Amorphous Metal Alloys/ru

Данные о местоположении

Карта	Загрузка карты... +− Листовка | © Участники OpenStreetMap
Расположение	Кингстон , Канада
Координаты	44° 13' 50,47" с.ш., 76° 28' 52,76" з.д.

Аморфный металл | Аморфные металлические сплавы ^W   получили свое название от своей аморфной атомной структуры. В результате материал не имеет кристаллической структуры. Аморфная атомная структура характерна для стекла | стекол ^W , поэтому материал может называться металлическим стеклом. Аморфная структура относится к неупорядоченному расположению атомов | атомов ^W в металле.  ^{[ 1 ]} Они, как правило, демонстрируют большую твердость | твердость ^W , предел текучести (техника) | текучесть ^W и напряжение разрушения | разрушающее напряжение ^{W ,} а также сопоставимый модуль упругости | модуль упругости ^| и модуль сдвига | жесткость ^W , чем кристаллические металлы. Прочность обусловлена ​​отсутствием скольжения (материаловедение) | плоскостей скольжения ^W на границах зерен | границах зерен ^W , которые являются результатом кристаллической структуры | кристаллической структуры ^W . ^{[ 2 ]}

История

Аморфная структура металла была обнаружена в 1950-х годах, когда свинцовая фольга была закалена ^W со скоростью примерно 10 ¹² К/с (градусы Кельвина в секунду). Это позволило избежать кристаллизации во время затвердевания, сохранив аморфное расположение атомов, которое существовало в жидком состоянии металла. Охлаждение детали требует рассеивания тепла в окружающую среду, поэтому геометрия детали в значительной степени влияет на ее способность к быстрой закалке. Образование аморфной структуры было ограничено фольгой толщиной приблизительно 50 мкм. ^{[ 3 ]}
Однако уникальные свойства металла, достигнутые этим процессом, оправдывают создание нового класса материалов: металлических стекол, главным образом благодаря их аморфной атомной структуре, характерной для стекол. Вскоре, с развитием процессов и материалов, произошло образование объемных металлических стекол (ОМС) толщиной в несколько сантиметров. В 1969 году Чен и Тернбулл сформировали аморфные сферы Pd _77,5 Cu ₆ Si _16,5 при критических скоростях охлаждения 100–1000 °К/с и диаметром 0,5 мм. ^{[ 4 ]}

Формирование

Основным принципом, способствующим образованию металлического стекла, является высокая скорость охлаждения. Более длительное охлаждение от точки плавления ^W приведет к образованию более крупных зерен, поскольку у атомов будет больше времени для упорядочения в кристаллы. Скорость охлаждения может увеличиться до такой степени, что зерна не только станут очень маленькими, но и вскоре полностью прекратят свое существование. Аморфное расположение атомов, существовавшее в жидком состоянии металла, сохраняется. ^{[ 4 ]}
Поскольку ключом к образованию аморфной структуры, по-видимому, является предотвращение образования кристаллов, эта цель может быть достигнута непосредственно путем разрушения сил, формирующих сами металлические связи ^W. Металлы с существенно разными размерами будут испытывать трудности с соединением, поэтому сплаву, содержащему их, потребуется больше времени для кристаллизации. Такое расположение огромного множества атомных радиусов в одном сплаве называется «принципом смешения».  ^{[ 4 ]} Для образования стекла атомные радиусы разных металлов должны различаться как минимум на 12%.  ^{[ 5 ]} Сплавы, содержащие ряд элементов, таких как цирконий ^W , алюминий ^W , никель ^W и медь ^W, могут достигать критических скоростей охлаждения всего лишь 1 К/с. Критическая скорость охлаждения относится к самой низкой скорости охлаждения, при которой может быть достигнута аморфная структура. ^{[ 6 ]}
Дополнительной стратегией, способствующей образованию стекла, является выбор состава сплава на основе температуры плавления (T _m ) и температуры стеклования|стеклообразования ^W (T _g ). Чем ниже T _m и выше T _g для сплава, тем меньше разница между двумя температурами и, следовательно, тем меньше времени требуется для образования стекла при потенциально более низкой скорости охлаждения. Соответствующие температуры для образования BMG приведены в таблице 1.  ^{[ 2 ]}

