Amorphous Metal Alloys/es

Datos de ubicación

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Ubicación	Kingston , Canadá
Coordenadas	44° 13' 50.47" N, 76° 28' 52.76" O

Las aleaciones de metal amorfo ^W   reciben su nombre de su estructura atómica amorfa. Como resultado, el material carece de estructura cristalina. La estructura atómica amorfa es característica del vidrio ^W , por lo que se le puede llamar vidrio metálico. La estructura amorfa se refiere a la disposición desordenada de los átomos ^W en el metal.  ^{[ 1 ]} Generalmente presentan mayor dureza ^W , límite elástico ^W y tensiones de fractura ^W , así como un módulo de elasticidad ^W y un módulo de corte ^W comparables a los de los metales cristalinos. La resistencia proviene de la ausencia de planos de deslizamiento ^W en los límites de grano W, ^{lo que} resulta de una estructura cristalina ^{W. [ 2} ]

Historial

The amorphous metal structure was discovered in the 1950's when lead foil was Quench|quenched^W at roughly 10¹² K/s (degrees Kelvin per second). This resulted in avoiding crystallization during solidification, preserving the amorphous arrangement of the atoms that existed in the metal's liquid state. The cooling of a part requires the dissipation of heat to its surroundings, so the geometry of the part would largely affect its ability to be quenched at a quick rate. The formation of the amorphous structure was limited to foils approximately 50 µm thick.^[3]
However, the unique properties of the metal achieved by this process would warrant the creation of a new class of materials: metal glasses, due mainly to their amorphous atomic structure as is characteristic of glasses. The formation of bulk metallic glasses (BMGs) of several centimeters thick soon occurred with advances in processes and materials. In 1969, Chen and Turnbull formed amorphous spheres of Pd_77.5Cu₆Si_16.5 at critical cooling rates of 100 - 1000 °K/s with diameters of 0.5mm.^[4]

Forming

El principio fundamental que contribuye a la formación del vidrio metálico es la rápida velocidad de enfriamiento. Velocidades de enfriamiento más largas desde el punto de fusión ^W darán lugar a granos más grandes, ya que los átomos tienen más tiempo para organizarse en cristales. La velocidad de enfriamiento puede aumentar hasta el punto de que los granos no solo se vuelvan muy pequeños, sino que pronto dejen de existir. La disposición amorfa del átomo que existía en el estado líquido del metal se conserva. ^{[ 4 ]}
Dado que la clave para la formación de la estructura amorfa parece ser la prevención de la formación de cristales, este objetivo puede abordarse directamente alterando las fuerzas que forman los propios enlaces metálicos ^W. Los metales de tamaño muy diferente tendrán dificultades para unirse, por lo que una aleación que los contenga tardará más en cristalizar. Esta disposición de una gran variedad de radios atómicos en la misma aleación se conoce como el "principio de confusión".  ^{[ 4 ]} Para que se forme el vidrio, los radios atómicos de los diferentes metales deben diferir al menos en un 12 %.  ^{[ 5 ]} Las aleaciones que contienen una variedad de elementos como circonio ^W , aluminio ^W , níquel ^W y cobre ^W pueden alcanzar velocidades críticas de enfriamiento de tan solo 1 K/s. La velocidad crítica de enfriamiento se refiere a la velocidad mínima de enfriamiento a la que se puede obtener una estructura amorfa. ^{[ 6 ]}
Una estrategia adicional para fomentar la formación de vidrio consiste en elegir la composición de la aleación en función de la temperatura de fusión (T _m ) y la temperatura de transición vítrea/formación de vidrio ^W (T _g ). Cuanto menor sea la T _m y mayor la T _g de la aleación, menor será la diferencia entre ambas temperaturas y, por lo tanto, menor será el tiempo necesario para formar un vidrio a una velocidad de enfriamiento potencialmente menor. Las temperaturas relacionadas con la formación de BMG se describen en la Tabla 1.  ^{[ 2 ]}

Tabla 1: Capacidad de formación de vidrio de BMG seleccionados en función de la temperatura y el diámetro de la varilla. [ 2 ]

El hilado por fusión, uno de los primeros procesos para producir vidrio metálico, alcanzó velocidades de enfriamiento superiores a 1000 °K/s. Esto era necesario para las aleaciones que requerían tales velocidades para la formación de vidrio. El proceso consistía en verter una corriente de metal fundido sobre un tambor que giraba rápidamente. El tambor se enfriaba internamente con nitrógeno líquido. La rápida rotación del tambor permitía una aplicación de metal fino sobre él durante un corto periodo de tiempo. Era posible enfriar una pequeña cantidad de metal con esa rapidez mediante un método de enfriamiento conductivo.

