Metallische Gläser oder amorphe Legierungen werden durch Abkühlen der Schmelze mit einer Geschwindigkeit erhalten, die über der Kristallisationsgeschwindigkeit liegt. In diesem Fall wird die Keimbildung und das Wachstum der kristallinen Phase unmöglich und das Metall weist nach der Erstarrung eine amorphe Struktur auf. Hohe Geschwindigkeiten Kühlung erreicht werden kann verschiedene Methoden Am häufigsten wird jedoch das Abschrecken der Schmelze auf der Oberfläche einer schnell rotierenden Scheibe verwendet (Abb. 177). Mit dieser Methode können Sie Bänder, Drähte, Granulate und Pulver erhalten.

Der Erhalt einer amorphen Struktur ist prinzipiell für alle Metalle möglich. Der amorphe Zustand wird am einfachsten in den Legierungen Al, Pb, Sn, Cu usw. erreicht. Um metallische Gläser auf Basis von Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Nichtmetallen oder halbmetallischen Elementen C, P, Si zu erhalten, Dazu kommen B, As, S und andere (amorphe Elemente). Amorphe Legierungen entsprechen am häufigsten der Formel M 80 X 20, wobei M ein oder mehrere Übergangselemente und 20).

Reis. 177. Schema zur Herstellung amorpher Legierungen durch schnelles Abkühlen aus einer Schmelze: a – Gießen auf eine Scheibe; b – Gießen zwischen zwei Scheiben; 1 - Induktor; 2 - schmelzen; 3 - Tiegel; 4 - Scheibe; 5 - Band aus amorphem Material

Der amorphe Zustand von Metallen ist metastabil. Wenn beim Erhitzen die Beweglichkeit der Atome zunimmt, kommt es zu einem Kristallisationsprozess, der das Metall (die Legierung) nach und nach durch eine Reihe metastabiler Metalle in einen stabilen kristallinen Zustand bringt. Die mechanischen, magnetischen, elektrischen und anderen struktursensitiven Eigenschaften amorpher Legierungen unterscheiden sich deutlich von den Eigenschaften kristalliner Legierungen. Charakteristisches Merkmal Amorphe Legierungen weisen eine hohe Elastizitätsgrenze und Streckgrenze auf und weisen nahezu keine Kaltverfestigung auf.

Hohe mechanische Eigenschaften

Amorphe Legierungen auf Kobaltbasis weisen hohe mechanische Eigenschaften auf.

Amorphe Legierungen sind unter Spannung oft spröde, unter Biegung und Druck jedoch relativ duktil. Kann kaltgewalzt werden. Für Legierungen auf Eisen- und Kobaltbasis wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Streckgrenze und der Härte festgestellt. Die Festigkeit amorpher Legierungen liegt nahezu theoretisch. Dies ist zum einen auf das hohe Niveau zurückzuführen
Wert von m und andererseits niedrigere Werte des Elastizitätsmoduls E (um 30-50%) im Vergleich zu kristallinen Legierungen.

Amorphe Legierungen auf Eisenbasis mit mindestens 3-5 % Cr weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Amorphe Nickelbasislegierungen weisen außerdem eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Als weichmagnetische Materialien werden amorphe Legierungen aus Fe, Co, Ni mit Zusätzen von 15-25 % der amorphen Elemente B, C, Si, P verwendet.

Amorphe Legierungsgruppen

Weichmagnetische amorphe Legierungen werden in drei Hauptgruppen unterteilt:

1. amorphe Legierungen auf Eisenbasis mit hohen magnetischen Induktionswerten und niedriger Koerzitivfeldstärke (32-35 mA/cm);
2. Eisen-Nickel-Legierungen mit durchschnittlichen magnetischen Induktionswerten (0,75–0,8 T) und einem niedrigeren Koerzitivfeldstärkewert als Eisenlegierungen (6–7 mA/cm);
3. amorphe Legierungen auf Kobaltbasis mit relativ geringer Sättigungsinduktion (0,55 T), aber hohen mechanischen Eigenschaften (900–1000 HV), geringer Koerzitivfeldstärke und hoher magnetischer Permeabilität. Aufgrund des sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstands zeichnen sich amorphe Legierungen durch geringe Wirbelstromverluste aus – darin liegt ihr Hauptvorteil.

Weichmagnetische amorphe Legierungen werden in der Elektro- und Elektronikindustrie eingesetzt (Magnetkerne von Transformatoren, Kerne, Verstärker, Drosselfilter usw.). Für die Herstellung von Magnetsieben und Magnetköpfen werden Legierungen mit hohem Kobaltgehalt verwendet, bei denen es auf ein Material mit hoher Verschleißfestigkeit ankommt.

