Металлические стекла и их свойства

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

 

“ Металлические стекла и их свойства “

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тамбов 2012 г. 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 3

1 Металлические стекла 5

1.1 Деформация металлических стекол 6

1.2 Механические свойства металлических стекол 7

2 Применение металлических стекол 11

3 Электропластический эффект 13

4 Магнитопластический эффект 16

5 Влияние отжига на механические свойства металлов 19

6 Влияние структурной релаксации на свойства аморфных сплавов 23

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Прочность и пластичность являются актуальными  направлениями исследований механики разрушения. Данные области механики деформируемого твердого тела интенсивно развиваются в большой мере в  связи с всё возрастающими  запросами промышленности, из-за чего роль новых материалов и технологий с каждым годом возрастает. Их разработка, получение и изучение свойств  является объективной необходимостью развития человеческого общества.

Открытие  электропластического эффекта на металлах привело к более глубокому пониманию механизма пластической деформации [1]. Появилась возможность управлять механическими свойствами металлических материалов. В экспериментах с импульсным током было обнаружено увеличение пластичности и уменьшение хрупкости металла. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений. Электропластический эффект линейно зависит от плотности тока, наиболее выражен при импульсном токе, а при переменном токе отсутствует.

Целесообразность  расширения использования электропластического эффекта стала очевидной, так как его применение снижает энергетические затраты, а значит и экономические. В частности, в промышленности различные материалы широко используются в электрических полях, вследствие чего их механические характеристики меняются.

Физические  свойства металлических стекол (высокая  прочность в сочетании с пластичностью, высокая твердость, коррозионная стойкость, стойкость к истиранию и удельное электросопротивление и др.) определяются не только химическим составом, но и структурным состоянием этих материалов.

Массовое  использование аморфных металлических  сплавов, работающих в электрических  полях, ставит задачи по изучению их механических свойств в условиях действия импульсного  электрического тока.

 

1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА

 

Первоначально металлические стекла были предметом  лишь научного интереса, как новое, необычное состояние твердого тела, однако сейчас они интенсивно используются. Металлические стекла во многих отношениях подобны и обычным стеклам, и жидким металлам. Резкое увеличение удельной теплоемкости при температуре стеклования сопровождается резким обратимым уменьшением вязкости. Наблюдаемые обратимые изменения вязкости и удельной теплоемкости означают, что металлические стекла, подобно стеклам других типов, могут переходить в переохлажденное жидкое состояние без кристаллизации. При температуре, немного превышающей температуру стеклования, происходит рекристаллизация металлических стекол [2].

Авторам работы [3] удавалось получать лишь отдельные формы металлических стекол, но позднее были разработаны полунепрерывные и непрерывные методы производства проволок или лент. При непрерывном процессе достигаются скорости получения ленты до ~ 1800 м/мин. Такая высокая производительность плюс преимущества формирования ленты в жидком, а не в твердом состоянии обеспечивают экономичность производства. Были разработаны сплавы на основе довольно недорогих металлов, таких как Fe, Ni и Со, обладающие достаточной прочностью. Аморфные металлические нити из таких сплавов находят применение в качестве относительно недорогих, обладающих высокими характеристиками, армирующих элементов в композиционных материалах. Этим объясняется значительный научный интерес и технологические усилия, направленные на изучение механических свойств металлических стекол.

В настоящее  время известны аморфные сплавы для  многих металлических систем. Они  образуются при существенно меньшей  скорости охлаждения (~100 К/с) и имеют, как правило, сложный химический состав и состоят не менее чем из четырех компонентов. Температура стеклования для этих сплавов обычно ниже температуры кристаллизации. Появление таких металлических стекол (сплавов с низкой критической скоростью охлаждения, позволяющей получать в аморфном состоянии слитки весом до 1 кг и более) создало перспективу их применения и в качестве конструкционных материалов. Такие материалы называются объемными.

