Металлические стекла, или аморфные сплавы, получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации. В этом случае зарождение и рост кристаллической фазы становятся невозможными и металл после затвердевания имеет аморфное строение. Высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты различными методами, однако наиболее часто используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска (рис. 177). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки.

Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Al, Pb, Sn, Си и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Со, Fe, Мп, Сг к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, В, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле М 80 Х 20 , где М - один или несколько переходных элементов, а X - один или несколько неметаллов или других аморфообразующих элементов (Fe 80 P 13 C, Ni 82 P 18 , Ni 80 S 20).

Рис. 177. Схема получения аморфных сплавов с помощью быстрого охлаждения из расплава: а - разливка на диск; б - разливка между двумя дисками; 1 - индуктор; 2 - расплав; 3 - тигель; 4 - диск; 5 - лента аморфного материала

Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристаллизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд мета- стабильных в стабильное кристаллическое состояние. Механические, магнитные, электрические и другие структурно-чувствительные свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упрочнения.

Высокие механические свойства

Высокими механическими свойствами обладают аморфные сплавы на основе кобальта.

Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью для сплавов на основе железа и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теоретической. Это объясняется, с одной стороны, высоким
значением о т, а с другой - более низкими значениями модуля упругости Е (на 30-50 %) по сравнению с кристаллическими сплавами.

Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3-5 % Сr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Со, Ni с добавками 15-25 % аморфообразующих элементов В, С, Si, Р используют как магнитно-мягкие материалы.

Группы аморфных сплавов

Магнитно-мягкие аморфные сплавы делят на три основные группы:

1. аморфные сплавы на основе железа с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой (32-35 мА/см);
2. железоникелевые сплавы со средними значениями магнитной индукции (0,75-0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов (6-7 мА/см);
3. аморфные сплавы на основе кобальта, имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900-1000 HV), низкую коэрцитивную силу и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного электрического сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи - это их главное достоинство.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы применяют в электротехнической и электронной промышленности (магнитопроводы трансформаторов, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т. д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготовления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу.

Область применения металлических стекол пока еще ограничена тем, что быстрым охлаждением (закалкой) из жидкого состояния их удается получить только в виде тонких лент (до 60 мкм) шириной до 200 мм и более или проволоки диаметром 0,5-20 мкм. Однако имеются широкие перспективы развития материалов этой группы.

алюминиево стальная проволока (КАС-1А), никелево вольфрамовая проволока (ВКН-1).

Композиционные материалы с неметаллической матрицей. Неме-

таллическая матрица – это полимерные, углеродные и керамические материалы. В качестве полимеров используют эпоксидную, фенолформальдегидную и полиамидную матрицы. Упрочнителями служат стеклянные, углеродные, борные, органические, неорганические (нитевидные кристаллы оксидов, боридов, карбидов, нитридов) волокна; металлические проволоки; дисперсные частицы. Полимерные композиты по типу упрочнителя делят на стекло-, карбо-, боро- и органоволокниты.

В слоистых материалах (см. рис. 8.3, в ) волокна, нити после пропитки связующим укладывают в плоскости, которые собирают в пластины. Изменяя способ укладки волокон, получают изотропный или анизотропный КМ.

Стекловолокниты – это композит из синтетической смолы и стекловолокна (армирующего компонента). Неориентированные стекловолокниты – с коротким волокном, а ориентированные – с длинными волокнами. Этим придают стеклопластику высокую прочность.

Карбоволокниты (углепласты) состоят из матрицы – полимерного связующего и упрочнителя – углеродных волокон (карбоволокон). Связующее – синтетический полимер (полимерный карбоволокнит) или карбоволокнит с углеродной матрицей – пиролитический углерод (кокс).

Бороволокниты состоят из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон.

Они имеют высокую прочность (выше, чем у карбоволокнитов) и твёрдость, тепло- и электропроводность, высокие химическую стойкость и сопротивление усталости. Они превосходят металл по вибропрочности.

