Они бывают металлические и стеклянные. Металлическое стекло и способ получения металлического стекла

Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные метал­лы, метглассы) - металлические сплавы в стеклообразном состоянии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлического рас­плава, когда быстрым охлаждением предотвращена кристаллизация (скорость охлаждения < 10 6 К/с).

Металлические стекла - метастабильные системы, которые кристаллизуются при нагревании до температуры ~ 1/2 t пл. Нагрев, когда подвижность атомов возрастает, постепенно приводит аморф­ный сплав через ряд метастабильных состояний в стабильное кри­сталлическое состояние. Многие металлические стекла испытывают структурную релаксацию уже при температуре чуть выше комнатной. Наложение деформирующего напряжения усиливает диффузионную подвижность и связанную с ней структурную перестройку сплавов.

Состав металлических стекол чаще всего выражается форму­лой М 80 Х 20 , где М - переходные (Cr, Mn, Fe, Co, Ni и др.) или благо­родные металлы, а X - поливалентные неметаллы (В, С, N, Si, P, Ge и др.), являющиеся стеклообразующими элементами.

Металлические стекла отличаются от кристаллических сплавов отсутствием таких дефектов структуры, как вакансии, дислокации, границы зерен, и уникальной химической однородностью: отсутству­ет ликвация, весь сплав однофазен.

Особенности строения металлических стекол обусловливают отсутствие характерной для кристаллов анизотропии свойств, высо­кую прочность, коррозионную стойкость и магнитную проницае­мость, малые потери на перемагничивание.

Физико-химические свойства металлических стекол значитель­но отличаются от свойств литых сплавов. Характерными особенно­стями потребительских свойств металлических стекол являются высо­кая прочность в сочетании с большой пластичностью и высокой коррозионной стойко­стью. Некоторые металлические стекла - ферромагнетики с очень низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью (например, Fe 80 B 20), а для других характерно очень слабое поглоще­ние звука (сплавы редкоземельных металлов с переходными металла­ми). Наиболее широкое применение металлические стекла нашли бла­годаря магнитным и коррозионным свойствам.

Магнитно-мягкие металлические стекла изготавливают на ос­нове Fe, Co, Ni с добавками 15...20 % аморфообразующих элементов B, С, Si, P. Например, Fe 81 Si 3 , 5B 13 , 5C 2 имеют высокое значение маг­нитной индукции (1,6 Тл) и низкое значение коэрцитивной силы (32...35 мА/см). Аморфный сплав Co 66 Fe 4 (Mo, Si, В) 30 имеет сравни­тельно небольшое значение магнитной индукции (0,55 Тл), но высо­кие механические свойства (900... 1000 HV).

Высоким сопротивлением коррозии обладают только стабиль­ные аморфные сплавы. Так, для изготовления коррозионно-стойккх деталей используют металлические стекла на основе железа и никеля, содержащие не менее 3...5 % хрома и некоторые другие элементы. Критическая концентрация хрома, обеспечивающая стабильность аморфного сплава, определяется соотношением между легирующими элементами сплава и активностью коррозионной среды. Сопротивление металлических стекол коррозии снижают процессы, усиливающие химическую неоднородность, а именно:

· появление флуктуации химического состава; разделение исходной аморфной фазы на две другие аморфные фазы или фазы с другим химическим составом;

· переход аморфной фазы в двух- или многофазную смесь кри­сталлов разного химического состава;

· образование кристаллической фазы того же химического со­става, что и окружающая матрица.

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 фольгу шириной 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 могут быть изготовлены М. с. в виде проволоки.

Состав М. с.: = 80% переходных (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Pr и др.) или благородных металлов и ок. 20% поливалентных неметаллов (В, С, N, Si, P, Ge и др.), играющих роль стеклообразующих элементов. Примеры - бинарные сплавы (Au81Si19, Pd81Si19 и Fe80B20) и псевдобинарные сплавы, состоящие из 3-5 и более компонентов. М. с.- метастабильные системы, к-рые кристаллизуются при нагревании до темп-ры, равной ок. 1/2 темп-ры плавления.