 

1. Деформация  металлических стекол

 

Пластическое течение в металлических  стеклах осуществляется в виде сильно локализованных сдвиговых деформационных полос. В случае, когда механические условия таковы, что удается избежать катастрофической нестабильности процесса, имеются множественные полосы сдвига при одноосном сжатии, изгибе, прокатке и протяжке, а также при локализованном индентировании [2].

Деформации в отдельных полосах  исключительно велики. При исследовании поверхностных реплик с подвергшихся резкому изгибу лент Pd₈₀Si₂0 с помощью трансмиссионной электронной микроскопии Масумото и Маддин [4] наблюдали полосы сдвига шириной ~ 200 Å. С помощью интерференционной микроскопии на поверхности были обнаружены связанные с ними ступеньки высотой до 2000 Ǻ, что свидетельствует о сдвиговых деформациях в полосе. Такие полосы появляются задолго до разрушения, следовательно, сдвиговая деформация разрушения материала превышает значение 200 Å. Способность выдерживать большие деформации связана с отсутствием жесткой пространственной направленности связей структуры или с тем, что аморфная матрица относительно свободна от таких макроскопических дефектов, как поры, оксидные включения, отдельные кристаллики и т.д. Первое объясняет пластичность металлических стекол по сравнению с другими неорганическими стеклами типа диоксида кремния, имеющими ковалентные связи; второе объясняет наличие более локализованной пластичности металлических стекол в сравнении с пластичностью при изгибе стальных листов.

Сильная локализованная сдвиговая  деформация уже сама по себе свидетельствует  об отсутствии деформационного упрочнения в металлических стеклах. Дополнительное подтверждение этому дают испытания  на сжатие, выполненные Пампилло и Ченом на аморфном сплаве Pd_77,5Cu₆Si_16,5 [3]. Стекло этого состава аморфизуется, что позволяет получать стержни большого диаметра (~ 2 мм), удобные для проведения испытаний на сжатие. Образцы подвергались сжатию до появления полос деформации. После этого они подверглись полировке для удаления образованных полосами ступенек на их поверхности и впоследствии были снова нагружены. Оказалось, что полосы, возникшие после первого нагружения, проявились снова, хотя концентраторов напряжений, связанных со ступеньками скольжения на поверхности, не было. Этого не было бы при наличии деформационного упрочнения полос [3]. Форма кривых «напряжение – деформация» свидетельствует об отсутствии деформационного упрочнения: напряжение, необходимое для пластического течения, сохраняется приблизительно постоянным.

 

2. Механические свойства металлических стекол

 

Вследствие отсутствия деформационного  упрочнения деформация стекол в режиме одноосного растяжения механически  нестабильна, пластическое течение  перерастает в разрушение. Для  проволок растяжение создает катастрофическую сдвиговую неустойчивость. В случае лент, чтобы исключить надрыв, проявлению подобной неустойчивости предшествует образование шейки. При этом шейку  трудно обнаружить, хотя ориентировка сдвига ясно указывает на ее существование, а при более высоких температурах образуется более развитая шейка и легко наблюдаемая.

Для лент металлических стекол с  постоянным поперечным сечением при  растяжении типично разрушение путем  распространения надрыва, характерное  для тонких полос высокопрочных  материалов. Разрушение начинается обычно в захватах вследствие существующих там концентраций напряжений. Надрыв распространяется аналогично винтовой дислокации в плоскости, ориентированной  под углом ~ 45° по отношению к оси растяжения и нормали к поверхности ленты. В пластической зоне, примыкающей к трещине, осуществляется локализованная сдвиговая деформации, и по деформированному материалу происходит сдвиговый разрыв [3, 5].

В радиально симметричном образце  тенденция к надрыву устранена, и разрушение происходит одновременно со сдвиговой нестабильностью. По всему  поперечному сечению образца  под углом 45° к оси растяжения развивается исключительно сильная  полоса сдвига, по которой и происходит сдвиговой разрыв.