Der Anwendungsbereich metallischer Gläser ist noch dadurch eingeschränkt, dass sie durch schnelles Abkühlen (Aushärten) aus dem flüssigen Zustand nur in Form dünner Bänder (bis 60 µm) mit einer Breite bis 200 mm bzw mehr oder Drähte mit einem Durchmesser von 0,5-20 Mikrometern. Es bestehen jedoch breite Perspektiven für die Entwicklung von Materialien dieser Gruppe.

Aluminium-Stahl-Draht (KAS-1A), Nickel-Wolfram-Draht (VKN-1).

Verbundwerkstoffe mit einer nichtmetallischen Matrix. Deutsch

Thallische Matrix ist Polymer, Kohlenstoff und keramische Materialien. Als Polymere kommen Epoxid-, Phenol-Formaldehyd- und Polyamid-Matrizen zum Einsatz. Verstärker sind Glas-, Kohlenstoff-, Bor-, organische, anorganische (filamentförmige Kristalle aus Oxiden, Boriden, Karbiden, Nitriden) Fasern; Metalldrähte; dispergierte Partikel. Je nach Art der Verstärkung werden Polymerverbundwerkstoffe in Glas-, Kohlenstoff-, Bor- und Organofasern unterteilt.

IN geschichtete Materialien (vgl Reis. 8.3, c) Fasern und Fäden werden nach der Imprägnierung mit einem Bindemittel in Ebenen gelegt, die in Platten gesammelt werden. Durch eine Änderung der Art der Faserverlegung erhält man isotrope oder anisotrope CM.

Fiberglas ist ein Verbundwerkstoff aus Kunstharz und Glasfaser (Verstärkungskomponente). Nichtorientierte Glasfasern haben kurze Fasern und orientierte Fasern haben lange Fasern. Dadurch erhält Glasfaser eine hohe Festigkeit.

Kohlenstofffasern (Kohlenstoffkunststoffe) bestehen aus einer Matrix – einem Polymerbindemittel und einem Festiger – Kohlefaser(Kohlefaser). Das Bindemittel ist ein synthetisches Polymer (Polymerkohlenstofffaser) oder Kohlenstofffaser mit einer Kohlenstoffmatrix – Pyrolysekohlenstoff (Koks).

Borfasern bestehen aus einem Polymerbindemittel und -festiger – Borfasern.

Sie verfügen über eine hohe Festigkeit (höher als Kohlefaser) und Härte, thermische und elektrische Leitfähigkeit, hohe chemische Beständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Sie sind Metall hinsichtlich der Vibrationsfestigkeit überlegen.

Organofasern bestehen aus einem Polymerbindemittel und Verstärkern – synthetischen Fasern. Sie verfügen über eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, sind resistent gegen aggressive Umgebungen und unempfindlich gegen Beschädigungen.

IN In der Bergbautechnik werden Verbundwerkstoffe zur Herstellung von Reibungs- und Wälzteilen, Bohrwerkzeugen (Bohrkronen), Teilen für Förderanlagen, Mähdreschern, Elektroden und elektrischen Kontakten verwendet.

8.4. Metallglas

Metallbrille(amorphe Legierungen, glasartige Metalle, Metgläser) sind Metalllegierungen im glasartigen Zustand, die nach dem Abkühlen von Schmelzen bei hohen Geschwindigkeiten erhalten werden (< 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.

Metallgläser sind einphasig und weisen keine Strukturfehler (Leerstellen, Versetzungen) auf. Sie haben eine hohe Festigkeit, große Duktilität,

ABSCHNITT III. MATERIALWISSENSCHAFT VON NICHTEISENMETALLEN UND LEGIERUNGEN

Kapitel 8. Wälzlager, Pulver- und Verbundlegierungen

hohe Korrosionsbeständigkeit. Einige von ihnen sind ferromagnetisch oder absorbieren Schall nur schwach.

Magnetische Weichmetallgläser werden auf der Basis von Fe, Co, Ni unter Zusatz von 15–20 % amorphen Elementen – B, C, Si, P (zum Beispiel Fe81 Si3 5B13 C2 mit einem hohen magnetischen Induktionswert) hergestellt. Die amorphe Legierung Co66 Fe4 (Mo, Si, B)30 verfügt über hohe mechanische Eigenschaften.

Stabile amorphe Legierungen weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Zum Beispiel Metallgläser auf Basis von Fe und Ni mit 3–5 % Cr.

Der Einsatz von Metallgläsern wird durch ihre magnetischen und Korrosionseigenschaften bestimmt.

