Металлические стекла и их свойства

Если  необходимо получить металл или сплав, сочетающий определенный уровень прочности  с необходимым запасом пластичности, то вместо рекристаллизационного отжига используют отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата, т.е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения могут возникать в результате различных видов обработки. Например, в металлах и в сплавах, это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, возникшими в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению.

Отжиг 2-го рода является перекристаллизационным отжигом. Во время его проведения в материале происходит полиморфное или другое фазовое превращение, связанное с заменой данной фазы другой (фазовая перекристаллизация). Поэтому для изменения кристаллитов в поликристалле материал отжигают при температуре, превышающей температуру этого превращения. Так как фазовая перекристаллизация осуществляется путем зарождения и роста центров новой фазы, то меняя скорость нагрева и охлаждения, а также температуру перегрева (выше температуры полиморфного превращения), можно управлять величиной кристаллитов 
[4, 6, 19].

6. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОЙ РЕЛАКСАЦИИ НА СВОЙСТВА АМОРФНЫХ СПЛАВОВ

Гомогенная релаксация, называемая чаще структурной (СР) происходит однородно во всем объеме образца с сохранением его аморфности. В процессе СР изменяется ближний порядок, что сопровождается обычно лишь небольшим понижением степени неравновесности стекла. При этом нестабильные атомные конфигурации, возникающие в момент аморфизации в процессе закалке, переходят в стабильные конфигурации посредством небольших атомных смещений. В результате, происходит уплотнение аморфных матриц, связанное с частичной аннигиляцией и удалением избыточного свободного объема. Существенно то, что смещение атомов в процессе структурной релаксации меньше межатомных расстояний и происходит они в локальных областях. Величина теплоты превращения в стабильную фазу, которая может служить мерой такой неравновесности, изменяется в этом случай незначительно.

Структурная релаксация оказывает  существенное влияние на свойства аморфных сплавов. Прочностные характеристики в этом смысле не являются исключением. Структурные изменения, вызванные  низкотемпературным отжигом аморфных сплавов, связаны с атомными перестройками  без диффузии на дальние расстояния. Этот процесс сопровождается снятием  остаточных напряжений и аннигиляцией избыточного свободного объема.

При этом отмечается снижение скорости ползучести при гомогенном вязком течении [20, 21]. Значение модуля Юнга после отжига возрастает по мере увеличения его продолжительности и достигает некоторого постоянного значения. При циклическом изменении температуры отжига происходит и циклическое изменение модуля Юнга [22]. Иными словами, существует как обратимая, так и необратимая компоненты изменения модулей упругости на стадии структурной релаксации.

Эффект низкотемпературного  упрочнения (ЭНУ) для аморфных сплавов различного состава появляется в разной степени в температурном интервале 50-150 °С, в то время как эффект высокотемпературного упрочнения (ЭВУ) резко выражен у всех аморфных сплавов систем типа металл-металлоид. Отмечена также корреляция температурного интервала проявления ЭВУ с температурой кристаллизации конкретного сплава.

Наблюдаемый на всех аморфных сплавах  сдвиг температурного интервала  проявления ЭНУ в область более  низких температур с увеличением  продолжительности изотермических отжигов свидетельствует о термоактивационной природе ЭНУ [23].

Сегрегационные эффекты на дефектах типа свободного объема в аморфных сплавах можно рассматривать  как формирование в аморфной матрице  композиционного ближнего расслоения – явления, противоположного ближнему упорядочению. В пользу этого предположения  свидетельствует и характер влияния  избыточного давления струи расплава на параметры ЭНУ: увеличение избыточного  давления приводит к существенному  сдвигу температурного интервала начала проявления ЭНУ и его пика в  область больших температур, в  то время как температурный интервал падения прочности не изменяется (что приводит к "заострению" пика ЭНУ). В предположении, что избыточное давление повышает степень ближнего порядка (или общее количество областей с повышенной корреляцией в расположении атомов), влияние избыточного давления на параметры ЭНУ можно объяснить  как торможение процессов сегрегации при низкотемпературных отжигах  за счет наличия ближнего порядка, препятствующего  перераспределению атомов-металлоидов. Однако с повышением температуры  отжига термодинамически более выгодным может стать процесс сегрегации, в результате чего качественные характеристики ЭНУ не изменяются, сдвигается только температурный интервал его появления.

Наряду с сегрегационными процессами в ходе структурной релаксации происходит миграция областей свободного объема, приводящая к частичной его аннигиляции  на поверхности ленты и при  встрече областей пониженной и повышенной плотности, а также происходит существенное изменение исходного распределения  по размерам областей свободного объема. Следует отметить, что благодаря  повышенной подвижности (низкой энергии  активации миграции) дефекты меньшего размера будут аннигилировать с  большей скоростью. Кроме того, слияние  нескольких областей свободного объема в одну также приведет к увеличению среднего размера дефектов. Сдвиг  распределения по размерам дефектов происходит в сторону больших  величин. Он сопровождается уменьшением  числа "носителей" пластического  течения, независимо от наличия или  отсутствия сегрегации на дефектах увеличенного размера. Сдвиг должен привести к  снижению прочности и формированию ниспадающей части максимума  на кривой зависимости σ_t  от температуры отжига в области ЭНУ.