Органоволокниты состоят из полимерного связующего и упрочнителей – синтетических волокон. Они имеют высокую удельную прочность и жёсткость, устойчивы в агрессивных средах, малочувствительны к повреждениям.

В горном машиностроении композиционные материалы применяют для изготовления фрикционных и антифрикционных деталей, бурового инструмента (коронки), деталей конвейеров, комбайнов, электродов, электроконтактов.

8.4. Металлическиестекла

Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные металлы, метглассы) – это металлические сплавы в стеклообразном состоянии, получаемые после охлаждения расплавов с большими скоростями (< 106 К/с). Металлические стекла – это «замороженные» расплавы, т.е. метастабильные системы и поэтому они кристаллизуются при нагревании до температуры около 0,5 Tпл . Образуют металлические стекла переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Co, Ni), благородные и поливалентные неметаллы (C, B, N, Si, P, Ge), которые являются стеклообразующими.

Металлические стекла однофазны, не имеют дефектов структуры (вакансий, дислокаций). У них высокая прочность, большая пластичность, вы-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 8. Антифрикционные, порошковые и композиционные сплавы

сокая коррозионная стойкость. Некоторые их них – ферромагнетики или они слабо поглощают звук.

Магнитомягкие металлические стекла получают на основе Fe, Co, Ni с добавлением 15–20 % аморфообразующих элементов – B, C, Si, P (например, Fe81 Si3 5B13 C2 c высоким значением магнитной индукции). Аморфный сплав Co66 Fe4 (Mo, Si, B)30 имеет высокие механические свойства.

Стабильные аморфные сплавы обладают высоким сопротивлением коррозии. Например, металлические стекла на основе Fe и Ni с 3–5 % Cr.

Применение металлических стекол определяют их магнитные и коррозионные свойства.

Контрольныевопросыизадания

1. Приведите примеры марок антифрикционных сплавов.

2. Приведите примеры марок свинцовых и оловянных баббитов.

3. Какая структура определяет антифрикционные свойства баббитов?

4. С какой целью баббиты легируют медью?

5. Приведите примеры марок сплавов на основе цинка.

6. Какие материалы называют металлокерамикой?

7. Опишите пористую металлокерамику и её свойства.

8. Назовите достоинства и недостатки металлокерамики.

9. Какой процесс называют спеканием?

10. Назовите виды конструкционной металлокерамики, их свойства, назначение.

11. Дайте характеристику инструментальной металлокерамики. Каково ее назначение?

12. Какие существуют виды металлокерамики специального назначения с особыми свойствами и как их получают?

13. Какие материалы называют композиционными?

14. Из каких компонентов состоят композиционные материалы?

15. По каким признакам классифицируют композиционные материалы?

16. Опишите металлокомпозиты с металлической матрицей, диспер- сионно-упрочненные и с волокнистым упрочнителем.

17. Дайте характеристику композиционным материалам с неметаллической матрицей.

18. Какие материалы называют металлическими стеклами? Опишите их свойства и виды.

19. Назовите виды защиты металлов от коррозии и опишите их.

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

Глава9. Минеральныеразрыхленные, дисперсныеикаменныематериалы

9.1. Природныекаменныематериалы

Неорганические минеральные вещества – это химические элементы и соединения (оксиды, бескислородные соединения элементов), которые не имеют металлических свойств. Эти материалы обладают химической стойкостью, негорючестью, твердостью, стойкостью к нагреву, стабильностью свойств. Их недостатки – высокая хрупкость, низкая стойкость при изменении температур, растяжении и изгибе.

Природные каменные материалы (ПКМ) – строительные материалы,

получаемые из горных пород механической обработкой (дроблением, расплавлением, раскалыванием и т.д.), после которой почти полностью сохраняются структура и свойства горной породы (табл. 9.1 ).

