Сплав металла и стекла

Обновлено: 19.05.2024

При конструировании и изготовлении машин и приборов, организации их эксплуатации и ремонта инженер в повседневной работе сталкивается с конструкционными материалами и их использованием.

Материаловедение – наука, изучающая связь между составом, структурой и свойствами материалов и изучающая их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом, электромагнитном и радиоактивном).

Задача материаловедения – установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и эксплуатации, а также для создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования срока службы материалов.

Различают две основные группы материалов:

металлы и их сплавы

Металлы и сплавы разделяют на черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе: сталь и чугун.

К цветным относятся все остальные металлы: Al, Cu, Ti, Mg, Pb, Sn, Ni.

Из всех металлов и сплавов наиболее важную роль в машиностроении играет сталь. Доля производства стали составляет 95 % всех металлических материалов. При сравнительно низкой стоимости сталь характеризуется высокой прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами. Из других металлов наиболее развивается производство алюминия и его сплавов. Содержание железа в земной коре составляет 4,6 %, а алюминия – 8.8 %., т.е. почти в 2 раза больше. Хотя объем производства других металлов и сплавов существенно меньше, без их применения было бы невозможно создание таких отраслей современной техники, как электро-, радио-, приборостроение, авиация, атомная, ракетно-космическая техника.

Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:

• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см 3 ;

• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см 3 ;

• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С соответственно;

• тугоплавкие металлы W, Мо, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 °С);

• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

• урановые металлы или актиноиды, используемые в атомной технике;

• редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий – для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

2) неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам, в ряже случаев с успехом заменяют их, а иногда неметаллические материалы сами являются незаменимыми (обувь, одежда,…). Достоинством неметаллических материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5-6 раз ниже, и они в 4-5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических материалов в пищевой, торговой, холодильной и криогенной технике.

История развития науки о металлах. В основе любой цивилизации лежит развитие металлургии. Не случайно первые сведения о металлах мы находим у Геродота в V веке до н.э. и у Платона в IV веке до н.э.

На заре своего существования человек сталкивался главным образом с камнем. Но однажды он нашел ярко окрашенный кусок медной руды. Человек быстро понял преимущества металла перед камнем, и открытия пошли один за другим. Самые первые металлические орудия человек изготовил именно из самородной меди в Египте в V тысячелетии до н.э. Несколько позже появилась бронза – сплав меди с оловом и другими металлами. Медь и бронза долгое время были самыми распространенными металлами. Целая эпоха в развитии человечества называлась бронзовым веком. Археологи до сих пор находят такие бронзовые изделия, которые смущают даже современных металлургов (как были изготовлены эти предметы). А что, если это достижения какой-то еще неизвестной нам и давно погибшей цивилизации?

Железо пришло на смену бронзе и вызвало бурное развитие общества. Железооткрыли и быстро освоили на рубеже II и I тысячелетий до н.э. в Восточной Европе, Азии, Африке. А может быть и значительно раньше. В Австралии обнаружен метеорит возрастом несколько миллионов лет. Гвоздь длиной 18 см, обнаруженный в Перу, по мнению ученых, был изготовлен несколько десятков тысячелетий назад. По распространенности в природе железо занимает второе место после алюминия. Земная кора содержит 5 % железа. Однако в самородном состоянии оно встречается крайне редко, так как легко окисляется. Были времена, когда оно ценилось значительно дороже золота. При раскопках гробницы египетского фараона Тутанхамона был обнаружен золотой перстень, на котором знак божества был изготовлен из железа. Позднее из него стали делать обручальные кольца. По мере развития металлургии этот металл становился доступнее. Выработка железа росла очень быстро, и к началу нашей эры оно из «благородных» металлов превратилось в обычный. Сегодня железо – самый распространенный, самый дешевый металл. Нет другого конструкционного материала, который использовался бы так широко и на земле, и на воде, и в космосе.

Много веков знакомы металлы человеку и верно служат ему.… Без них мы сегодня себя не представляем. До М.В. Ломоносова были известны 7 металлов. «Семь металлов создал свет по числу семи планет», - говорили наши предки, а алхимики считали, что у каждого металла есть своя планета. Золото будто бы представлено на небесах Солнцем, серебро – Луною, медь связана тесными узами с Венерой, железо – с Марсом.