Testfragen und Aufgaben

1. Nennen Sie Beispiele für Marken von Wälzlegierungen.

2. Nennen Sie Beispiele für Marken von Blei- und Zinn-Babbits.

3. Welche Struktur bestimmt die Gleiteigenschaften von Babbitts?

4. Was ist der Zweck der Babbitt-Legierung mit Kupfer?

5. Nennen Sie Beispiele für Qualitäten von Legierungen auf Zinkbasis.

6. Welche Materialien werden Metallkeramik genannt?

7. Beschreiben Sie poröse Metallkeramiken und ihre Eigenschaften.

8. Nennen Sie die Vor- und Nachteile von Metallkeramik.

9. Welcher Vorgang wird als Sintern bezeichnet?

10. Nennen Sie die Arten von struktureller Metallkeramik, ihre Eigenschaften und ihren Zweck.

11. Geben Sie die Eigenschaften instrumenteller Metallkeramik an. Was ist seine Aufgabe?

12. Welche Arten von Spezialmetallkeramiken mit besonderen Eigenschaften gibt es und wie werden sie gewonnen?

13. Welche Materialien werden als Verbundwerkstoffe bezeichnet?

14. Aus welchen Komponenten bestehen Verbundwerkstoffe?

15. Nach welchen Kriterien werden Verbundwerkstoffe klassifiziert?

16. Beschreiben Sie Metallverbundstoffe mit einer verteilten Metallmatrix ionenverstärkt und mit Faserverstärkung.

17. Charakterisieren Sie Verbundwerkstoffe mit einer nichtmetallischen Matrix.

18. Welche Materialien werden Metallgläser genannt? Beschreiben Sie ihre Eigenschaften und Typen.

19. Nennen Sie die Arten des Korrosionsschutzes von Metallen und beschreiben Sie diese.

ABSCHNITT IV. MATERIALWISSENSCHAFT VON NICHTMETALLISCHEN

MATERIALIEN

Kapitel 9. Mineralisch aufgelockerte, dispergierte Steinmaterialien

9.1. Natursteinmaterialien

Anorganische Mineralien sind chemische Elemente und Verbindungen (Oxide, sauerstofffreie Verbindungen von Elementen), die keine metallischen Eigenschaften haben. Diese Materialien zeichnen sich durch chemische Beständigkeit, Nichtentflammbarkeit, Härte, Hitzebeständigkeit und stabile Eigenschaften aus. Ihre Nachteile sind hohe Zerbrechlichkeit, geringe Beständigkeit gegen Temperaturwechsel, Dehnung und Biegung.

Natursteinmaterialien (PCM) – Baustoffe,

erhalten von Felsen mechanische Bearbeitung (Zerkleinern, Schmelzen, Spalten etc.), wonach Struktur und Eigenschaften des Gesteins nahezu vollständig erhalten bleiben (Tabelle 9.1).

Basierend auf der Art der Oberflächenbehandlung werden PCMs in die folgenden Typen unterteilt:

natürlich Bausteine (Steinprodukte) – gesägte Wandmaterialien und Verblendsteine,Architektur und BauwesenProdukte (Stufen, Fensterbänke), Straßenmaterialien (Pflastersteine, Seitensteine), Produkte für Wasserbauwerke, Verkleidung von Brückenstützen, technische Produkte (Marmorplatten, Kalibrierplatten, Granitschächte für Papierherstellungsanlagen),dekorativ und künstlerisch Produkte;

raue Steinmaterialien– Schutt und Geröll, Schotter, Kies, Sand.

Die Gründe für die Zerstörung von PCM sind das Gefrieren von Wasser in Poren und Rissen; häufige Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen; chemische Korrosion unter dem Einfluss von Gasen (Sauerstoff, Wasserstoff usw.) und im Grund- und Meerwasser gelösten Stoffen.

Tabelle 9.1

Klassifizierung von PCM nach Herstellungsverfahren

* Prozess der Formgebung von Naturstein die gewünschte Form und Außenveredelung.

Um Steinmaterialien vor Zerstörung zu schützen, werden folgende Methoden angewendet:

Der konstruktive Schutz besteht darin, den Produkten eine Form zu geben, die den Wasserabfluss erleichtert, und eine glatte, polierte Oberfläche der Verkleidung zu schaffen.

physikalisch-chemisch Schutz ist die Imprägnierung der Oberflächenschicht mit Dichtungsmassen, das Aufbringen hydrophober (wasserabweisender) Verbindungen und filmbildender Polymermaterialien (transparent und farbig) auf die Vorderseite.

Naturbausteine ​​(NSS) . Das Baumaterial aus Steinen nach dem Sägen, wobei ihre Struktur und Eigenschaften erhalten bleiben. Basierend auf der Dichte werden sie unterteilt in Lunge (Dichte unter 1.800 kg/m³) und schwer.