По характеру обработки поверхности ПКМ делят на следующие виды:

природные строительные камни (каменные изделия) – пиленые стеновые материалы и облицовочные камни, архитектурно-строительные изделия (ступени, подоконники), дорожные материалы (брусчатка, бортовые камни), изделия для гидротехнических сооружений, облицовки опор мостов, технические изделия (доски мраморные, плиты поверочные, валы гранитные для бумагоделательного оборудования), декоративно-художественные изделия;

грубообработанные каменные материалы – бутовый и валунный камни, щебень, гравий, песок.

Причинами разрушения ПКМ являются замерзание воды в порах и трещинах; частое изменение температуры и влажности; химическая коррозия под действием газов (кислорода, водорода и др.) и веществ, растворенных в грунтовой и морской воде.

Таблица 9.1

Классификация ПКМ по способу изготовления

* Процесс придания природному камню нужной формы и внешней отделки.

Для защиты каменных материалов от разрушения применяют следующие способы:

конструктивную защиту – это придание изделиям формы, которая облегчает отвод воды, и гладкой полированной поверхности облицовке;

физико-химическую защиту – это пропитка поверхностного слоя уплотняющими составами, нанесение на лицевую поверхность гидрофобных (водоотталкивающих) составов, пленкообразующих полимерных материалов (прозрачных и окрашенных).

Природные строительные камни (ПСК) . Это строительный материал из горных пород после их распиливания с сохранением структуры и свойств. По плотности их делят на легкие (плотность менее 1 800 кг/м³) и тяжёлые .

Прочность – это потребительское свойство ПСК. Её значение исполь-

зуется в маркировке и оценивается пределом прочности на сжатие σсж , МПа, образцов в воздушно-сухом состоянии.

К потребительским свойствам также относятся истираемость и износ. Для дорожных покрытий, полов применяют твердые мелко- и среднезернистые породы.

Водостойкость ПСК оценивают коэффициентом размягчения Крм (для гидротехнических сооружений Крм составляет не менее 0,8; для наружных стен – не менее 0,6).

Морозостойкость оценивают по числу циклов попеременного замораживания и оттаивания: F10, F15, …, F500. Она зависит от состава, строения и

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Глава 9. Минеральные разрыхленные, дисперсные и каменные материалы

влажности ПСК. Высокая морозостойкость у плотных камней с равномернозернистой структурой и низкая – у слоистых структур.

Огнестойкость зависит от состава и структуры камня. При повышенной температуре одни породы (гипс, известняк) могут разлагаться, а другие (гранит) – растрескиваться.

По назначению ПСК подразделяют: на стеновые, облицовочные, профилированные, дорожные.

Для придания фактуры поверхности используют следующие виды обработки ПСК: ударную, абразивную, термическую.

Стеновые камни получают из плотных, пористых туфов и известняков. Общие требования к стеновым камням: монолитность; плотность от 900 до 2 200 кг/м3 ; σсж = 5–15 МПа для плотных известняков и σсж = 5–40 МПа для туфов; Крм = 0,6–0,7; морозостойкость – не ниже F15; декоративный внешний вид. Мелкопористые природные камни не облицовывают. Стеновые камни для кладки стен (тип I) и перегородок (тип II) выпускают марок 4, 7, 10, 15, 20, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300 и 400 (номера марок соответствуют

значению σсж ).

Стеновые блоки имеют нормируемые линейные размеры с допустимыми отклонениями < 10 мм. Каждый камень заменяет в кладке от 8 до 12 кирпичей, а их масса – не выше 40 кг. Один из возможных вариантов размеров стеновых камней – 390×190×188, а крупные стеновые блоки для механизирован-

ной укладки – 300×800×900.

Пилёные и колотые штучные камни из известняков, доломитов, туфов применяют для кладки устоев мостов, укреплений откосов.

Облицовочные камни – это горные породы красивой окраски и рисунка (декоративность) с необходимой морозостойкостью (не менее F15), прочностью (σсж не менее 5 МПа), монолитностью. Крупные блоки получают из блоков природного камня после распиливания с последующей механической обработкой.

Облицовочные камни могут быть из изверженных, осадочных и метаморфических пород. Прочностная классификация следующая: прочные (σсж > 80 МПа); средней прочности (σсж = 40–80 МПа); низкопрочные

(σсж < 40 МПа).