К 1788 году их список пополнился до 17 наименований. В первой половине 19 века были открыты щелочные и щелочно-земельные , а затем редкоземельные , радиоактивные и многие другие металлы. Из известных сегодня химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева 4/5 являются металлами (это 80 наименований металлов).

В нашей стране, как многим уже известно, наиболее интенсивно металлургия начала свое развитие в эпоху Петра I на Урале. Особым спросом пользовалось во многих странах Демидовское железо. Пока железо все еще остается основой металлургии и машиностроения, судостроения и транспорта. Но в последнее время у железа появилось много конкурентов: и алюминий, и ванадий, и бериллий, и титан. Широко используются (в первую очередь в авиастроении) сплавы на основе алюминия и магния. Высокий комплекс механических свойств позволяет использовать титановые сплавы в ракетной технике, для приборов, аппаратов и инструмента, используемого в медицинской технике, оборудования химической и нефтехимической промышленности. Недалеко время, когда металлы будут выплавляться и обрабатываться в космосе, а сырьем будет служить рудное сырье с луны и астероидов. (Лунные породы, например, оказались богаты торием, титаном, цирконием, иттрием.)

Длинный и сложный путь к прогрессу прошел человек. От каменного топора к меди и бронзе, к железу и металлам космической эры. Многие открытия еще впереди.

Сегодня мы знаем о металлах много, но далеко не все. Каждый из них обладает своими признаками, особенностями. В дальнейшем нам придется познакомиться с наиболее часто используемыми в машиностроении материалами-металлами.

Инженеры создали твёрдое и упругое металлическое стекло

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_49.7Cr_17.7Mn_1.9Mo_7.4W_1.6B_15.2C_3.8Si_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 [Veronica Eliasson], 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 Au₇₅Si₂₅. 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 Ti₄₀Cu₃₆Pd₁₄Zr₁₀ — 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.

Экспертное мнение: Будущее металлических стекол

Сегодня мы расскажем Вам о будущем металлических стекол. Для этого мы обратились к нашему ведущему ученому, международному эксперту в области объемных металлических стекол, доктору технических наук, профессору Университета Тохоку / Япония, главному научному сотруднику, заведующему лабораторией Института исследования перспективных материалов и руководителю проекта Метастабильные двухфазные металлические материалы с высокой удельной прочностью в НИТУ «МИСиС» — Дмитрию Валентиновичу Лузгину.

Данный проект не имеет аналогов как в России, так и за рубежом, учитывая обширный характер исследований, диапазон исследованных свойств и типы использованных материалов. Компетенцию ученого подтверждают научные статьи в таких журналах, как Nature, Nanoscale, Acta Materialia, Advanced Functional Materials, Scientific Reports, Applied Physics Letters, а также рецензирование в журналах Nature Communications, Acta Materialia, Applied Physics Letters, Journal of Materials Research, Materials Science and Engineering, Journal of Non-crystalline Solids, Journal of Materials Science.

Вас ждет увлекательный научный рассказ о стали и сплавах! В своем экспертном мнении Дмитрий Валентинович рассуждает о будущем металлических стекол, их применении, способах улучшения их механических свойств и перспективах применения в конкретных областях.

Промышленные металлические сплавы затвердевают формируя кристаллическую структуру даже при высоких скоростях охлаждения. Получение аморфных/стекловидных металлических сплавов (или металлических стекол), в том числе и чистых металлов, требует ультравысоких скоростей охлаждения, например, при напылении тонких пленок на охлажденную подложку из газообразной фазы [2]. Распыление чистых металлов в наноразмерные капли приводит не только к высоким скоростям охлаждения, но и малой вероятности появления критического зародыша кристаллической фазы в нанообъеме [3].

Сплавы с более высокой склонностью к стеклованию, именуемой стеклообразующей способностью, как правило, эвтектического состава, получают с 60-х годов прошлого века быстрым охлаждением расплава со скоростями порядка 1 МK/с на вращающийся медный диск или при сжатии капли расплава между двумя металлическими плоскостями [4]. В таком случае металлические сплавы непрерывно переходят при охлаждении в стекловидное состояние и претерпевают обратное превращение при последующем нагреве с достаточно высокой скоростью нагрева.