Условия пластической нестабильности ленты были рассмотрены Хиллом. Для  тонкой пластинки утонение (образование  шейки) должно произойти вдоль направления  нулевого растяжения в плоскости  пластинки; такое направление определяется условием, что составляющая напряжения, параллельная ему, равна половине составляющей, перпендикулярной этому направлению [3]. Для изотропной ленты это определяет зону образования шейки, нормаль  к которой ориентирована под  углом в 35,3° к оси растяжения и под углом в 90° к вектору толщины [6].

На поверхности разрушения стекол обычно наблюдается небольшая гладкая  область, соответствующая начальному сдвигу. Остальная часть поверхности  отмечена "венообразным узором", который впервые наблюдал и описал Лими и др. [3]. Используя стереосканирующую электронную микроскопию, Лими с сотрудниками установили, что вены представляют собой выступы на плоском фоне. В материале зарождаются и распространяются по полосе сдвига сдвиговые дискообразные трещины. Там, где они встречаются, материал разрушается путем образования внутренних шеек, в результате чего появляются плавно закругляющиеся "вены". Образование сдвиговых дискообразных трещин происходит с участием дилатации (расширения или сжатия) образца. Это подтверждается тем фактом, что при растяжении аморфной проволоки в условиях наложенного гидростатического давления трещина возникает предпочтительно на наружной периферии зоны сдвига. В этом случае на поверхности разрушения преобладает семейство тесно расположенных, приблизительно параллельных вен, ориентированных перпендикулярно направлению сдвига. Короткие сегменты трещин распространяются как винтовые компоненты дислокационной петли, оставляя позади себя вены, которые являются аналогами диполей краевых дислокаций.

Окончательное разрушение проволоки, испытываемой на усталость, происходит всегда одновременно с общим течением по оставшейся части сечения, по которой  еще не распространилась усталостная  трещина. Разрушение ленты с базой  происходит таким же образом, если прикладываемое растягивающее напряжение составляет приблизительно 99% от напряжения течения. В случае меньших уровней напряжений разрушение происходит под углом 45°. В последнем случае в центральной  части сечения непосредственно  перед усталостной трещиной имеет  место трехосное напряженное  состояние. Поверхность катастрофического  разрушения ориентирована под углом 90° к оси растяжения. Макроскопически такое разрушение носит хрупкий характер. При этом усталостная трещина распространяется от места своего зарождения по площади, представляющей собой полуокружность. После этого происходит быстрое разрушение. Для поверхности разрушения, ориентированной под углом 90° к оси растяжения, характерен классический V-образный "шевронный" узор, линии которого ориентированы к месту образования трещины. При более подробном рассмотрении поверхности разрушения шевроны имеют пилообразную форму с поверхностями, расположенными наклонно по отношению к оси растяжения. Детальное изучение этих поверхностей показало, что они покрыты тонкой сеткой равноосного "венообразного" узора. Это свидетельствует о том, что даже при макроскопических условиях плоской деформации локальное разрушение происходит сдвиговым путем [3].

 

2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕКОЛ

 

Интерес к металлическим  стеклам был инициирован, прежде всего, возможностями их применения в технике, основанными на необычных  свойствах этих материалов.

Механические свойства металлических  стекол позволяют применять их в  качестве упрочняющих нитей в  композитных материалах, используемых в строительстве, аэронавтике и  спорте, а также для армирования  бетона и подобных материалов. Прочные ленты могут быть использованы в качестве намотки для упрочнения сосудов высокого давления или для построения больших маховых колес, используемых для аккумулирования энергии. Высокая твердость и отсутствие границ зерен позволяют получать отличные режущие кромки, в частности бритвенных лезвий. Могут найти применение некоторые виды пружин, изготовленных из металлических стекол.

Магнитные свойства, металлических  стекол открывают возможность их применения в качестве материалов для  сердечников индуктивных составляющих электронных схем, в силовых трансформаторах, где они могут заменить обычные  сплавы Fe-Si с ориентированными зернами, а также в двигателях, в качестве магнито – мягких материалов для магнитного экранирования, в качестве записывающих магнитных головок, датчиков, возбудителей механических фильтров и линий задержки.