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 об’ємні 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 Фур’є 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 об’єм. 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 об’єму одинич. вільний об’єм 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 Б’юрґерса дислокацій у М. а. с. змінюється за величиною і напрямком уздовж дислокацій. лінії. Однак середня величина вектора Б’юрґерса 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 об’єм. М. а. с. вироби склад. форми шляхом штампування. Нині досить часто у промисловості використовують магнітно-м’які 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 об’єм. 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. Об’ємні М. а. с. застосовують в електроніці, для виробництва жорстких дисків, сенсорів і актюаторів комп’ютерів. 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.

Літ.: Мирошниченко И. С., Салли И. В. Установка для кристаллизации сплава с большой скоростью // Завод. лаб. 1959. Т. 25, № 11; J. D. Bernal. Geometry of the structure of monoatomic liquids // Nature. 1960. Vol. 185; J. J. Gilman. Flow via dislocations in ideal glasses // J. Appl. Phys. 1973. Vol. 44; F. Spaepen. A microscopic mechanism for steady state inhomogeneous flow in metallic glasses // Acta Metallurgica. 1977. Vol. 25; A. S. Argon, H. Kuo. Plastic flow in a disordered bubbler raft (an analog of a metallic glass) // Mater. Sci. and Eng. 1979. Vol. 39, № 1; Гаскелл Ф. В. Модели структуры аморфных сплавов // Металлические стекла. Атом. структура и динамика, электрон. структура, магнит. свойства / Пер. с англ. Москва, 1986; Yu. V. Milman, E. S. Koba. On the dislocation mechanism of plastic flow in metallic glasses // Science Sintering. 1999. № 31; A. Inoue. Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys // Acta Materialia. 2000. Vol. 48; D. B. Miracle. A structural model from metallic glasses // Nature materials. 2004. Vol. 3; Слипенюк А. Н., Мильман Ю. В. Аморфные металлические материалы // Неорган. материаловедение. Мат. и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 1; Мильман Ю. В., Козырев Д. В. Аморфные металлические сплавы. Структура, свойства и применение // Физ.-тех. пробл. современ. материаловедения. К., 2013. Т. 1.

Ю. В. Мільман, І. В. Гончарова

Розмір шрифту

Металеві аморфні сплави

Рекомендована література

Інформація про статтю

Схожі статті