В 70х годах прошлого века были получены первые макроскопические отливки аморфных палладиевых сплавов с размером порядка 1 мм в каждом из 3х пространственных измерений, названные впоследствии объемными металлическими стеклами [5]. Более массивные образцы были получены в 80х после обработки расплава флюсом, которая позволила подавить гетерогенное зарождение кристаллов [6], но ввиду исключительной дороговизны основного компонента палладия долгое время не представляли особого интереса для ученых и инженеров.

В 90х объемные металлические стекла (ОМС) [7] 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.

Статистический анализ имеющейся информации по ОМС показал рост их стеклообразующей способности от двойных к тройным и четверным сплавам. Также при анализе базы данных из 95 тройных сплавов с известной стеклообразующей способностью в виде критического диаметра ОМС (сплавы, обработанные флюсом, не учитывались) была обнаружена статистическая закономерность в распределении составов ОМС (Рис. 2) [8]. Локальные максимумы критического диаметра расположились вблизи составов A70B20C10, A65B25C10, A65B20C15, A56B32C12, A55B28C17, A44B43C13 и A44B38C18, а локальные минимумы вблизи составов A75B20C5, A75B15C10, A60B35C5, A55B35C10, A55B30C15, A50B25C25, A48B32C20 и A47B46C7. Это свидетельствует о закономерностях в составах ОМС и неслучайности атомных соотношений. Сплав A50B25C25 соответствует соединению A2BC, A60B35C5 соединению A3(B+C)2, а A75B20C5 и A75B15C10 близки к псевдо-двойному соединению A3(B+C).

Рис. 2. Поверхность критического диаметра (максимальный диаметр аморфной отливки), построенная методом сглаживания произвольного набора данных тройных сплавов (95 точек из литературных источников).

Aтомная структура стекол демонстрирующая отсутствие дальнего порядка в расположении атомов (Рис. 3) 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 ОМС достигает ~2 GPa для ОМС 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 σy2/E и σy2/ρЕ, где σy, ρ и Е – предел текучести, плотность и модуль Юнга, соответственно). Следует отметить, что недавние исследования указывают наличие атомных кластеров в ОМС [9].

Рис. 3. 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 ОМС занимаются, в частности, А.С. Аронин и Г.Е. Абросимова).

ОМС 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 ОМС, а также текучесть при нагреве определяет их применение в микромашинах в качестве механизмов передач (шестеренок), компонентов высокоточных механических систем. ОМС 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.

Долгое время было неясно откуда возникает такое свойство переохлажденной металлической жидкости как «хрупкость»: сильное отклонение температурной зависимости ее вязкости от закона Аррениуса, в то время как вязкость равновесной жидкости выше температуры ликвидуса (Tl) следует данному закону. Автором с коллегами методом рентгеновской дифракции «in-situ» в синхротронном излучении не было показано активное образование в атомной структуре сплава Pd42.5Cu30Ni7.5P20 вблизи температуры стеклования кластеров металлов ковалентно связанных с Р, что коррелировало с температурной зависимостью вязкости жидкости [10] при охлаждении расплава, как схематически показано на рис. 4. Заметьте, что вязкость жидкости при охлаждении до Tg меняется на 10 порядков величины.

Рис. 4. Соотношение площади под пиком функции радиального распределения (ФРР) образованным атомными парами типа Ni,Cu-P к площади пика образованным другими атомными парами (P1/P2) иллюстрирует быстрые структурные изменения вблизи Tg, и их отсутствие ниже Tg и выше Tl. По правой оси ординат отложена вязкость в логарифмической шкале. По оси абсцисс отложена обратная температура нормализованная через Tg: ниже примерно 0.7 равновесная жидкость (малые структурные изменения по температуре), до Tg/Т=1 переохлажденная жидкость (сильные изменения), а выше стекло.

ОМС прекрасно и однородно деформируются пластически при нагреве в область переохлажденной жидкости до кристаллизации (выше Tg, но ниже Tx – температуры кристаллизации переохлажденной жидкости [11,12]), и могут быть использованы как модели для штампов (Рис. 5).