Stärke ist eine Verbrauchereigenschaft von PSK. Seine Bedeutung wird verwendet

ist in der Kennzeichnung angegeben und wird anhand der Druckfestigkeit σcom, MPa, von Proben im lufttrockenen Zustand beurteilt.

Zu den Verbrauchereigenschaften zählen auch Abrieb und Verschleiß. Für Straßenbeläge und Böden werden harte fein- und mittelkörnige Gesteine ​​verwendet.

Die Wasserbeständigkeit von PSK wird anhand des Erweichungskoeffizienten Krm beurteilt (für Wasserbauwerke beträgt Krm mindestens 0,8; für Außenwände mindestens 0,6).

Die Frostbeständigkeit wird anhand der Anzahl der Zyklen abwechselnden Einfrierens und Auftauens beurteilt: F10, F15, ..., F500. Es kommt auf die Zusammensetzung, Struktur und

ABSCHNITT IV. MATERIALWISSENSCHAFT NICHTMETALLISCHER WERKSTOFFE

Kapitel 9. Mineralische Locker-, Streu- und Steinmaterialien

Luftfeuchtigkeit PSK. Eine hohe Frostbeständigkeit gilt für dichte Steine ​​mit gleichmäßiger Kornstruktur und eine niedrige für Schichtstrukturen.

Der Feuerwiderstand hängt von der Zusammensetzung und Struktur des Steins ab. Bei erhöhten Temperaturen können sich einige Gesteine ​​(Gips, Kalkstein) zersetzen, während andere (Granit) reißen können.

Je nach Verwendungszweck werden PSCs unterteilt in: Wand, Verkleidung, Profil und Straße.

Um der Oberfläche eine Textur zu verleihen, werden die folgenden Arten der PSC-Bearbeitung verwendet: Schlag, Abrasiv, thermisch.

Mauersteine ​​werden aus dichten, porösen Tuffsteinen und Kalksteinen gewonnen. Allgemeine Anforderungen für Mauersteine: Festigkeit; Dichte von 900 bis 2.200 kg/m3; σco = 5–15 MPa für dichte Kalksteine ​​und σco = 5–40 MPa für Tuffe; Krm = 0,6–0,7; Frostbeständigkeit – nicht niedriger als F15; dekorativ Aussehen. Feinporöse Natursteine ​​werden nicht abgedeckt. Mauersteine ​​für Mauerwerk (Typ I) und Trennwände (Typ II) werden in den Güteklassen 4, 7, 10, 15, 20, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300 und 400 (Sorte) hergestellt Zahlen entsprechen

Wert σco).

Wandsteine ​​haben genormte Längenmaße mit zulässigen Abweichungen< 10 мм. Каждый камень заменяет в кладке от 8 до 12 кирпичей, а их масса – не выше 40 кг. Один из Möglichkeiten Die Abmessungen der Mauersteine ​​betragen 390 x 190 x 188, die großen Mauersteine ​​sind mechanisiert

Neuinstallation – 300×800×900.

Gesägte und gebrochene Stücksteine ​​aus Kalkstein, Dolomit und Tuffstein werden zum Verlegen von Brückenwiderlagern und zur Verstärkung von Böschungen verwendet.

Verblendsteine– Dies sind Steine ​​mit schönen Farben und Mustern (dekorativ) mit der erforderlichen Frostbeständigkeit (mindestens F15), Festigkeit (σKompression mindestens 5 MPa) und Festigkeit. Aus Natursteinblöcken werden nach dem Sägen und anschließender mechanischer Bearbeitung Großblöcke gewonnen.

Verblendsteine ​​können aus magmatischen, sedimentären und metamorphen Gesteinen bestehen. Die Festigkeitsklassifizierung lautet wie folgt: stark (σcom > 80 MPa); mittlere Festigkeit (σcom = 40–80 MPa); geringe Festigkeit

(σcom< 40 МПа).

Hinsichtlich der Haltbarkeit gibt es 4 Klassen: sehr langlebig (Beginn der Zerstörung nach 650 Jahren); langlebig (200–250 Jahre); relativ langlebig (75–120 Jahre); kurzlebig (20–75 Jahre). Nach ihren dekorativen Eigenschaften unterscheidet man zwischen hochdekorativen, dekorativen, geringdekorativen und nichtdekorativen Steinen.

Verblendsteine ​​werden je nach Verwendungszweck unterteilt in:

zur Verkleidung von Wasserbauwerken (Granit, magmatisches Gestein mit hoher Festigkeit und Härte);

Platten für die Außenverkleidung von Gebäuden (Kalkstein, Dolomit, Sandstein, Tuffstein); Die Verkleidung von U-Bahn-Wänden besteht meist aus Marmor;

Grundplatten (aus widerstandsfähigem Gestein).

