Металлические стекла и их свойства

Благодаря своим электрическим  свойствам металлические стекла могут применяться, например, в качестве термометров сопротивления и  нагревателей при низких температурах и прецизионных резисторов с нулевым  температурным коэффициентом сопротивления. Сверхпроводящие ленты из металлического стекла нечувствительны к радиационным повреждениям и, следовательно, могут  оказаться предпочтительными для  применений в технике термоядерного  синтеза.

Хорошее сопротивление коррозии делает их очень ценными для химии, хирургии, биомедицины. Однако для таких  применений в общем случае металлические стекла должны иметь не лентообразную, а какую-то другую форму.

Возможны также другие применения металлических стекол, например, в качестве фольг для пайки  твердым припоем, эмиссионных катодов, плавких предохранителей и аккумуляторов  водорода [7].

3. ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Электропластический эффект (ЭПЭ) был обнаружен в 1969 году при действии одиночными импульсами тока плотностью ~ 10⁵ А/ см² и длительностью ~ 10^-4 с на деформацию кристаллов цинка растяжением и сжатием. Он проявлялся в скачкообразных удлинениях образцов при прохождении по ним каждого импульса тока без какого-либо существенного теплового эффекта и без дилатации образцов. В основе эффекта лежит ускорение пластического течения металла потоком электронов проводимости, которые помимо джоулевого эффекта способны оказывать особое специфическое электропластическое действие на металл, находящийся под механическими напряжениями выше предела текучести, включающее в себя как действие «электронного ветра», так и вибрации решетки под влиянием пинч-эффекта [1].

Примерно  десять лет спустя новый эффект действия тока был подтвержден профессором  Г. Конрадом с сотрудниками [2, 3, 10]. При  этом использовались такие же плотности  тока и длительности одиночных импульсов. Опыты ставились на образцах титана диаметром ~ 0,3 мм, что уменьшало возможное  влияние пинч-эффекта. К исследованиям  ЭПЭ в 70-ые годы прошлого столетия обратились многие ученые в России, Украине, Америке  и Израиле. Установлено, что ЭПЭ  фиксируется на всех без исключения исследованных проводящих и в  той или иной степени пластичных материалах при различных видах  нагружения образцов, включая сжатие и более сложные напряженные состояния. Он может действовать наряду с джоулевым эффектом в ставших традиционными способах обработки металлов давлением с участием электрического тока, таких как электроконтактный нагрев (ЭКН) и индукционный нагрев токами Фуко, где используется джоулевый эффект [9].

Силы  взаимодействия между частицами  в твердых телах имеют электромагнитную природу, причем величины положительных  и отрицательных электрических зарядов в теле в точности равны друг другу, что обеспечивает его макроскопическую электрическую нейтральность. Однако, поскольку любой кристалл содержит дефекты разных типов, искажающие идеальную структуру, отдельные его микрообъемы неидентичны друг другу, и строгое равновесие зарядов в локальной области вблизи дефекта не выполняется. В этом случае электрические поля в диэлектриках и электрические токи в проводниках будут оказывать действие на области кристалла, содержащие дефекты. Поскольку за пластичность ответственны именно дефекты, то электрическое воздействие может эффективно менять характер пластического течения кристаллов.

Подавляющее большинство металлов и сплавов  используются в практике в пластически  деформированном состоянии. С физической точки зрения металл – это электронная  жидкость, в которую погружены  положительно заряженные ионы, образующие его кристаллическую решетку. Пропускание  достаточно мощных импульсов электрического тока плотностью ~ 1 ГА/ м² позволяет существенно повлиять на динамику процесса пластической деформации [1, 11]. Такая плотность электрического тока объясняет трудности его реализации: её можно создать только в сравнительно тонких проводниках с размерами поперечного сечения всего около нескольких квадратных миллиметров.

Механизм  воздействия мощных электрических  импульсов на пластичность металлов представляется следующим. Микроскопическое проявление такого эффекта в опытах по движению дислокаций в монокристаллах Zn [8] аналогично тому, как для кристаллов NaCl. Оказалось, что в этом случае также наблюдается ускорение движения дислокаций. Движущиеся при протекании тока электроны рассеиваются на дислокациях и передают им свой импульс. Это приводит к появлению дополнительной силы, действующей на дислокацию. Такое явление было названо «электронным ветром».