По долговечности выделяют 4 класса: весьма долговечные (начало разрушения через 650 лет); долговечные (200–250 лет); относительно долговечные (75–120 лет); недолговечные (20–75 лет). По декоративности различают высодекоративные, декоративные, малодекоративные и недекоративные камни.

По назначению облицовочные камни разделяют:

на облицовку гидротехнических сооружений (гранит, изверженные породы с высокими прочностью и твердостью);

плиты для наружной облицовки зданий (известняк, доломиты, песчаники, туфы); облицовку стен метрополитена выполняют чаще всего из мрамора;

цокольные плиты (из стойких пород).

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Глава 9. Минеральные разрыхленные, дисперсные и каменные материалы

Фактура лицевой поверхности облицовочных плит может быть зеркальной (полированной), лощеной (шлифованной порошком), шлифованной абразивным инструментом и пилёной.

Дорожные каменные материалы получают из изверженных и осадочных горных пород, не выветриваемых.

Дорожные каменные материалы подразделяют на следующие виды:

бортовые камни в виде бруса длиной 70–200 см из прочных изверженных пород (диабаз, базальт, гранит); их изготавливают прямыми и лекальными, высокими (до 40 см) и низкими (до 30 см);

брусчатка в виде брусков для мощения дорог из мелко- и среднезер-

нистых прочных (σсж не ниже 100 МПа) изверженных пород (базальт, гранит, диабаз и др.); брусчатка может быть высокой БВ (высотой до 160 мм), средней БС (130 мм), низкой БН (100 мм);

колотый и булыжный камни по форме как многогранная призма (колотый) или овальные (булыжный) из диабаза, базальта, гранита;

тротуарные плиты в виде прямоугольных плит из слоистых горных

Грубообработанные каменные материалы. В эту группу входят бу-

товый и валунный камни, щебень, гравий и песок.

Бутовый камень – крупные обломки горных пород, которые получают при разработке взрывным способом известняков, доломитов, песчаников. Его виды по форме: рваный, постелистый, лещадный (ширина в три или более раз больше толщины). Из бута возводят гидротехнические сооружения, кладки фундаментов, получают щебень.

Гравий – рыхлый материал в виде окатанных зерен размером 1–10 мм, который получается при естественном разрушении (выветривании) осадочных горных пород. Примеси в гравии – пыль, глина, если присутствует песок (25–40 %), то материал называют песчано-гравийной смесью. Свойства гравия зависят от породы и регламентируются техническими требованиями стандартов.

Прочность зерен гравия должна обеспечить получение прочности бетона выше заданной на 20–50 %. По степени морозостойкости различают гравий F15, F25, F50, F100, F150, F200, F300. Эта характеристика важна, если гравий идёт на изготовление бетонных сооружений для суровых климатических условий. Природный гравий также используется для приготовления армированного и неармированного бетона в качестве крупного заполнителя. Гравий применяют для бетона марки до 300, требования к нему приведены в ГОСТ 8268-82.

Щебень из природного камня получают дроблением камней на куски

размером 5–70 мм из горных пород, морозостойких с σсж = 120–200 МПа. Получают щебень из гранита, диабаза, изверженных пород, из осадочных пород (известняка, доломита). Природный щебень называют дресвой. Щебень имеет чаще остроугольную форму, а лучшая форма – куб или тетраэдр. Щебень чище гравия.

Формирование и распространение полос сдвига на поверхности образца металлического стекла (Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2)

Под сканирующим электронным микроскопом хорошо видна ступенчатая структура полосы сдвига.

По краям трещин формируются аналогичные полосы сдвига, что приводит к разрушению вершины трещины и препятствует её дальнейшему росту.