Las aleaciones más modernas no requieren velocidades de enfriamiento tan altas. Esta propiedad facilita la fundición, ya que las paredes de los moldes proporcionan suficiente enfriamiento. El nitrógeno líquido puede utilizarse como un potente agente para enfriar la pared del molde. El calor solo puede disiparse por la superficie exterior del metal, por lo que el enfriamiento sigue dependiendo en gran medida de la geometría de la pieza metálica.
Como se muestra en la Figura 3, la formación del estado amorfo se debe a la capacidad de la curva de enfriamiento (la línea azul, por ejemplo) de no alcanzar la punta cristalina. Reducir la temperatura de fusión (T ₁ , como se ilustra en el gráfico) y aumentar o mantener la temperatura de formación del vidrio, como se muestra en la Figura 4, produciría una curva de enfriamiento con una pendiente menor y, por lo tanto, una velocidad de enfriamiento menor, que no alcanza la punta cristalina. ^{[ 3 ]}

Figura 3: Diagrama de enfriamiento.  [ 3 ]	Figura 4: Diagrama de enfriamiento que muestra una temperatura de fusión más baja.  [ 3 ]

Propiedades mecánicas

La estructura amorfa de estos vidrios da como resultado una falta de deslizamiento (ciencia de los materiales)|planos de deslizamiento ^W que normalmente existirían en un material con cristalitos|granos ^W y límites de grano|límites de grano ^W . Como resultado, los vidrios metálicos exhiben una resistencia mucho mayor a la deformación (mecánica)|deformación ^W que los metales cristalinos. Esta propiedad generalmente conduce a una prueba de dureza Vickers|dureza Vickers ^W (H _v ), tensión de fluencia (ingeniería)|tensión de fluencia ^W (σ _Y ) y tensión de fractura|tensión de fractura ^W (σ _f ) mucho mayores, como se muestra en la Tabla 2. Otras propiedades descritas son el módulo de elasticidad ^W (E), el módulo de rigidez ^W (G), el módulo volumétrico ^W (K) y el coeficiente de Poisson ^W (v) que son comparables a los de otros materiales de ingeniería existentes.  ^{[ 2 ]}

Tabla 2: Parámetros de la curva de tensión-deformación obtenidos a partir de pruebas de compresión de BMG.  [ 2 ]

Los límites de grano ^W también son un punto débil para la corrosión, ^ya que proporcionan mayor superficie para las reacciones químicas requeridas. La ausencia de límites de grano en los BMG reduce su tendencia a la corrosión. ^{[ 7 ]}

A modo de comparación, en la Tabla 3 se presentan las propiedades de algunos materiales de ingeniería comunes.

Tabla 3: Propiedades de materiales de ingeniería comunes. [ 8 ]

Es evidente que los BMG a base de hierro examinados en la Tabla 2 tienen aproximadamente 3 veces el límite elástico del titanio Ti-6Al-4V y más de 10 veces el límite elástico del acero estructural A36 con un módulo de elasticidad y rigidez comparables. ^{[ 8 ]}   Su alto límite elástico y, por lo tanto, su alta resistencia a la deformación confieren a los vidrios metálicos una elasticidad muy alta y la capacidad de almacenar energía mecánica. ^{[ 4 ]}

Debido a su rigidez, los BMG se consideran de baja ductilidad y, por lo tanto, de baja resistencia a la tracción. Al aplicar una carga de tracción significativa, experimentan un fenómeno conocido como bandeo por cizallamiento, que se produce como resultado de un esfuerzo cortante localizado. ^{[ 7 ]}