В процессе пластической деформации формируются  неравновесные группы дислокаций (заторможенные  дислокационные скопления, группы скоплений  в линии скольжения и др.). Импульс  тока вызывает их разрядку, сопровождаемую микропластической деформацией. При  этом основная величина скачка деформации осуществляется за счет энергии внутренних напряжений, накопленных в процессе предварительной пластической деформации, а импульс тока выступает только в качестве инициатора разрядки и  поэтому может быть незначительным по уровню эквивалентного воздействия.

Накопление  новых неравновесных групп нуждается  в дополнительной пластической деформации, то есть существует время формирования неравновесных групп, в пределах которого импульс тока не оказывает  влияния на пластическую деформацию. При этом процессы деформационного  упрочнения вызывают увеличение времени формирования с ростом общей деформации, так что эффективно срабатывает только некоторое число первых импульсов тока, к приходу каждого из которых успевают появиться неравновесные группы дислокаций [12].

4. МАГНИТОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Магнитопластическим эффектом (МПЭ) называют совокупность явлений, обусловленных движением дислокаций в немагнитных кристаллах под воздействием внешних магнитных полей с индукцией ~ 1 Тл и выше при отсутствии деформирующих нагрузок. МПЭ проявляется в изменениях механических характеристик твёрдых тел (пластичности, прочности, текучести и др.), которые могут обнаруживаться либо в присутствии магнитного поля, либо быть долговременными или необратимыми [13].

Впервые этот эффект был обнаружен проф. В.И. Альшицем с сотрудниками  и опубликован в 1987 году. Магнитопластический эффект (МПЭ) как движение дислокаций в постоянном магнитном поле в отсутствии механической нагрузки впервые обнаружен на кристаллах NaCl. Макроскопический МПЭ проявляется в понижении предела текучести немагнитных кристаллов в магнитном поле, в уменьшении их микротвердости, а также коэффициента упрочнения, в изменении параметров внутреннего трения. МПЭ наблюдается в щелочно-галоидных кристаллах, немагнитных металлах, полимерах, молекулярных кристаллах, а также в полупроводниках и сегнетоэлектриках [14-18].

Позднее, не только группа профессора В.И. Альшица, но и другие независимые коллективы начали активное изучение МПЭ в различных конденсированных средах.

Результаты  такой активности привели к подтверждению  магнитопластичности в NaCl и обнаружению подобных эффектов в других материалах (LiF, KCl, KBr, CsI, Al, Zn, NaNO₂, C₆₀, полимерах и др.). При этом использовались различные виды МП, практически все методики исследования микроструктуры и механических свойств, различные виды нагружения и температурные диапазоны [16].

Исследование  МПЭ в диамагнитных кристаллах привело  к пониманию существенной роли спин-зависимых реакций между структурными дефектами в формировании пластических свойств кристаллов. Впервые гипотеза о влиянии магнитного поля (МП) на пластичность ионных кристаллов путем изменения кинетики спин-зависимых реакций была высказана в отношении взаимодействия между точечными дефектами и дислокациями. Установлено, что еще одним типом спин-зависимых реакций, влияющих на подвижность дислокаций в МП, является процесс агрегирования примесно-вакансионных (ПВ) диполей в сложные комплексы. Практический интерес к таким реакциям обусловлен тем, что влияние МП на кинетику релаксации подсистемы точечных дефектов приводит к перестройке набора дислокационных стопоров и наблюдается не только в ионных, но и в ионно-ковалентных (ZnS, InSb) и ковалентных (Si, Ge) кристаллах, где оно может быть обнаружено по изменению не только механических, но и электрических и оптических свойств [16-18].