Таблица 1: Стеклообразующая способность выбранных BMG в зависимости от температуры и диаметра стержня. [ 2 ]

Формование расплава, один из первых процессов получения металлического стекла, позволяло достигать скорости охлаждения порядка более 1000 °К/с. Это было необходимо для сплавов, которым для стеклования требовалась такая скорость. Процесс заключался в выливании струи расплавленного металла на быстро вращающийся барабан. Барабан охлаждался изнутри жидким азотом. Быстрое вращение барабана позволяло наносить металл тонким слоем на барабан в течение короткого времени. С помощью кондуктивного метода охлаждения удалось охладить столь тонкий слой металла.

Более современные сплавы не требуют столь высоких скоростей охлаждения. Это свойство делает литье возможным, поскольку стенки форм могут обеспечить достаточное охлаждение. Жидкий азот может использоваться в качестве эффективного средства для охлаждения стенок форм. Тепло может рассеиваться только внешней поверхностью металла, поэтому охлаждение по-прежнему сильно зависит от геометрии металлической детали.
Как показано на рисунке 3, образование аморфного состояния – это способность кривой охлаждения (например, синей линии) «пропускать» кристаллическую вершину. Снижение температуры плавления (T1, как показано на графике) и повышение или поддержание температуры стеклования, как показано на рисунке 4, _{приведет} к получению кривой охлаждения с меньшим наклоном и, следовательно, с меньшей скоростью охлаждения, которая не будет проходить через кристаллическую вершину. ^{[ 3 ]}

Рисунок 3: Схема охлаждения.  [ 3 ]	Рисунок 4: Диаграмма охлаждения, показывающая более низкую температуру плавления.  [ 3 ]

Механические свойства

Аморфная структура этих стекол приводит к отсутствию плоскостей скольжения ^W , которые обычно существуют в материале с кристаллитами ^W и границами зерен ^W. В результате металлические стекла проявляют гораздо большую устойчивость к деформации ^W , чем кристаллические металлы. Это свойство обычно приводит к гораздо более высоким значениям твердости по Виккерсу ^W (H _v ), предела текучести ^W (σ _Y ) и предела прочности при разрушении ^W (σ _f ), как показано в таблице 2. Другие описанные свойства - это модуль упругости ^W (E), модуль сдвига ^W (G), модуль объемной упругости ^W (K) и коэффициент Пуассона ^W (v), которые сопоставимы с характеристиками других существующих конструкционных материалов.  ^{[ 2 ]}

Таблица 2: Параметры кривой напряжения-деформации, полученные в результате испытаний на сжатие BMG.  [ 2 ]

Границы зерен ^W также являются слабым местом для коррозии ^W , поскольку они обеспечивают большую площадь поверхности для протекания необходимых химических реакций. Отсутствие границ зерен в BMG снижает их склонность к коррозии. ^{[ 7 ]}

Для сравнения свойства некоторых распространенных конструкционных материалов приведены в таблице 3.

Таблица 3: Свойства распространенных конструкционных материалов. [ 8 ]

Очевидно, что BMG на основе железа, рассмотренные в Таблице 2, имеют приблизительно в 3 раза больший предел текучести, чем титан Ti-6Al-4V, и более чем в 10 раз больший предел текучести, чем конструкционная сталь A36, при сопоставимом модуле упругости и жесткости. ^{[ 8 ]}   Их высокий предел текучести и, следовательно, высокая устойчивость к деформации придают металлическим стеклам очень высокую эластичность и способность накапливать механическую энергию. ^{[ 4 ]}

Из-за жёсткости BMG считается, что они обладают низкой пластичностью и, следовательно, низкой прочностью на разрыв. При приложении значительной растягивающей нагрузки они испытывают явление, называемое сдвиговыми полосами, которое возникает в результате локального сдвига. ^{[ 7 ]}