ABSCHNITT IV. MATERIALWISSENSCHAFT NICHTMETALLISCHER WERKSTOFFE

Kapitel 9. Mineralische Locker-, Streu- und Steinmaterialien

Die Textur der Vorderseite von Vorsatzplatten kann gespiegelt (poliert), poliert (pulverpoliert), mit einem Schleifwerkzeug geschliffen oder gesägt sein.

Straßensteinmaterialien gewonnen aus magmatischen und sedimentären Gesteinen, die nicht verwittern.

Straßensteinmaterialien werden in folgende Typen unterteilt:

Seitensteine ​​in Form von Holzlängen 70–200 cm haltbares magmatisches Gestein (Diabas, Basalt, Granit); sie sind gerade und gebogen, hoch (bis 40 cm) und niedrig (bis 30 cm);

Pflastersteine ​​in Stabform für den Straßenbelag aus feiner und mittlerer Körnung

tiefliegendes, starkes (σKompressor nicht weniger als 100 MPa) magmatisches Gestein (Basalt, Granit, Diabas usw.); Pflastersteine ​​können eine hohe BN (Höhe bis zu 160 mm), eine mittlere BN (130 mm) oder eine niedrige BN (100 mm) haben;

zerkleinerte und Kopfsteinpflaster in Form eines facettenreichen Prismas (gesplittert) oder oval (Kopfsteinpflaster) aus Diabas, Basalt, Granit;

Pflastersteine ​​in Form von rechteckigen Platten aus geschichteten Steinen

Raue Steinmaterialien . Zu dieser Gruppe gehören

Fels- und Geröllsteine, Schotter, Kies und Sand.

Bruchsteine ​​sind große Gesteinsfragmente, die durch Sprengen von Kalkstein, Dolomit und Sandstein gewonnen werden. Seine Form hat folgende Formen: zerrissen, geschichtet, schuppig (die Breite ist mindestens dreimal so groß wie die Dicke). Bauschutt wird zum Bau von Wasserbauwerken, zum Legen von Fundamenten und zur Herstellung von Schotter verwendet.

Kies ist ein lockeres Material in Form runder Körner mit einer Größe von 1–10 mm, das durch natürliche Zerstörung (Verwitterung) von Sedimentgesteinen entsteht. Verunreinigungen im Kies sind Staub, Ton, wenn Sand vorhanden ist (25–40 %), dann spricht man von einer Sand-Kies-Mischung. Die Eigenschaften von Kies hängen vom Gestein ab und sind reguliert Technische Anforderungen Standards.

Die Festigkeit der Kieskörner soll gewährleisten, dass die Betonfestigkeit 20–50 % über der angegebenen liegt. Je nach Frostbeständigkeit wird Kies in F15, F25, F50, F100, F150, F200, F300 unterschieden. Diese Eigenschaft ist wichtig, wenn Kies zur Herstellung von Betonkonstruktionen für raue klimatische Bedingungen verwendet wird. Naturkies wird auch zur Herstellung von bewehrtem und unbewehrtem Beton als grobe Gesteinskörnung verwendet. Kies wird für Betonsorten bis 300 verwendet; die Anforderungen dafür sind in GOST 8268-82 angegeben.

Zerkleinerter Naturstein gewonnen durch Zerkleinern von Steinen

5–70 mm groß aus frostbeständigem Gestein mit σcom = 120–200 MPa. Schotter wird aus Granit, Diabas, magmatischen Gesteinen und Sedimentgesteinen (Kalkstein, Dolomit) gewonnen. Natürlicher Schotter wird Grus genannt. Schotter hat oft eine spitzwinklige Form und die beste Form ist ein Würfel oder Tetraeder. Schotter ist sauberer als Kies.

Bildung und Ausbreitung von Scherbändern auf der Oberfläche einer metallischen Glasprobe (Pd79Ag3,5P6Si9,5Ge2)

Unter einem Rasterelektronenmikroskop ist die Stufenstruktur des Scherbandes deutlich zu erkennen.

An den Rändern von Rissen bilden sich ähnliche Scherbänder, die zur Zerstörung der Rissspitze führen und deren weiteres Wachstum verhindern.

Aufgrund ihrer amorphen Struktur können metallische Gläser so stark wie Stahl und gleichzeitig flexibel sein Polymermaterialien, sie sind in der Lage zu dirigieren elektrischer Strom und weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Solche Materialien könnten in großem Umfang bei der Herstellung von medizinischen Implantaten und anderen eingesetzt werden elektronische Geräte, wenn da nicht eine unangenehme Eigenschaft wäre: Zerbrechlichkeit. Metallgläser neigen dazu, spröde zu sein und weisen eine ungleichmäßige Ermüdungsbeständigkeit auf, was ihre Zuverlässigkeit fraglich macht. Die Verwendung mehrkomponentiger amorpher Metalle (Verbundwerkstoffe) löst dieses Problem, ist für monolithische Metallgläser jedoch immer noch relevant.