В настоящее  время многие детали взаимодействия парамагнитных ПВ-диполей, дрейфующих в кристалле и агрегирующих в  комплексы под действием термических  флуктуаций, остаются неизвестными. Многочисленные работы и обзоры, посвященные этому  вопросу задолго до обнаружения  магнитопластического эффекта, не позволили понять закономерности наиболее важных, начальных, стадий агрегации ПВ-диполей и эволюции уже сформированных комплексов. Основная трудность заключается в том, что стандартные спектроскопические методы исследования электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), люминесценции и других свойств кристаллов с дефектами оказываются малочувствительными при попытке отличить друг от друга различные комплексы ПВ-диполей, возникающие на самых ранних стадиях агрегирования, а также идентифицировать многочисленные различные конформации одного и того же типа комплексов. В то же время именно начальные стадии релаксации точечных дефектов приводят к формированию сравнительно долгоживущих (~1-10 ч при комнатной температуре) комплексов, структура которых изменяется под действием МП.

Одним из наиболее информативным способом определения высоты барьеров, разделяющих различные состояния дефектов, и исследования кинетики внутрикристаллических реакций является термоактивационный анализ. Ранее предпринимались неоднократные попытки исследования роли термоактивационных процессов в магнитопластическом эффекте. Однако при этом использовалась такая постановка экспериментов, при которой изменение температуры могло повлиять сразу на несколько различных процессов, протекающих как во время, так и до (или даже после) спин-зависимой стадии. Такими процессами могут быть формирование атомарной структуры магниточувствительных комплексов точечных дефектов, термофлуктуационная генерация их электронных магниточувствительных состояний, спин-решеточная релаксация в магниточувствительном состоянии и др. [14-17].

5. ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Отжиг — вид термической обработки металлов и сплавов, главным образом сталей и чугунов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений [19].

Различают 2 два вида отжига:

• отжиг 1-го рода – в процессе отжига не происходит фазовой перекристаллизации;
• отжиг 2-го рода - осуществляется с фазовой перекристаллизацией.

При отжиге первого рода не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями, однако за счет возрастания подвижности атомов при нагреве частично или полностью устраняется химическая неоднородность, медленное охлаждение после отжига позволяет снизить внутренние напряжения. В металлах и сплавах при таком отжиге снимается наклеп, понижается твердость, возрастают пластичность и ударная вязкость. Разновидностями отжига первого рода являются: диффузионный (гомогенезирующий) отжиг, рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация), отжиг для снятия напряжения.

Цель гомогенизирующего отжига — устранение химической, а иногда и фазовой неоднородности, вызванной внутрикристаллической ликвацией, и, как правило, отрицательно влияющей на свойства материала. Длительность отжига и температура подбираются таким образом, чтобы диффузия успела пройти на расстояния, равные по порядку величины размеру областей неоднородности. Обычно гомогенизирующий отжиг проводят при температурах (0,8-0,9) Т_пл, а продолжительность отжига может достигать нескольких десятков часов. При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава. Все сплавы после кристаллизации характеризуются неравновесной структурой, 
т. е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего образца.

Однако  усреднение химического состава  при отжиге происходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в  основном дендритная ликвация (неоднородность химического состава сплавов, возникающая  при кристаллизации). Длительность отжига может быть сокращена ускорением диффузии за счет повышения концентрации точечных или иных дефектов с помощью  облучения, предварительного наклепа (если они допустимы). Длительность отжига монокристаллов больше, чем  поликристаллов, в которых большую  роль играет зернограничная диффузия.

В процессе отжига металла на гомогенизацию  происходит постепенное растворение  неравновесных фаз, которые могут  образоваться в результате кристаллизации с большой скоростью. При последующем  медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после гомогенизации  металл обладает повышенной пластичностью  и легко поддается пластической деформации.

Рекристаллизационный отжиг применяется, в основном, для металлов и сплавов, подвергшихся деформационным воздействиям. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, возникает наклеп. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг,  
т.е. металл нагревают до температур выше начала кристаллизации, выдерживают и затем медленно охлаждают. Состояние наклепанного материала является термодинамически неустойчивым при всех температурах. Поэтому в отличие от обычных фазовых превращений переход деформированного металла в более стабильное состояние с меньшей свободной энергией не связан с какой-либо определенной температурой. Однако этот переход требует определенной термической активации. Деформация сопровождается образованием дефектов различного типа и характер их распределения разнообразен, поэтому устранение этих дефектов при отжиге происходит путем различных элементарных процессов, совершающихся с разной скоростью, в разных температурных интервалах, с разной энергией активации [19].