Изучение М. с. позволяет исследовать природу металлич., магн. и др. св-в тв. тел. Высокая (приближается к теор. пределу для кристаллов) в сочетании с большой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью делает М. с. перспективными упрочняющими элементами для материалов и изделий. Нек-рые М. с. (напр., Fe80B20) - ферромагнетики с очень низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью, что обусловливает их применение в качестве магнитно-мягких материалов. Другой важный класс аморфных магн. материалов - сплавы редких земель с переходными металлами. Перспективно использование электрич. и акустич. св-в М. с. (высокое и слабо зависящее от темп-ры электрич. сопротивление, слабое вука).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА

(метглассы) - разновидность аморфных металлов, аморфные сплавы с ме-таллич. типом проводимости, к-рые не имеют дальнего порядка в пространств, расположении атомов и характеризуются макроскопич. коэф. сдвиговой вязкости Па. Их изготавливают в виде плёнок, лент и проволок с помощью спец. техн. приёмов (закалка из расплава при типичных скоростях охлаждения ~10 в К/с, термич. напыление или в вакууме на охлаждаемую подложку и т. д.), к-рые ведут к быстрому затвердеванию сплавляемых компонентов в относительно узком температурном интервале около т. н. температуры стеклования T g .

M. с. обладают уникальным сочетанием высоких ме-ханич., магн., электрич. и коррозионных свойств .

M. с. исключительно тверды и обладают высокой прочностью на ; напр., s у для M. с. Fe 80 B 20 достигает 3,6-10° Н/м 2 (370кгс/мм 2) , что намного превосходит значение s у лучших сталей; по этой причине M. с. применяют для армировки в композиц. материалах (композитах).

По магн. свойствам M. с. подразделяются на два технологически важных класса. M. с. класса "ферромагнитный переходный металл (Fe, Со, Ni, в количестве 75-85%)-неметалл (В, С, Si, Р- 15-25%)" являются магнитно-мягкими материалами с незначительной коэрцитивной силой Н с ввиду отсутствия магн.-кристаллич. анизотропии ( макроскопич. магнитная анизотропия обусловлена при ненулевой магнитострикции внутр. или внеш. напряжениями, к-рые могут быть снижены при отжиге, а также наведённой анизотропией в расположении соседних атомов). Магнитная атомная структура осн. таких систем может быть представлена в виде совокупности параллельно ориентированных локализованных магн. моментов при отсутствии трансляц. периодичности в их пространств, размещении, причём благодаря эффектам локального окружения магн. ионов по своей величине могут флуктуировать (см. Аморфные магнетики). M. с. этого класса имеют почти прямоугольную петлю гистерезиса магнитного с высоким значением индукции насыщения B s , что в сочетании с высоким уд. электрич. сопротивлением r и, следовательно, низкими потерями на делает M. с. по сравнению с электротехн. сталями более предпочтительными при применении, напр., в трансформаторах .

Сравнительные характеристики нек-рых кристаллич. и зарубежных аморфных магнитно-мягких сплавов (а также одного из отечеств. M. с. 94 ЖСР - А на основе железа ) приведены в таблице.

M. с. класса "редкоземельный элемент - переходный d- металл", обычно приготавливаемые в виде плёнок с помощью катодного распыления, в ряде случаев (Gd - Со, Gd - Fe) обнаруживают коллинеарную ферромагн. структуру со свойствами, перспективными для создания устройств с памятью на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), напр, низкой намагниченностью насыщения M s и высокой анизотропией, перпендикулярной плоскости плёнки . В большинстве др. случаев сильная локальная одноионная со случайным распределением осей лёгкого намагничивания, присущая редкоземельным ионам с ненулевым орбитальным моментом, обычно приводит в M. с. этого класса к хао-тич. неколлинеарной структуре типа спинового стекла.

Сравнительная характеристика некоторых магнитно-мягких кристаллических и аморфных сплавов (при 300 К) .

* T с - температура перехода в парамагнитное состояние (Кюри точка).

** Метгласс - зарегистрированная торговая марка корпорации Allied Chemical Corporation.

Из электрич. свойств M. с. наиб, существенны большая величина остаточного электрич. сопротивления (обычно в 2-4 раза больше, чем у кристаллич. аналогов) и малое значение температурного коэф. сопротивления (вне температурного интервала протекания процессов структурной релаксации и кристаллизации).

