Металеві аморфні сплави

МЕТАЛЕ́ВІ АМО́РФНІ СПЛА́ВИ — металеві тверді тіла (металеві стекла), в яких від­сутній дальній порядок у роз­ташуван­ні атомів, але є топологічний (просторовий роз­поділ атомів незалежно від їх сорту) і композиційний (роз­ташува­н­ня атомів різного сорту) близький порядок. Осн. спосіб отрима­н­ня М. а. с. — швидке гартува­н­ня з рідкого стану. Їх вперше отримали 1959 укр. металофізики І. Мірошниченко та І. Саллі. Перші М. а. с., придатні для тех. за­стосува­н­ня, виготовили у системах метал (Fe, Ni, Co, Mo, Cr та ін.)–металоїд (B, Si та ін.) у ви­гляді стрічки товщиною не більше 60 мкм, тому що при їхньому гартуван­ні потрібно забезпечити швидк. охолодже­н­ня не нижче за 10⁶ К/сек. У подальшому роз­роблено багатокомпонентні обʼємні М. а. с., які мають значно більшу схильність до аморфізації та можуть бути отримані в аморф. стані при значно меншій швидкості охолодже­н­ня. Завдяки досить низькій критич. швидкості охолодже­н­ня деякі з цих М. а. с. можна виготовити у ви­гляді зразків знач. товщини. Напр., у сплавів La–Al–(Cu, Ni) і Mg–Al–(Cu, Ni) критична швидк. охолодже­н­ня ~200 К/сек. і критична товщина ~10 мм; у сплавів Zr–Al–(Cu, Ni), Zr–Ti–Al–(Cu, Ni) і Zr–Ti–(Cu, Ni)–Be — від­повід­но 1–10 К/сек. і ~30 мм; у сплаві Pd–Ni–Cu–P — 0,1 К/сек. і 15 мм. Осн. метод дослідж. структури М. а. с. — дифракція рентґенів. променів, електронів або нейтронів. На від­міну від кри­сталіч. твердих тіл, для яких рентґенів. спектр є сукупністю вузьких піків, від­повід. дифракції на певних площинах кри­сталіч. ґратки, спектр рентґенів. дифракцій для М. а. с. має ви­гляд широкого дифуз. максимуму, положе­н­ня якого ви­значається серед. між­атом. від­стан­ню в матеріалі. За допомогою пере­творе­н­ня Фурʼє з такого спектру можливо здобути функцію радіал. роз­поділу атом. щільності g (R), яка від­ображає характер взаєм. роз­ташува­н­ня атомів в аморф. сплаві. Для опису структури М. а. с. роз­роблено моделі, в яких намагаються врахувати їхню складну реал. структуру. Вчені роз­глядали й мікрокри­сталічну модель, яку згодом ви­знали недієвою. У кластер. моделях враховують те, що М. а. с. утворю­­ються по­вторе­н­ням локально щільних атом. кластерів тетраедрич. пакува­н­ня. Складністю цієї моделі є опис між­кластер. границь. За допомогою моделі випадк. щільного пакува­н­ня Бернала структуру М. а. с. моделюють шляхом випадк. щільного пакува­н­ня сферич. частинок. У ній є 5 типів ко­ординац. багато­гран­ників, у яких може поміститися ще одна сфера (атом ін. сорту). Існує низка складніших моделей, у яких комбінуються елементи за­значених моделей. Гол. характеристика М. а. с. — температура склува­н­ня T_g. Швидк. охолодже­н­ня роз­плаву v повин­на бути досить високою (v>v_кр), щоб досягти температури T_g без початку кри­сталізації. В обʼєм. М. а. с., що містять велику кількість компонентів, схильність до аморфізації під­вищена, що знижує їхнє v_кр і до­зволяє отримувати зразки знач. роз­мірів. Серед критеріїв для вибору хім. складу сплаву з високою схильністю до аморфізації — сплав має складатися щонайменше з 3-х компонентів; атомні радіуси 2-х осн. компонентів повин­ні від­різнятися більш ніж на 