Eine neue Studie, die gemeinsam von Wissenschaftlern des Berkeley Lab und des California Institute of Technology durchgeführt wurde, hat einen Weg gefunden, die Ermüdungsfestigkeit von massiven Metallgläsern zu verbessern. Massenmetallgläser auf Palladiumbasis zeigten bei Ermüdungsbelastungen eine ebenso gute Leistung wie die besten Verbundmetallgläser. Seine Ermüdungsfestigkeit ist vergleichbar mit der von üblicherweise verwendeten polykristallinen Strukturmetallen und Legierungen wie Stahl, Aluminium und Titan.

Unter Belastung bildet sich auf der Oberfläche von Palladiummetallglas ein Scherband – ein lokaler Bereich mit erheblicher Verformung, der eine stufenförmige Form annimmt. Gleichzeitig treten an den Rändern der Risse, die die „Stufen“ trennen, die gleichen Scherbänder auf, was die Rissspitzen abstumpft und ihre weitere Ausbreitung verhindert.

Palladium zeichnet sich durch ein hohes Verhältnis von Volumen- und Schermodulen aus, was die inhärente Zerbrechlichkeit glasartiger Materialien verschleiert, da sich die Bildung von „mehrstufigen“ Scherbändern, die ein weiteres Risswachstum verhindern, als energetisch günstiger erweist als die Bildung großer Risse führen zu einer schnellen Zerstörung der Probe. Zusammen mit hoch

TransAufnahme verschiedene Level Kristallisation von amorphem Metall

Ingenieure der University of Southern California haben eine neue Art von Metallglas entwickelt, das sich durch erhöhte Elastizität auszeichnet. Das Material vereint scheinbar unvereinbare Eigenschaften – Härte, Festigkeit und Elastizität. Das Material mit der technischen Bezeichnung SAM2X5-630 weist die höchste Schlagfestigkeit aller bekannten Metallgläser auf.

Metallische Gläser oder amorphe Metalle sind eine Klasse metallischer Festkörper mit amorpher Struktur. Im Gegensatz zu Metallen ähnelt die kristalline Struktur amorpher Metalle der atomaren Struktur unterkühlter Schmelzen.


Links ist eine Kugel aus neuem Metallglas, rechts – aus gewöhnlichem Stahl.

Das Material hält starken Stößen stand, bröckelt oder bricht dabei nicht, sondern kehrt in seine ursprüngliche Form zurück. Das Anwendungspotenzial ist nahezu grenzenlos – von Bohrern und Körperpanzern bis hin zu Implantaten zur Knochenstärkung und zum Schutz von Weltraumsatelliten.

Typischerweise werden amorphe Metalle durch Erhitzen auf 630 °C und anschließendes sehr schnelles Abkühlen (in der Größenordnung von einem Grad pro Sekunde) hergestellt. Durch Erhitzen wurde das Material SAM2X5-630 erhalten Pulverzusammensetzung Eisenbasis (Fe 49,7 Cr 17,7 Mn 1,9 Mo 7,4 W 1,6 B 15,2 C 3,8 Si 2,4).

Die einzigartigen Eigenschaften des Metalls resultieren aus einer gelungenen Kombination von Heiztemperatur und Abkühlgeschwindigkeit – genau diese Bedingungen, denen die resultierende Zusammensetzung ausgesetzt war, führen zur Bildung lokaler Herde einer schwach definierten Kristallstruktur. Andere Heiz- oder Kühlbedingungen führen zu vollständig amorphen Metallen mit einer zufälligen Anordnung der Atome.

„Es hat fast keine innere Struktur und ähnelt in dieser Hinsicht Glas, es gibt jedoch Kristallisationsbereiche“, sagt Veronica Elyason, Assistenzprofessorin an der Viterbi School of Engineering der Universität und Hauptautorin der Arbeit. „Wir haben noch keine Ahnung, warum kleine Mengen kristallisierter Stellen in metallischen Gläsern zu so großen Unterschieden in der Reaktion auf Stöße führen.“

Die dynamische Hugoniot-Elastizitätsgrenze (die maximale Kraft, der ein Material ohne bleibende Verformung standhalten kann) wurde für SAM2X5-630 auf etwa 12 GPa ermittelt. Für rostfreien Stahl beträgt dieser Wert 0,2 GPa, für Wolframkarbid (das zur Herstellung harter Werkzeuge und panzerbrechender Geschosskerne verwendet wird) 4,5 GPa und für Diamanten bis zu 60 GPa.