Благодаря своей аморфной структуре металлические стекла могут быть прочными, как сталь, и пластичными, как полимерные материалы, они способны проводить электрический ток и обладают высокой коррозионной стойкостью. Такие материалы могли бы получить широкое распространение при изготовлении медицинских имплантатов и разнообразных электронных устройств, если бы не одно неприятное свойство: хрупкость. Металлические стекла, как правило, являются ломкими и неравномерно сопротивляются усталостным нагрузкам, что ставит под вопрос их надежность. Использование многокомпонентных аморфных металлов (композитов) решает эту проблему, однако для монолитных металлических стекол она до сих пор актуальна.

В рамках нового исследования , проведенного совместно учеными из Лаборатории Беркли и Калифорнийского технологического института, был найден способ повысить усталостную прочность объемных металлических стекол. Объемное металлическое стекло на основе палладия, подвергнутое усталостным нагрузкам, проявило себя ничуть не хуже, чем лучшие из композитных металлических стекол. Его усталостная прочность сравнима с этим показателем для широко используемых поликристаллических конструкционных металлов и сплавов, таких как сталь, алюминий и титан.

Под нагрузкой на поверхности палладиевого металлического стекла образуется полоса сдвига — локальная область значительной деформации, которая принимает ступенчатую форму. При этом по краям трещин, разделяющих «ступени», возникают такие же полосы сдвига, что притупляет вершины трещин и препятствует их дальнейшему распространению.

Палладий характеризуется высоким соотношением модулей объемного сжатия и сдвига , что скрадывает присущую стеклообразным материалам хрупкость, поскольку образование «многоуровневых» полос сдвига, препятствующих дальнейшему росту трещин, оказывается энергетически более выгодным, чем формирование крупных трещин, приводящих к быстрому разрушению образца. Вкупе с высоким

Полученное при помощи просвечивающего электронного микроскопа изображение разных уровней кристаллизованности аморфного металла

Инженеры из Университета Южной Калифорнии получили новый вид металлического стекла , отличающийся повышенной упругостью. Материал сочетает в себе, кажется, несочетаемые свойства – твёрдость, прочность и эластичность. Материал, получивший технологическое название SAM2X5-630, обладает наивысшей ударной прочностью из всех известных металлических стёкол.

Металлические стёкла, или аморфные металлы - класс металлических твердых тел с аморфной структурой. В отличие от металлов с их кристаллической структурой, таковая у аморфных металлов аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов.


Слева прыгает шарик из нового металлического стекла, справа – из обычной стали

Материал способен выдерживать сильные удары, при этом он не крошится и не ломается, а возвращает первоначальную форму. Потенциал его применения практически безграничен – начиная от свёрл и бронежилетов и заканчивая имплантатами для укрепления костей и защитой космических спутников.

Обычно аморфные металлы получают нагреванием до 630 °C, а затем очень быстрым (порядка градуса в секунду) охлаждением. Материал SAM2X5-630 был получен нагреванием порошкообразного состава на основе железа (Fe 49.7 Cr 17.7 Mn 1.9 Mo 7.4 W 1.6 B 15.2 C 3.8 Si 2.4).

Уникальные свойства металла происходят из удачной находки сочетания температуры нагревания и скорости охлаждения – именно такие условия, которые испытал полученный состав, приводят к образованию локальных очагов слабо выраженной кристаллической структуры. Другие условия нагрева или охлаждения приводят к получению полностью аморфных металлов со случайным расположением атомов.

«У него почти нет внутренней структуры, и в этом он похож на стекло, но при этом встречаются регионы с кристаллизацией,- говорит Вероника Эльясон , ассистент-профессор из Инженерной школы им.Витерби при университете, и ведущий автор работы. – Мы пока понятия не имеем, почему небольшое количество кристаллизировавшихся участков в металлических стёклах приводят к таким сильным различиям в реакциях на удар».

Динамический предел упругости Гюгонио (максимальное воздействие, которое материал выдерживает без необратимой деформации), был определён для SAM2X5-630 в районе 12 ГПа. У нержавеющей стали этот показатель равен 0,2 ГПа, у карбида вольфрама (используемого для создания твёрдых инструментов и сердечников бронебойных пуль) – 4,5 ГПа, у алмазов – до 60 ГПа.

