталостным нагрузкам, что ставит под вопрос их надежность. Использование многокомпонентных аморфных металлов (композитов) решает эту проблему, однако для монолитных металлических стекол она до сих пор актуальна.

В рамках нового исследования , проведенного совместно учеными из Лаборатории Беркли и Калифорнийского технологического института, был найден способ повысить усталостную прочность объемных металлических стекол. Объемное металлическое стекло на основе палладия, подвергнутое усталостным нагрузкам, проявило себя ничуть не хуже, чем лучшие из композитных металлических стекол. Его усталостная прочность сравнима с этим показателем для широко используемых поликристаллических конструкционных металлов и сплавов, таких как сталь, алюминий и титан.

Под нагрузкой на поверхности палладиевого металлического стекла образуется полоса сдвига — локальная область значительной деформации, которая принимает ступенчатую форму. При этом по краям трещин, разделяющих «ступени», возникают такие же полосы сдвига, что притупляет вершины трещин и препятствует их дальнейшему распространению.

Палладий характеризуется высоким соотношением модулей объемного сжатия и сдвига , что скрадывает присущую стеклообразным материалам хрупкость, поскольку образование «многоуровневых» полос сдвига, препятствующих дальнейшему росту трещин, оказывается энергетически более выгодным, чем формирование крупных трещин, приводящих к быстрому разрушению образца. Вкупе с высоким