Ряд M. с. класса "переходный металл - неметалл" с добавками Cr и P обнаруживает исключит, коррозионную стойкость в агрессивных средах, превышающую на неск. порядков стойкость нержавеющих сталей . Неупорядоченность атомной структуры M. с. является также причиной высокой стойкости их свойств к воздействию радиации.

Аморфная структура M. с., являясь метастабильной, обладает очень большим временем жизни. Напр., оценки временного интервала эксплуатации, определяемого началом процесса кристаллизации, дают для одного из наименее стабильных M. с.ок. 550 лет при 175 0 C и 25 лет при 200 0 C .

Своеобразие физ. свойств M. с. является следствием аморфности их структуры (её хим. гомогенности, отсутствия межзёренных границ и линейных дефектов типа дислокаций). На рентгено-, электроне- и нейтроно-граммах M. с. имеется неск. диффузных гало, к-рые описываются с помощью ф-ции радиального распределения атомов (ФРРА) , где р(г) - усреднённая атомная на расстоянии г от случайного, выбранного за начало отсчёта атома (рис.). ФРРА не даёт полной информации о расположении атомов в трёхмерном пространстве, однако в сочетании с др. методами (исследованием тонкой структуры рентг. спектров поглощения, аннигиляцией позитронов и т. д.) она даёт возможность отобрать те структурные модели M. с.,

Нормированная функция радиального распределения атомов - средняя атомная плотность вещества) для аморфного железа .

к-рые лучше всего соответствуют эксперим. данным. Сходство ФРРА для аморфного и жидкого состояний, особенно на больших и ср. расстояниях, позволило на первых порах использовать для одноатомных M. с. модель случайной плотной упаковки твёрдых сфер, в своё предложенную Дж. Д. Берналом (J. D. Bernal) для одноатомных жидкостей, а для M. с. типа "металл - неметалл" - модификацию этой модели , согласно к-рой небольшие атомы неметалла заполняют большие пустоты ("дырки" Бернала) в случайной плотной упаковке атомов металла и не соседствуют друг с другом. Однако данные дифракц. экспериментов (напр., расщепление второго пика ФРРА, отсутствующее в жидких металлах) говорят о существовании в M. с. ближнего атомного порядка. Расчёты термодинамич. устойчивости атомных микрокластеров и структурного фактора для M. с. указывают на предпочтительность для них модели ближнего порядка , в к-рой осн. элементом структуры является икосаэдр - правильный двадцатигранник, получаемый упаковкой 12 слегка искажённых тетраэдров и обладающий 12 вершинами с 5 сходящимися рёбрами, через к-рые можно провести 6 осей симметрии пятого порядка.

Хотя икосаэдрич. не может быть элементом построения кристалла, поскольку невозможно плотно заполнить трёхмерное путём периодич. трансляций икосаэдра без появления несогласованности в структуре, веским аргументом в пользу икосаэдрич. ближнего порядка в M. с. является также недавнее открытие в сплаве Al 86 MnI 4 принципиально нового типа атомной структуры твёрдых тел - квазикристаллич. структуры с икосаэдрич. дальним порядком (см. Квазикристалл). Подобно M. с., квазикристаллы получаются быстрой закалкой из расплава /яятт. тгля оппепелённых составов в системах

Xf_ Fe), но, в отличие от M. с., дают на рентгенограммах когерентные брэгговские рефлексы, соответствующие симметрии пятого или даже десятого порядка . Нек-рыеМ. с. (напр., Pd 60 U 20 Si 20 ) после отжига переходят в квазикристаллич. состояние, оона-руживая тем самым тесную генетич. связь структурного состояния M. с. и квазикристаллич. состояния.