Традиционные способы обработки металлов давлением при невысокой стоимости компонентов сплавов часто требует дорогостоящих этапов обработки исходного блока для получения конечного продукта. Это приводит к большому количеству отходов материала. В случае ОМС с помощью быстрого нагрева в область переохлажденной жидкости можно получить изделие с высоким качеством поверхности в одну стадию как при сверхпластичной формовке. Но ОМС ввиду отсутствия границ зерен будут предпочтительнее для микрообъектов чем сверхпластичные сплавы ввиду исключительно высокого качества поверхности.

Тем не менее, одним из главных препятствий на пути более широкого применения стеклообразных сплавов является их ограниченная пластичность при комнатной температуре [13]. Многие ОМС разрушаются до начала макропластической деформации при образовании одной полосы сдвига.

Это происходят из-за разупрочнения образца в локальных полосах сдвиговой деформации (полосы толщиной 10-20 нм, в которой материал начинает течь под действием высоких локальных напряжений) и дальнейшей локализации деформации в этих полосах в отличие от кристаллических сплавов, в которых деформационное упрочнение приводит к более однородной деформации в множественных полосах скольжения. Однако, если зарождается несколько полос сдвига с попеременной локализацией деформации (Рис. 6), то до определенного момента может иметь место макроскопически однородная деформация образца, которая является предпочтительной для получения более пластичных ОМС [14]. В связи с этим изучение процесса зарождения и распространения полос сдвига в ОМС представляет большой интерес. В результате совершенствования составов были получены рекордно высокие значения вязкости разрушения порядка 100 MPa√m для ОМС Zr61Ti2Cu25Al12 [15] и Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 [16], а также сплавы доэвтектических составов не охрупчивающиеся при структурной релаксации [17]. Недавно предложенный метод циклической обработки в жидком азоте из-за разности коэффициентов термического расширения атомных кластеров с высокой и низкой плотностью приводит к «омолаживанию» металлического стекла (переводу его в повышенное энергетическое состояние) и повышению его пластичности [18]. Метод выдержки при криогенной температуре был использован для модифицирования магнитных свойств сплавов на основе железа [19].

Рис. 6. Полосы сдвига на боковой поверхности образца (сверху) после разрушения. Поверхность разрушения в нижнем левом углу.

На сегодняшний день двухфазные материалы (композиционного типа) получают всё большее распространение, так как они способны сочетать в себе, в оптимальном соотношении, требуемый комплекс эксплуатационных свойств. ОМС обладают уникально высокими показателями прочности, но, как правило, отсутствием пластичности, особенно на растяжение. Кристаллические сплавы обладают высокими показателями пластичности, а полимерные материалы, также обладают малой плотностью. Поэтому создание нового класса легких и прочных двухфазных материалов на основе металлического стекла и кристалла (или полимера) помогает решить задачу, связанную с улучшением механических конструкционных материалов, т.е. получить материал с уникально высоким показателем удельной прочности и пластичности. Легкие металлические двухфазные материалы типа металлическое стекло/кристалл сочетающие прочность объемных металлических стекловидных сплавов на основе Ti или Mg, и высокую пластичность кристаллических фаз разрабатываются в НИТУ «МИСиС» в рамках проекта 5-100 на кафедре Металловедения Цветных Металлов в сотрудничестве с Центром Композиционных Материалов [20] (Рис. 7).

Рис. 7. Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (две области) и картины дифракции от выбранной области субмикроскопического размера (видны яркие пятна от кристаллической фазы и гало от аморфной).

Перспективным материалом являются недавно полученные при сотрудничестве с кафедрой МЦМ наноструктурированные металлические стекла (Рис. 8), которые могут быть использованы как материалы для медицины (высокая коррозионная стойкость и хорошая адгезия клеток) и для катализа (развитая поверхность) [21].

Рис. 8. Поверхность наноструктурированного металлического стекла Zr-Pd (СЭМ) как вставка в спектр рентгеновского излучения полученный от образца.

Недавно было показано, что однородные аморфные оксиды, формирующиеся на поверхности ОМС Ni-Nb, имеют аморфную структуру без дефектов в виде границ зерен присущих кристаллам, по которым может проходить утечка электрического тока. Они демонстрируют полупроводниковые свойства, и их проводимость меняется от электронной к дырочной после отжига [22]. Данный материал соответствует диоду Шоттки с весьма низким обратным током, проводимостью которого можно управлять отжигом в кислороде (Рис. 9).