Métodos de formación

Fundición a presión

Cuando se funden a presión ^materiales como el hierro, su volumen neto puede reducirse significativamente durante el proceso de enfriamiento, lo que produce una pieza imprecisa y, por lo tanto, requiere un acabado superficial ^posterior . La fundición a presión de piezas de vidrio metálico es muy práctica porque casi no hay contracción. Esto sucede por dos razones principales. En primer lugar, la formación del vidrio es tal que la disposición de los átomos en el vidrio es la misma que la del líquido, por lo que esencialmente no hay transición de fase ^. Dado que los átomos no se reorganizan, el volumen de la matriz no cambia y, por lo tanto, no hay contracción. En segundo lugar, las aleaciones que poseen una baja T₁ _requerirán menos enfriamiento que la mayoría de los aceros al carbono, ^{por ejemplo. Un cambio de temperatura menor también conduce a una menor contracción durante el enfriamiento. Estas propiedades de los vidrios metálicos darán lugar a piezas fundidas a presión} con forma casi neta con poca necesidad de ^acabado superficial adicional después de la fundición.  ^{[ 3 ]}

Conformado termoplástico

Figura 2: Un esquema aproximado de los elementos involucrados en la formación termoplástica de BMG.  [ 9 ]

Los BMG pueden moldearse en formas relativamente complejas mediante conformado termoplástico. Cuando el vidrio se encuentra a una temperatura ligeramente superior a Tg _, es lo suficientemente plástico como para deformarse sin fracturarse. Un lingote ^W de vidrio metálico se prensa en una matriz, como se muestra en la Figura 2. Dado que el proceso de conformado ocurre a una temperatura superior a Tg _, el vidrio no ha fraguado y aún puede cristalizar si se deja a esta temperatura durante demasiado tiempo. Ciertas aleaciones de BMG son lo suficientemente resistentes a la cristalización como para que exista tiempo suficiente para llevar a cabo el proceso de conformado termoplástico, manteniendo las propiedades deseadas de la pieza. Sabemos que los BMG están limitados a geometrías más pequeñas, pero también presentan una baja contracción durante el enfriamiento. Estas características hacen que el conformado termoplástico sea aplicable para la formación de piezas pequeñas. La presión promedio requerida para llevar a cabo el conformado de una pieza se expresa mediante la ecuación de Hagen-Poiseuille. ^{[ 9 ]}

L es la longitud de un canal, d es el diámetro, η es la viscosidad del BMG, ν es la velocidad a la que se desplaza por el canal y p es la presión requerida para el proceso. El modelo sugiere que la presión máxima de conformado factible y, por lo tanto, el diámetro mínimo de la característica son de aproximadamente 300 MPa y 10 nm. ^{[ 9 ]}

Reducción de energía de proceso

El método más obvio para reducir la energía requerida para producir metales amorfos es crear metales con puntos de fusión más bajos. Si el punto de fusión es más bajo, se requiere menos energía para calentar el metal hasta la temperatura adecuada. Por el contrario, la eficiencia energética del proceso para enfriar rápidamente el metal mejoraría con una temperatura de fusión más baja, ya que se requeriría menos energía para enfriar el metal con una diferencia de temperatura menor. Es más probable que la velocidad crítica de enfriamiento sea más lenta con una temperatura de fusión más baja, por lo que una mayor parte del efecto del enfriamiento se puede transferir a la temperatura ambiente. Se requiere una cantidad sustancial de energía para forzar el enfriamiento y lograr velocidades de enfriamiento más rápidas que las que se lograrían con el temple convencional. Disminuir la velocidad crítica de enfriamiento reduciría principalmente el consumo de energía por las razones mencionadas.

La implementación de la fundición por compresión en el proceso de producción de BMG puede aumentar su eficiencia. La fundición por compresión consiste esencialmente en realizar un proceso de fundición a presiones del orden de 100 MPa. Durante la solidificación, la alta presión hace que el metal líquido mantenga contacto con la pared del molde durante todo el proceso. La pared del molde proporciona refrigeración al material. Esto mejora la eficiencia de la eliminación de calor, aumentando la velocidad de enfriamiento. La temperatura de fusión y la temperatura de formación de vidrio de los metales aumentan a presiones más altas. Por lo tanto, fundir el metal a menor presión y fundirlo a mayor presión reduciría la diferencia de temperatura que el proceso de enfriamiento debería alcanzar. ^{[ 10 ]}