12 %; 3 осн. компоненти сплаву повин­ні мати негативну теплоту змішува­н­ня. Однією з найважливіших особливостей М. а. с. є їхня висока міцність s_b, яка значно пере­вищує міцність кри­сталіч. матеріалів, окрім нанокри­сталів. Водночас модуль Юнґа Е для М. а. с. не набагато нижчий (прибл. на 6 %), ніж для кри­сталів, тому М. а. с. властиве високе від­ноше­н­ням s_b/Е. Низку моделей роз­роблено й для опису процесу пластич. деформації М. а. с. У моделі вільного обʼєму одинич. вільний обʼєм на місці від­сут. атома пере­сувається за рахунок атом. стрибків у нього і є елементом, що забезпечує пластич. плин. У моделі STZ (shear trans­­formation zone) роз­глядають дефекти, які можна на­звати зоною зсуву. STZ складається з бл. 100 атомів. У обох роз­глянутих моделях пластична деформація є термо­активов. процесом з енергією активації близькою до енергії активації самодифузії. У дис­локацій. концепції пластич. деформації М. а. с. вектор Бʼюрґер­­са дис­локацій у М. а. с. змінюється за величиною і напрямком уздовж дис­локацій. лінії. Однак середня величина вектора Бʼюр­­ґерса має значе­н­ня близьке до серед. між­атом. від­стані. Унаслідок аналізу мех. поводже­н­ня М. а. с. встановлено, що у М. а. с., як і в кри­сталіч. матеріалах, дис­локацій. механізм деформації з енергією активації в кілька десятих електрон-вольт здійснюється при низьких т-рах, тоді й як при під­вищених т-рах, коли дифуз. процеси стають істотними, термо­активов. механізм пластич. деформації проходить з енергією активації в кілька електрон-вольт, яка близька до енергії активації самодифузії. Пластичність М. а. с. при кімнат. т-рі за­звичай мала (кілька від­сотків), а при знижен­ні температури у низці сплавів від­бувається пере­хід пластичність–крихкість. У температур. інтервалі Т_х–T_g, де Т_х — температура кри­сталізації, у знач. кількості М. а. с. встановлюється унікал. висока надпластичність (напр., подов­же­н­ня до руйнува­н­ня в М. а. с. La₅₅Al₂₅Ni₂₀ складає 150 000 %). Унікал. надпластичність до­зволяє отримувати з обʼєм. М. а. с. вироби склад. форми шляхом штампува­н­ня. Нині досить часто у промисловості використовують магнітно-мʼякі матеріали на основі Fe, Ni і Co з високою магніт. проникністю, низькою коерцитив. силою, високим питомим електр. опором і низькими втратами на гістерезис і вихр. струми. Кон­струкц. матеріалам на основі обʼєм. М. а. с. характерні високі міцність, твердість, утомна міцність, короз. стійкість, тріщино­стійкість, що забезпечує їхнє ефективне за­стосува­н­ня. Для оборон. і аерокосміч. техніки з М. а. с. виготовляють антивід­ображал. поверх­ні та покри­т­тя, з них виробляють голівки снарядів з великою питомою вагою. Обʼємні М. а. с. за­стосовують в електроніці, для виробництва жорстких дисків, сенсорів і актюаторів компʼю­­терів. З М. а. с. на основі Pt і Pd, які мають більшу твердість і короз. стійкість ніж кри­сталічні матеріали і добре зберігають блискучу поверх­ню, створюють ювелірні вироби. М. а. с. за­стосовують для виготовле­н­ня припоїв, спорт. інвентарю, високоміц. струн муз. інструментів. Роз­горнуто дослідж. щодо викори­ста­н­ня М. а. с. на основі Ti та Zr у біо­медицині.

Завантажити статтю