Рис. 9. Воль-амперная характеристика натурального аморфного оксида на поверхности ОМС Ni-Nb (синяя кривая) и оксида, выросшего при отжиге при 300 С (красная кривая).

В заключение следует отметить, что металлические стекла после полувековой истории до сих пор представляют широкий интерес для исследования их необычных свойств и структуры, а двухфазные материалы типа стекло-кристалл очень перспективны для практического применения в качестве высокопрочных конструкционных материалов в тех областях, где несколько повышенная стоимость материала не имеет большого значения. Конечно, не стоит ожидать, что ОМС и двухфазные материалы даже при удешевлении составов заменят собой конструкционные стали или алюминиевые сплавы в строительстве и тяжелом машиностроении. Однако, они и двухфазные материалы типа стекло-кристалл, уже находят все более широкое применение в определенных областях, где они превосходят конкурентов: ортопедические винты в медицине (биосовместимость), микромашины (формуемость, износостойкость), спортинвентарь (гибкость, прочность, большая величина запасенной упругой энергии (Рис. 10)), датчики давления (гибкость без остаточной деформации), микроштампы (формуемость, износостойкость) и т. д. Эти материалы могут привести к изобретению революционных технологий, потенциально вытесняя традиционные обработки металлов для инновационных областей применения.

Рис. 10 Этот пример иллюстрирует высокую способность ОМС запасать энергию упругой деформации при падении слитка с некоторой высоты в трубке на наковальню.

Металлические 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 М₈₀Х₂₀, 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, Fe₈₀B₂₀), 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, Fe₈₁Si₃, 5B₁₃, 5C₂ имеют высокое значение маг­нитной индукции (1,6 Тл) и низкое значение коэрцитивной силы (32. 35 мА/см). Аморфный сплав Co₆₆Fe₄(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.

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В последние годы XX столетия особого внимания физиков и материаловедов заслуживают так называемые металлические стекла, представляющие собой аморфные металлические сплавы с неупорядоченным расположением атомов в пространстве. До недавнего времени понятие «металл» связывалось с понятием «кристалл», атомы которого расположены в пространстве строго упорядочено. Однако в начале 60-х годов прошлого века впервые были получены металлические сплавы, не имеющие кристаллической структуры [1]. Металлы и сплавы с беспорядочным расположением атомов стали называть аморфными металлическими стеклами.

Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные металлы, метглассы) – это металлические сплавы в стеклообразном состоянии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлического расплава, когда быстрым охлаждением предотвращена кристаллизация (скорость охлаждения менее 10 6 К/с) [2]. С помощью методов рентгеновской, нейтронной, электронной дифракции было показано, что в аморфных металлических стеклах имеется более или менее четко определяемый на расстоянии двух-трех соседних атомов так называемый ближний порядок: в аморфном металлическом сплаве элементарная ячейка, характерная для кристаллического состояния, также сохраняется. Однако при стыковке элементарных ячеек в пространстве порядок их нарушается, и стройность рядов атомов, характерная для дальнего порядка, отсутствует [2].

Особенности структуры аморфных металлических стекол сказались и на многих физических свойствах. Металлические стекла обладают уникальным сочетанием высоких механических, магнитных, электрических и антикоррозионных свойств. Так, несмотря на то, что плотность аморфных сплавов на 1-2% ниже плотности кристаллических аналогов, прочность их выше в 5-10 раз [3]. 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 обуславливают отсутствие характерной для кристаллов анизотропии свойств, высокую прочность и магнитную проницаемость, малые потери на перемагничивание.

Ещё в начале 60-х годов было показано, что можно получить аморфную структуру сплава, охлаждая жидкий расплав на холодной металлической подложке [1]. Для получения металлических стекол используются два метода. В первом методе жидкий металл наносят на внешнюю цилиндрическую поверхность вращающегося диска (колеса), во втором – расплав извлекается вращающимся диском. Данным методом перевести в твердое аморфное состояния чистые металлические элементы трудно. Например, чистый никель удалось зафиксировать в стеклообразном состоянии только при экстремально больших скоростях охлаждения (около 10 10 К/с). Однако сплавление элементов друг с другом, особенно с металлоидами, значительно облегчает процесс стеклообразования. Характерным в этом отношении является сплав Pd - Si. Чистый палладий не удается перевести в аморфное состояние даже при очень больших скоростях охлаждения. Но сплав палладия с 20% кремния аморфизируется уже при скоростях охлаждения примерно 10 2 К/с. Другой способ получения металлических стекол - высокоскоростное ионно-плазменное распыление металлов и сплавов. Аморфные металлические сплавы получают в виде напыленного слоя толщиной от 1 до 1000 мкм [3].