Die Erforschung amorpher Metalle begann 1960 am California Institute of Technology – eine Gruppe von Wissenschaftlern erhielt das erste metallische Glas Au 75 Si 25. Seitdem wurden viele ähnliche Materialien mit interessanten Eigenschaften erhalten, die jedoch bisher unbekannt sind praktische Anwendung Aufgrund ihrer hohen Kosten können sie nicht als weit verbreitet bezeichnet werden.

Beispielsweise ist das kürzlich in Japan gewonnene Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 nicht krebserregend, dreimal stärker als Titan, verschleißt wenig, bildet bei Reibung kein Pulver und stimmt hinsichtlich seines Längselastizitätsmoduls praktisch mit überein menschliche Knochen - möglicherweise kann es als hervorragender künstlicher Gelenkersatz verwendet werden.

Genau bei dieser Art von Material wird die Energie zur Bildung von Scherbändern viel geringer sein als die Energie, die für ihre Umwandlung in Risse erforderlich ist, die die Autoren zu erzeugen versuchten. Nachdem sie viele Möglichkeiten ausprobiert hatten, entschieden sie sich für eine Legierung aus Palladium, Phosphor, Silizium und Germanium, die es ermöglichte, Glasstäbe mit einem Durchmesser von etwa 1 mm zu erhalten. Durch die Zugabe von Silber wurde der Durchmesser auf 6 mm erhöht; Wir stellen fest, dass die Größe der Proben dadurch begrenzt ist, dass die anfängliche Schmelze eine sehr schnelle Abkühlung erfordert.

„Durch die Mischung von fünf Elementen stellen wir sicher, dass das Material beim Abkühlen „nicht weiß“, welche Kristallstruktur es annehmen soll, und sich für eine amorphe entscheidet“, erklärt einer der Studienteilnehmer, Robert Ritchie. Experimente haben gezeigt, dass solches metallisches Glas tatsächlich die inhärente Härte von Glas mit der für Metalle charakteristischen Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung vereint.

Das lässt sich in der Praxis nicht schwer vorhersagen Neues Material, das extrem teures Palladium enthält, wird selten verwendet – vielleicht für die Herstellung von Zahn- oder anderen medizinischen Implantaten.

„Leider haben wir noch nicht herausgefunden, warum unsere Legierung so attraktive Eigenschaften hat“, sagt Marios Demetriou, ein weiterer Teilnehmer der Arbeit. „Wenn es uns gelingt, können wir versuchen, eine günstigere Version von Glas auf Basis von Kupfer, Eisen oder Aluminium herzustellen.“

Metallgläser oder amorphe Metalle sind neue technologische Legierungen, deren Struktur nicht kristallin, sondern unorganisiert ist und deren Atome eine eher zufällige Anordnung einnehmen. In diesem Sinne ähneln metallische Gläser Oxidgläsern wie Kalknatrongläsern, die für Fenster und Flaschen verwendet werden.

Unter einem bestimmten Gesichtspunkt bestimmt die amorphe Struktur metallischer Gläser zwei wichtige Eigenschaften. Erstens durchlaufen sie wie andere Glasarten beim Erhitzen einen Glasübergang in einen unterkühlten flüssigen Zustand. In diesem Zustand kann der Glasfluss vielfältig eingestellt und so eine große Anzahl erzeugt werden mögliche Formen, an Glas befestigt. Liquidmetal Technologies hat beispielsweise einen kurzen Golfschläger hergestellt.

Zweitens weist metallisches Glas aufgrund der amorphen Atomstruktur keine Kristallgitterdefekte, sogenannte Versetzungen, auf, die viele Festigkeitseigenschaften der meisten herkömmlichen Legierungen beeinträchtigen. Die offensichtlichste Folge davon ist, dass metallische Gläser härter sind als ihre kristallinen Gegenstücke. Darüber hinaus sind metallische Gläser weniger steif als kristalline Legierungen. Die Kombination aus hoher Härte und geringer Steifigkeit verleiht metallischen Gläsern eine hohe Elastizität – die Fähigkeit, elastische Verformungsenergie zu speichern und abzugeben.

Eine weitere Folge der amorphen Struktur ist, dass metallische Gläser im Gegensatz zu kristallinen Legierungen durch Verformung geschwächt werden. „Strain-Dekompaktierung“ führt dazu, dass sich die Dehnung in sehr schmalen Gleitbändern konzentriert, Transmissionselektronenmikroskopie.

Metallisches Glas oder transparentes Metall?