Изучение аморфных металлов началось в 1960 году в Калифорнийском технологическом институте – группой учёных было получено первое металлическое стекло Au 75 Si 25 . С тех пор было получено множество подобных материалов с интересными свойствами, однако пока область их практического применения нельзя назвать широкой из-за их высокой стоимости.

Например, полученный недавно в Японии Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 - неканцерогенный, в три раза прочнее титана, мало изнашивается, при трении не образует порошок, а по модулю продольной упругости практически совпадает с человеческими костями – в потенциале его можно будет использовать как прекрасную искусственную замену суставов.

Именно такой материал, для которого энергия образования сдвиговых полос будет много меньше энергии, необходимой для их превращения в трещины, и пытались создать авторы. Перепробовав множество вариантов, они остановились на сплаве палладия, фосфора, кремния и германия, позволявшем получить стеклянные стержни диаметром около 1 мм. При добавлении серебра диаметр удалось увеличить до 6 мм; размер образцов, заметим, ограничивается тем, что исходный расплав требует очень быстрого охлаждения.

«Смешивая пять элементов, мы добиваемся того, что материал при охлаждении «не знает», какую кристаллическую структуру принять, и выбирает аморфную», — поясняет один из участников исследования Роберт Ритчи. Эксперименты показали, что такое металлическое стекло действительно сочетает присущую стёклам твёрдость с характерным для металлов сопротивлением развитию трещин.

Нетрудно предсказать, что на практике новый материал, содержащий чрезвычайно дорогой палладий, будет использоваться редко — возможно, для изготовления зубных или каких-либо других медицинских имплантатов.

«К сожалению, мы пока не определили, почему наш сплав имеет столь привлекательные характеристики, — говорит ещё один участник работ Мариос Деметриу. — Если нам это удастся, можно будет попробовать создать удешевлённый вариант стекла на основе меди, железа или алюминия».

Металлические стекла, или аморфные металлы, это новые технологические сплавы, структура которых не кристаллическая, а скорее, неорганизованная, атомы в которой занимают до некоторой степени случайное расположение. В этом смысле металлические стекла похожи на такие оксидные стекла, как известково-натриевые стекла, используемые для окон и бутылок.

С определенной точки зрения аморфная структура металлических стекол обусловливает два важных свойства. Во-первых, как и другие виды стекол, они претерпевают переход стекла в переохлажденное жидкое состояние при нагревании. В этом состоянии растекаемость стекла может регулироваться по многим параметрам, создавая тем самым большое число возможных форм, придаваемых стеклу. Например, компания Liquidmetal Technologies изготовила короткую клюшку для гольфа.

Во-вторых, аморфная атомная структура означает, что металлическое стекло не имеет дефектов кристаллической решётки, так называемые дислокации, которые влияют на многие прочностные свойства большинства обычных сплавов. Наиболее очевидным следствием этого является большая твердость металлических стекол, чем у их кристаллических аналогов. К тому же металлические стекла менее жесткие, чем кристаллические сплавы. Сочетание высокой твердости и низкой жесткости придают металлическим стеклам высокую упругость - способность аккумулировать энергию упругой деформации и высвобождать ее.

Еще одно следствие аморфной структуры в том, что в отличие от кристаллических сплавов, металлические стекла ослаблены из-за деформации. «Деформационное разуплотнение» вызывает концентрацию деформации в очень узких полосах скольжения, просвечивающей электронной микроскопии.

Металлическое стекло или прозрачный металл?

В Калифорнийском технологическом институте разработан новый метод изготовления чрезвычайно перспективных конструкционных материалов - объемных металлических стекол. Они представляют из себя сплавы нескольких металлов, не имеющие кристаллической структуры. В этом они похожи на обычное стекло - отсюда и название. Металлическое стекло возникает при очень быстром охлаждении расплавов, из-за которого те просто не успевают кристаллизоваться и сохраняют аморфную структуру. Сначала таким способом научились получать тонкие ленты металлических стекол, которые легче заставить быстро терять температуру. Объемные металлические стекла изготовлять куда труднее.