Благодаря особенностям своего строения, аморфные металлы и сплавы имеют ряд отличительных свойств. Аморфные сплавы обладают уникальными механическими свойствами: они имеют высокую прочность и твёрдость в сочетании с высокой пластичностью при сжатии или изгибе, также имеют высокий предел прочности на растяжение, высокую усталостную прочность, высокую энергию ударного разрушения и упругости. Так, например, по своей прочности и пластичности проволока их аморфного сплава Fe₇₅Si_10B15 превосходит даже стальную рояльную проволоку. Поэтому аморфные сплавы могут найти самое широкое применение как конструкционные или специальные материалы: конструкционные материалы машинного оборудования, материалы матриц (фильер), инструментальные материалы, композитные материалы и др. Но наиболее широкое применение металлические стекла нашли благодаря их магнитным и электрическим свойствам [2]. Важной характеристикой аморфных металлов является мягкий ферромагнетизм металлических стёкол на основе Fe–Ni–Co. Отсутствие анизотропии, присущее аморфной структуре, приводит к очень высокой магнитной проницаемости и низким энергетическим потерям. Таким образом, эти материалы могут найти применение в областях, где требуются мягкие магниты (например, сердечники трансформаторов, магнитные головки и экраны, магнетометры, сигнальные устройства) [2]. Беспорядок расположения атомов в виде ближнего порядка оказывает сильное влияние и на электропроводность металлических стекол. Их удельное электрическое сопротивление в 3-5 раз выше, чем у кристаллических аналогов. Это связано с тем, что при движении электронов через нерегулярную структуру аморфных металлических стекол они испытывают гораздо больше столкновений с ионами, чем в кристаллической решетке [3].

Сплавы типа металл – металл и, особенно, металл – металлоид в аморфном состоянии имеют более высокую коррозионную стойкость, чем в кристаллическом состоянии, т.к. химическая однородность, отсутствие межзёренных границ и линейных дефектов типа дислокаций увеличивает коррозионную стойкость за счет устранения локальной разности электрохимического потенциала [4]. Например, аморфный сплав Fe₄₅Cr₂₅Мо_10P13C₇ используется в качестве электродных материалов и фильтров для работы в растворах кислот.

Возможно также использование металлических стекол в качестве катализаторов органического синтеза, материалов для топливных элементов, а также в качестве медицинских имплантатов.

Аморфные металлы часто называют материалами будущего, «фантастическими материалами», что связано с уникальностью методов их получения и особыми свойствами, не встречающимися у кристаллических металлов. Однако аморфные материалы не лишены недостатков: это невысокая их термическая устойчивость и недостаточная стабильность во времени. Также недостатком являются малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул и невозможность их сварки. Поэтому аморфные металлы не пригодны в качестве высокотемпературных материалов, а их применение, вероятно, будет ограничено только малогабаритными изделиями.

Однако полное завершение исследований по аморфным структурам еще впереди. Следует сказать, что ученых и инженеров ждет интересная и захватывающая работа в области аморфных металлических материалов, т.к. на очереди получение аморфных структур, в которых отсутствует даже ближний порядок [4].

Вьюгов П.Н., Дмитренко А.Е. Металлические стекла. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники, 2004, №4, с. 185-191.

Ржевская С. В. Материаловедение: Учеб. для вузов. – М.: Логос, 2004. – 424 с.

Золотухин И.В. Аморфные металлические материалы. – Соросовский образовательный журнал, №4, 1997, с. 73-78.

Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. / Под ред. Масумото Ц. Пер. с япон. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.

Читайте также:

  
• Виброгалтовочное оборудование для металла
  
• Порошок металлического цинка растворили в подкисленном серной кислотой растворе дихромата калия
  
• Привкус металла во рту что дальше нож прямо в горло черту
  
• Станок для художественной гибки металла
  
• Краска по металлу 20 кг