Совместное  рассмотрение температурных интервалов существования ЭВУ и появления  структурных изменений, фиксируемых  электронно-микроскопически, позволяет сделать вывод о том, что высокотемпературному упрочнению соответствует появление в аморфной матрице микрокластеров (областей с повышенной корреляцией в расположении атомов). В пользу этого предположения свидетельствует характер воздействия изменений избыточного давления струи расплава на характеристики ЭВУ. Как показал анализ влияния величины избыточного давления на склонность к пластическому течению аморфной матрицы в исходном состоянии, обусловленную степенью закаливаемого ближнего порядка, увеличение избыточного давления приводит, по-видимому, к увеличению степени ближнего порядка в исходном состоянии. Это, в свою очередь, облегчает образование кластеров, что влечет за собой экспериментально фиксируемый сдвиг температурного интервала появления ЭВУ в область меньших температур [24].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Первоначально металлические стекла были предметом  лишь научного интереса, как новое, необычное состояние твердого тела, однако сейчас они интенсивно используются в промышленности.

Появление 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. 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.

Металлические стекла характеризуются наличием электропластического и магнитопластического эфекта. Электропластический эффект проявляется в скачкообразных удлинениях образцов при прохождении по ним каждого импульса тока без какого-либо существенного теплового эффекта и без дилатации образцов. 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.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука. 1985. 160 с.
2. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М: Металлургия. 1986. 176 с.
3. Гилман  Д.Д., Лими  Х.Д. Металлические стекла. М.: Металлургия. 1984. 264 с.
4. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г. Эволюция микроскопических трещин и пор в нагруженных твердых телах // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 5.  
   С. 801 – 807.
5. Бобров О.Л., Лаптев С.Н., Хоник В.А. Релаксация напряжений в массивном металлическом стекле  Zr_52.5 Ti₅CU_17.9Ni_14.6 AI_I0 // ФТТ. 2004. Т. 46. Вып. 6. С. 457 – 460.
6. Кожушка А.А., Синани А.Б. Скорость нагружения и хрупкость твердых тел // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 5. С. 812 – 815.
7. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. Аморфные металлические сплавы // ФТТ. 1990. Т. 160. Вып. 9. С. 75-110.
8. Малыгин Г.А. Анализ структурных факторов, определяющих образование шейки при растяжении металлов и сплавов с ГЦК решеткой // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 2. С. 236-241.
9. Батаронов И.Л. Механизмы электропластичности // Соросовский образовательный журнал. 1999. Вып. 10. С. 93-99.
10. Кобелев Н.П., Колыванов Е.Л., Хоник В.А. Нелинейные упругие характеристики объемных металлических стекол Zr_52.5Ti₅Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀ и Рd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀ // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 3. С. 395 - 399.
11. Зуев Л.Б. Физика электропластичности щелочно-галоидных кристаллов. Новосибирск: Наука. 1990. 120 с.
12. Зуев Л.Б. Электрические поля и пластичность кристаллов // Соросовский образовательный журнал. 1998. Вып. 9. С. 92-95.
13. Альшиц В.И., Даринская Е.В., Колдаева М.В., Петржик Е.А. Магнитопластический эффект: основные свойства и физические механизмы // Кристаллография. 2003. Т. 48. Вып. 2. С. 826-854.
14. Моргунов Р.Б., Баскаков А.А., Трофимов И.Н., Якунин Д.В. Роль термоактивируемых процессов в формировании магниточувствительных комплексов точечных дефектов в монокристаллах NaCl: Eu // ФТТ. 2003. Т. 45. Вып. 2. С. 257-258.
15. Петрижик Е.А., Даринская Е.В. Влияние легирования и предварительной обработки на магнитостимулированную подвижность дислокаций в монокристаллах InSb // ФТТ. 2003. Т. 45. Вып. 2.  
    С. 254-256.
16. Осинская Ю.В., Петров С.С., Покоев А.В. Исследование методом малоуглового рассеяния нейтронов магнитопластического эффекта в бериллиевой бронзе при старении в магнитных полях // ФТТ. 2010. 
    Т. 52. Вып. 3. С. 486-488.
17. Смирнов Б.И., Песчанская Н.Н., Николаев В.И. Магнитопластический эффект в сегнетоэлектрических кристаллах NaNO₂ // ФТТ. 2001. Т. 43. Вып. 12. С. 2154-2156.
18. Скворцова А.А., Орлов А.М., Соловьев А.А., Белов Д.И. Магнитопластический эффект в кремнии // ФТТ. 2009. Т. 51. Вып. 12.  
    С. 2304-2308.
19. Шалыгина Е.Е., Козловский Л.В., Абросимова Н.М., Мукашева М.А. Влияние отжига на магнитные свойства пленок Ni // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 4. С. 660-665.
20. Глезер А.М., Молотилов Б.В., Утевская О.Л. Механические свойства аморфных сплавов // Металлофизика. 1983 Т. 5. Вып. 1. С. 29-45.
21. Михайлов В.А. Ползучесть металлических стекол в условиях интенсивной структурной релаксации. Воронеж. 1998. 121 с.
22. Кобелев Н.П., Сойфер Я.М., Бродова И.Г., Манухин А.Н. Внутреннее трение и изменение модуля Юнга в сплаве Mg-Ni-Y, обусловленное переходом из аморфного в нанокристаллическое состояние // ФТТ. 1999. Т. 41. Вып. 4. С. 561-566.
23. Глезер А.М., Утевская О.Л. Параметры структурной релаксации и механические свойства аморфных сплавов // ФММ. 1984. Т. 57. Вып. 6. С. 1198-1210.
24. Власова Е.Н., Молотилов Б.В. Последовательность структурных изменений при нагреве аморфных сплавов системы Co-Fe-Si-B // Прецизионные сплавы. М.: Металлургия. 1980. Вып. 6. С. 16-22.