Металлические стекла обладают множеством достоинств. Кристаллические решетки обычных металлов и сплавов всегда содержат те или иные структурные дефекты, которые снижают их механические качества. В металлических стеклах таких дефектов нет и не может быть, поэтому они отличаются особой твердостью. Некоторые металлические стекла к тому же сопротивляются коррозии даже лучше нержавеющей стали. Поэтому специалисты полагают, что эти материалы ожидает блестящее будущее.

До сих пор объемные металлические стекла имели один крупный недостаток - низкую пластичность. Они хорошо выдерживают изгибы и сжатия, но ломаются при растяжении. Теперь Даглас Хоффман и его коллеги изобрели технологию изготовления объемных металлических стекол на основе сплавов титана, циркония, ниобия, меди и бериллия, которая приводит к рождению материалов, не уступающих по прочности лучшим титановым и стальным сплавам.

Разработчики полагают, что сначала они найдут применение в авиакосмической индустрии, а потом, когда удастся снизить их себестоимость, и в других отраслях.

Металлическое стекло как победить хрупкость

Под сканирующим электронным микроскопом хорошо видна ступенчатая структура полосы сдвига.

По краям трещин формируются аналогичные полосы сдвига, что приводит к разрушению вершины трещины и препятствует её дальнейшему росту.

Благодаря своей аморфной структуре металлические стекла могут быть прочными, как сталь, и пластичными, как полимерные материалы, они способны проводить электрический ток и обладают высокой коррозионной стойкостью. Такие материалы могли бы получить широкое распространение при изготовлении медицинских имплантатов и разнообразных электронных устройств, если бы не одно неприятное свойство: хрупкость. Металлические стекла, как правило, являются ломкими и неравномерно сопротивляются усталостным нагрузкам, что ставит под вопрос их надежность. Использование многокомпонентных аморфных металлов решает эту проблему, однако для монолитных металлических стекол она до сих пор актуальна.

В рамках нового исследования. проведенного совместно учеными из Лаборатории Беркли и Калифорнийского технологического института, был найден способ повысить усталостную прочность объемных металлических стекол. Объемное металлическое стекло на основе палладия, подвергнутое усталостным нагрузкам, проявило себя ничуть не хуже, чем лучшие из композитных металлических стекол. Его усталостная прочность сравнима с этим показателем для широко используемых поликристаллических конструкционных металлов и сплавов, таких как сталь, алюминий и титан.

Под нагрузкой на поверхности палладиевого металлического стекла образуется полоса сдвига локальная область значительной деформации, которая принимает ступенчатую форму. При этом по краям трещин, разделяющих ступени, возникают такие же полосы сдвига, что притупляет вершины трещин и препятствует их дальнейшему распространению.

Палладий характеризуется высоким соотношением модулей объемного сжатия и сдвига. что скрадывает присущую стеклообразным материалам хрупкость, поскольку образование многоуровневых полос сдвига, препятствующих дальнейшему росту трещин, оказывается энергетически более выгодным, чем формирование крупных трещин, приводящих к быстрому разрушению образца. Вкупе с высоким пределом выносливости материала эти механизмы значительно повышают усталостную прочность объемного металлического стекла на основе палладия.

Некристаллический металл или сплав, обычно получаемый переохлаждением расплавленного сплава посредством осаждения из газовой фазы или жидкой фазы или внешними методами воздействия.

Источники: www.nanonewsnet.ru, tran.su, www.razgovorium.ru, www.popmech.ru, enc-dic.com

Невская битва 1240 — Невская битва 1240, сражение русских и шведских войск на берегу р. Нева 15 июля 1240. Целью...

Харибда

В древнегреческой мифологии Сцилла и Харибда были морскими чудовищами. Согласно «Одиссее» Гомера, Сцилла и Харибда...

Причины начала Первой мировой войны

В мировой истории существует много различных событий, которые меняли суть самой истории. В каждый исторический период происходило...