Entwickelt am California Institute of Technology neue Methode Herstellung äußerst vielversprechender Strukturmaterialien - volumetrischer Metallgläser. Es handelt sich um Legierungen mehrerer Metalle, die keine kristalline Struktur aufweisen. Darin ähneln sie gewöhnlichem Glas – daher der Name. Metallisches Glas entsteht, wenn Schmelzen sehr schnell abkühlen, wodurch sie einfach keine Zeit haben, zu kristallisieren und eine amorphe Struktur beizubehalten. Erstens lernten sie auf diese Weise, dünne Streifen aus metallischem Glas herzustellen, die sich leichter und schneller an Temperatur verlieren ließen. Volumetrische Metallgläser sind deutlich schwieriger herzustellen.

Metallbrillen haben viele Vorteile. Die Kristallgitter gewöhnlicher Metalle und Legierungen enthalten immer bestimmte Strukturfehler, die ihre mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen. Metallbrillen können und können solche Mängel nicht aufweisen, weshalb sie besonders hart sind. Einige Metallgläser sind zudem korrosionsbeständiger als Edelstahl. Daher glauben Experten, dass diese Materialien eine große Zukunft haben.

Bisher hatten massive Metallgläser einen großen Nachteil: die geringe Duktilität. Sie halten Biegungen und Kompressionen gut stand, brechen jedoch, wenn sie gedehnt werden. Jetzt haben Douglas Hoffman und seine Kollegen eine Technologie zur Herstellung von Massenmetallgläsern auf Basis von Legierungen aus Titan, Zirkonium, Niob, Kupfer und Beryllium erfunden, die zur Geburt von Materialien führt, deren Festigkeit den besten Titan- und Stahllegierungen in nichts nachsteht.

Die Entwickler gehen davon aus, dass sie zunächst in der Luft- und Raumfahrtindustrie und dann, wenn ihre Kosten gesenkt werden können, in anderen Branchen Anwendung finden werden.

Metallglas: Wie man Zerbrechlichkeit überwindet

Unter einem Rasterelektronenmikroskop ist die Stufenstruktur des Scherbandes deutlich zu erkennen.

An den Rändern von Rissen bilden sich ähnliche Scherbänder, die zur Zerstörung der Rissspitze führen und deren weiteres Wachstum verhindern.

Aufgrund ihrer amorphen Struktur können metallische Gläser genauso fest sein wie Stahl und Kunststoff sowie Polymermaterialien; sie sind in der Lage, elektrischen Strom zu leiten und weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Solche Materialien könnten in großem Umfang bei der Herstellung medizinischer Implantate und verschiedener elektronischer Geräte verwendet werden, wenn sie nicht eine unangenehme Eigenschaft hätten: Zerbrechlichkeit. Metallgläser neigen dazu, spröde zu sein und weisen eine ungleichmäßige Ermüdungsbeständigkeit auf, was ihre Zuverlässigkeit fraglich macht. Die Verwendung mehrkomponentiger amorpher Metalle löst dieses Problem, ist aber für monolithische Metallgläser immer noch relevant.

Im Rahmen einer neuen Studie. Gemeinsam von Wissenschaftlern des Berkeley Lab und des California Institute of Technology durchgeführt, wurde eine Möglichkeit gefunden, die Ermüdungsfestigkeit von massiven Metallgläsern zu erhöhen. Massenmetallgläser auf Palladiumbasis zeigten bei Ermüdungsbelastungen eine ebenso gute Leistung wie die besten Verbundmetallgläser. Seine Ermüdungsfestigkeit ist vergleichbar mit der von üblicherweise verwendeten polykristallinen Strukturmetallen und Legierungen wie Stahl, Aluminium und Titan.

Unter Belastung bildet sich auf der Oberfläche von Palladiummetallglas ein Scherband, ein lokaler Bereich starker Verformung nimmt eine stufenförmige Form an. Gleichzeitig entstehen an den Rändern der die Stufen trennenden Risse die gleichen Scherbänder, was die Rissspitzen abstumpft und deren weitere Ausbreitung verhindert.

Palladium zeichnet sich durch ein hohes Verhältnis von Volumen- und Schermodulen aus. was die inhärente Zerbrechlichkeit glasartiger Materialien verbirgt, da sich die Bildung mehrstufiger Scherbänder, die ein weiteres Risswachstum verhindern, als energetisch günstiger erweist als die Bildung großer Risse, die zu einer schnellen Zerstörung der Probe führen. Zusammen mit der hohen Dauerfestigkeit des Materials erhöhen diese Mechanismen die Dauerfestigkeit von palladiumbasiertem Massenglas deutlich.

Ein nichtkristallines Metall oder eine nichtkristalline Legierung, die üblicherweise durch Unterkühlung einer geschmolzenen Legierung durch Dampf- oder Flüssigkeitsabscheidung oder durch externe Methoden hergestellt wird.

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

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