Se pueden plantear métodos para aumentar la eficiencia del proceso de conformado de termoplásticos mediante la ecuación de Hagen-Poiseuille. Se lograría un aumento en la eficiencia si se aumentara la velocidad del proceso y se redujera o mantuviera la presión requerida. Una mayor velocidad reduciría el tiempo requerido por el proceso de conformado de termoplásticos, lo que permitiría un mayor tiempo de enfriamiento una vez establecida la forma final del material. Esto podría lograrse fácilmente modificando la geometría de la pieza a conformar. Disminuir la longitud y aumentar su diámetro, manteniendo la presión, aumentaría la velocidad del proceso de conformado. Disminuir la cantidad y la complejidad de las características de la pieza produciría el mismo efecto que aumentar el diámetro. Disminuir la viscosidad del metal durante el proceso aumentaría su eficiencia. Esto podría lograrse modificando su composición a un metal menos viscoso o realizando el proceso a una temperatura lo más cercana posible a la de conformado del vidrio.  ^{[ 9 ]}

Limitaciones

A pesar de las diversas ventajas de los vidrios metálicos, aún existen varias limitaciones. Debido a su alta resistencia, generalmente presenta un límite de deformación elástica bajo. El material no se deforma bajo carga, sino que falla catastróficamente al alcanzar la tensión de fractura. Esto puede ser peligroso en aplicaciones estructurales, ya que se ofrecen pocas señales visuales de que el material está a punto de fallar.
Si bien la fabricación de vidrios metálicos ha evolucionado desde láminas delgadas e imprácticas hasta los modernos BMG de varios centímetros de diámetro, aún se limita a piezas de pequeño espesor y geometría compleja.

Diversos procesos para la producción de vidrios metálicos se encuentran aún en sus etapas iniciales, por lo que su adopción y, por consiguiente, su producción aún no se han generalizado. Los costos de producción son mucho más altos que los de las aleaciones cristalinas convencionales, por lo que su aplicación está limitada. El proceso podría volverse más viable económicamente en el futuro, a medida que se amplíen las instalaciones para adaptarlo a la ampliación del proceso. Al igual que con los materiales actuales de producción en masa, como el acero, la producción de vidrios metálicos en cantidades tan elevadas probablemente compensaría en gran medida los costos generales por unidad de producto asociados con la producción a pequeña escala.

Los vidrios metálicos se limitan a aplicaciones de baja temperatura debido a sus temperaturas de formación de vidrio, característicamente bajas. Si se colocaran en un entorno que excediera su temperatura de formación de vidrio, perderían su propiedad amorfa y probablemente se transformarían en un metal cristalino. ^{[ 7 ]}

Aplicaciones

Los vidrios metálicos se han aplicado en mercados de alta gama, donde cualquier mejora en el rendimiento que se obtenga al utilizarlos en el producto está justificada, independientemente del coste. Han empezado a aparecer en electrónica de gama alta, como carcasas, debido a su rigidez, dureza y, por consiguiente, resistencia al rayado. Su alta dureza es ideal para su uso en herramientas. La ausencia de estructura de grano permite afilar una hoja con un filo excepcional, ya que no existe una escala de longitud superior a la atómica que la limite. Esta propiedad es útil en cuchillos, especialmente en bisturíes.
La alta capacidad de almacenamiento de energía elástica por unidad de volumen y masa, y la baja amortiguación, confieren a los vidrios metálicos el potencial de ser utilizados como resortes. Equipos deportivos como palos de golf y bates de béisbol utilizan la alta dureza y la propiedad de energía elástica para una buena transferencia de energía a los proyectiles. Se han utilizado con éxito en cabezas de palos de golf y marcos de raquetas de tenis, donde se aprovecha esta propiedad. Otras posibles aplicaciones de los resortes en dispositivos son los relés de alta velocidad.
El almacenamiento y la reproducción de información aprovecharían la ausencia de estructura de grano y la alta dureza. Las características de escala casi atómica podrían moldearse o grabarse en una superficie de vidrio metálico para crear matrices que permitan reproducir datos digitales de ultraalta densidad. ^{[ 7 ]}

Se pueden fundir a presión piezas pequeñas para lograr una fabricación con una forma casi final, mientras que el mecanizado adicional para lograr la forma sería costoso y poco práctico. ^{[ 4 ]}

Referencias