Лит -1)Петраковский Г. А., Аморфные магнетики, "УФН","1981,т. 134, с. 305; 2) Люборский Ф. В., Перспективы применения аморфных сплавов в магнитных устройствах, в кн.· Магнетизм аморфных систем, пер. с англ., M., Ii)Sl; 3)Хандрих К., Кобе С., Аморфные ферро- и ферримагнетики, пер. с нем., M., 1982; 4) Крапошин В. С., Линецкий Я. Л., Физические свойства металлов и сплавов в аморфном состоянии, в кн.: Итоги науки и техники. Металловедение · термическая обработка, т. 16, M., 1982; 5) Металлические стекла, пер. с англ., M., 1984; 6) Amorphous metallic alloys ed by F. Luborsky, L.- , 1983; 7) Аморфные сплавы, M., 1984; 8) Преображенский A. А., Бишард E. Г., Магнитные материалы и , 3 изд., M 1986; 9) Iсhikawа Т., Electron diffraction study of the local atomic arrangement in amorphous iron and nickel films, "Phys. Stat. Sol. (a)", 1973, v. 19, N, 2, p. 707; 10) Polk D. E The structure of glassy metallic alloys, "Acta Metall.", 1972, v. M, № 4 r 485; 11) Sасhdev S., Nelsоn D. R., Order m metallic glasses and icosahedral crystals, "Phys. Rev. B", 1985, v. 32, № 7 r 4592" 12) Sheсhtman D. и др., Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry, "Phys. Rev. Lett.", 1984, v. 53, M 20, p. 1951; 13) Levine D., Steinhardt P. J., Quasicrystals. 1-2, "Phys. Rev. B", 1986 v. 34, MJ 2, p. 596; 14) Heльсон Д. Р., Квазикристаллы пер с англ., "В мире науки", 1986, № 10, с. 19; 15) Po-о h S J., Drehmаn A. J., Lawless K. R., Glassy to icosahedral phase transformation in Pd - U - Si alloys, "Phys. Rev Lett ", 1985, v. 55, Mi 21, p. 2324. M. В. Медведев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

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.

Металлические стекла, или аморфные сплавы, получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации. В этом случае зарождение и рост кристаллической фазы становятся невозможными и металл после затвердевания имеет аморфное строение. Высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты различными методами, однако наиболее часто используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска (рис. 177). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки.

Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Al, Pb, Sn, Си и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Со, Fe, Мп, Сг к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, В, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле М 80 Х 20 , где М - один или несколько переходных элементов, а X - один или несколько неметаллов или других аморфообразующих элементов (Fe 80 P 13 C, Ni 82 P 18 , Ni 80 S 20).

Рис. 177. Схема получения аморфных сплавов с помощью быстрого охлаждения из расплава: а - разливка на диск; б - разливка между двумя дисками; 1 - индуктор; 2 - расплав; 3 - тигель; 4 - диск; 5 - лента аморфного материала

Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристаллизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд мета- стабильных в стабильное кристаллическое состояние. Механические, магнитные, электрические и другие структурно-чувствительные свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упрочнения.

Высокие механические свойства

Высокими механическими свойствами обладают аморфные сплавы на основе кобальта.

Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью для сплавов на основе железа и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теоретической. Это объясняется, с одной стороны, высоким
значением о т, а с другой - более низкими значениями модуля упругости Е (на 30-50 %) по сравнению с кристаллическими сплавами.

Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3-5 % Сr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Со, Ni с добавками 15-25 % аморфообразующих элементов В, С, Si, Р используют как магнитно-мягкие материалы.

Группы аморфных сплавов

Магнитно-мягкие аморфные сплавы делят на три основные группы:

1. аморфные сплавы на основе железа с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой (32-35 мА/см);
2. железоникелевые сплавы со средними значениями магнитной индукции (0,75-0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов (6-7 мА/см);
3. аморфные сплавы на основе кобальта, имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900-1000 HV), низкую коэрцитивную силу и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного электрического сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи - это их главное достоинство.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы применяют в электротехнической и электронной промышленности (магнитопроводы трансформаторов, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т. д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготовления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу.

Область применения металлических стекол пока еще ограничена тем, что быстрым охлаждением (закалкой) из жидкого состояния их удается получить только в виде тонких лент (до 60 мкм) шириной до 200 мм и более или проволоки диаметром 0,5-20 мкм. Однако имеются широкие перспективы развития материалов этой группы.

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...