Методы формования

Литье под давлением

При литье под давлением ^W таких материалов, как железо, их чистый объем может значительно уменьшиться в процессе охлаждения, что приводит к получению неточной детали и, следовательно, требует последующей обработки поверхности ^W. Литье под давлением металлических стеклянных деталей очень практично, поскольку усадки практически нет. Это происходит по двум основным причинам. Во-первых, формирование стекла таково, что расположение атомов в нем такое же, как и в жидкости, поэтому по существу нет фазового перехода ^W. Поскольку атомы не перестраиваются, объем формы не изменяется и, следовательно, нет усадки. Во-вторых, сплавы с низкой Tm _{потребуют} меньше охлаждения, чем, например, большинство углеродистых сталей ^W. Меньшее изменение температуры также приводит к меньшему сжатию во время охлаждения. Эти свойства металлических стекол приведут к получению литых под давлением деталей с почти чистой формой ^W и небольшой потребностью в дополнительной обработке поверхности ^W после литья.  ^{[ 3 ]}

Формование термопластов

Рисунок 2: Грубая схема элементов, участвующих в термопластичном формовании BMG.  [ 9 ]

BMG могут быть сформированы в относительно сложные формы путем термопластичного формования. Когда стекло находится при температуре немного выше Tg _, оно достаточно пластично, чтобы деформироваться без разрушения. Слиток ^W металлического стекла прессуется в пресс-форму, как показано на рисунке 2. Поскольку процесс формования происходит при температуре выше Tg _, стекло не затвердевает и все еще может кристаллизоваться, если оставить его при этой температуре слишком долго. Некоторые сплавы BMG достаточно устойчивы к кристаллизации, что позволяет иметь достаточно времени для проведения процесса термопластичного формования с сохранением желаемых свойств детали. Мы знаем, что BMG ограничены меньшими геометрическими размерами, но они также имеют низкую усадку при охлаждении. Эти характеристики делают термопластичное формование применимым для формования небольших деталей. Среднее давление, необходимое для формования детали, выражается уравнением Хагена-Пуазейля. ^{[ 9 ]}

L — длина канала, d — диаметр, η — вязкость BMG, ν — скорость его движения по каналу, а p — давление, необходимое для процесса. Модель предполагает, что максимальное давление формования и, следовательно, минимальный диаметр элемента составляют приблизительно 300 МПа и 10 нм. ^{[ 9 ]}

Сокращение энергопотребления процесса

Наиболее очевидным способом снижения энергозатрат на получение аморфных металлов является создание металлов с более низкими температурами плавления. Чем ниже температура плавления, тем меньше энергии требуется для нагрева металла до необходимой температуры. Напротив, энергоэффективность процесса быстрого охлаждения металла повышается за счёт более низкой температуры плавления, поскольку для охлаждения металла при меньшей разнице температур требуется меньше энергии. Более низкая критическая скорость охлаждения более вероятна при более низкой температуре плавления, поэтому большая часть эффекта охлаждения может быть передана температуре окружающей среды. Для ускорения охлаждения требуется значительное количество энергии, чтобы достичь более высоких скоростей охлаждения, чем при обычной закалке. Снижение критической скорости охлаждения, прежде всего, снизит потребление энергии по указанным причинам.

Внедрение литья под давлением в процесс производства литейных блоков (БМГ) может повысить его эффективность. Литье под давлением, по сути, представляет собой литье под давлением порядка 100 МПа. Во время затвердевания высокое давление обеспечивает контакт жидкого металла со стенкой формы на протяжении всего процесса. Стенка формы обеспечивает охлаждение материала. Это повышает эффективность отвода тепла, увеличивая скорость охлаждения. Температура плавления и стеклования металлов повышаются при более высоких давлениях. Таким образом, плавка металла при более низком давлении и литье при более высоком давлении существенно уменьшит разницу температур, которую необходимо достичь в процессе охлаждения. ^{[ 10 ]}

Методы повышения эффективности процесса термопластичного формования можно выдвинуть на основе анализа уравнения Хагена-Пуазейля. Повышение эффективности будет достигнуто при увеличении скорости процесса и снижении или поддержании требуемого давления. Более высокая скорость сократит время, необходимое для термопластичного формования, предоставляя больше времени для охлаждения после того, как материал примет окончательную форму. Этого можно легко добиться, изменив геометрию формуемой детали. Уменьшение длины и увеличение диаметра при сохранении давления увеличит скорость процесса формования. Уменьшение количества и сложности деталей на детали даст тот же эффект, что и увеличение диаметра. Уменьшение вязкости металла во время процесса повысит его эффективность. Этого можно достичь либо изменением его состава на менее вязкий металл, либо проведением процесса при температуре, максимально близкой к температуре формования стекла.  ^{[ 9 ]}

Ограничения

Несмотря на ряд положительных качеств металлических стекол, у этого материала всё же есть ряд ограничений. Благодаря высокой прочности он, как правило, обладает низким пределом упругости. Материал не деформируется под нагрузкой, а, напротив, катастрофически разрушается при достижении предела прочности. Это может быть опасно в конструкционном применении, поскольку визуально определить, разрушается ли материал, практически невозможно.
Хотя металлическое стекло прошло путь от тонкой непрактичной фольги до современных BMG диаметром в несколько сантиметров, его применение по-прежнему ограничено изделиями малой толщины и сложной геометрии.

Различные процессы производства металлических стекол пока находятся в зачаточном состоянии, поэтому их внедрение и, следовательно, производство пока не получили широкого распространения. Стоимость производства значительно выше, чем у традиционных кристаллических сплавов, поэтому область их применения ограничена. В будущем этот процесс может стать более экономически выгодным по мере расширения производственных мощностей для масштабирования процесса. Как и в случае с современными материалами массового производства, такими как сталь, производство BMG в таких больших количествах, вероятно, компенсирует значительную часть накладных расходов на единицу продукции, связанных с мелкосерийным производством.

Металлические стёкла применяются только при низких температурах из-за их характерно низкой температуры стеклования. Если их поместить в среду, превышающую температуру стеклования, они потеряют свои аморфные свойства и, вероятно, превратятся в кристаллический металл. ^{[ 7 ]}

приложения

Металлические стекла нашли применение в сегментах рынка высокого класса, где любой прирост производительности от их использования в продукте оправдан, независимо от стоимости. Они начали использоваться в качестве корпусов для высокотехнологичной электроники благодаря своей жесткости, твердости и, следовательно, устойчивости к царапинам. Высокая твердость идеально подходит для использования в инструментальной оснастке. Отсутствие зернистой структуры позволяет затачивать лезвие до исключительной остроты, поскольку нет ограничивающей ее шкалы длины выше атомной. Это свойство полезно в ножах, особенно в скальпелях.
Высокая упругая энергия, запасаемая на единицу объема и массы, а также низкое демпфирование, делают металлические стекла перспективными для использования в качестве пружин. Спортивное оборудование, такое как клюшки для гольфа и бейсбольные биты, использует высокую твердость и упругую энергию для хорошей передачи энергии снарядам. Они успешно использовались в головках клюшек для гольфа и в корпусах теннисных ракеток, где это свойство используется. Другие возможные применения пружин в устройствах – высокоскоростные реле.
Отсутствие зернистой структуры и высокая твердость могут быть использованы для хранения и воспроизведения информации. Элементы почти атомного масштаба можно отформовать или вытравить на поверхности металлического стекла, чтобы создать мастер-копии для воспроизведения цифровых данных сверхвысокой плотности. ^{[ 7 ]}

Небольшие детали можно отливать под давлением, чтобы получить почти готовую форму, тогда как дополнительная обработка для достижения нужной формы будет дорогой и непрактичной. ^{[ 4 ]}

ссылки