Stopy amorficzne (szkła metaliczne). Szkło metalowe Zastosowanie szkła metalowego

To właśnie dla tego rodzaju materiału energia tworzenia pasm ścinania będzie znacznie mniejsza od energii potrzebnej do ich przekształcenia w pęknięcia, które starali się stworzyć autorzy. Po wypróbowaniu wielu opcji zdecydowali się na stop palladu, fosforu, krzemu i germanu, co umożliwiło uzyskanie szklanych prętów o średnicy około 1 mm. Dodając srebro, średnicę zwiększono do 6 mm; Zauważamy, że wielkość próbek jest ograniczona faktem, że początkowy stop wymaga bardzo szybkiego chłodzenia.

„Mieszając pięć pierwiastków, mamy pewność, że materiał po ochłodzeniu „nie wie”, jaką strukturę krystaliczną przyjąć, i wybiera amorficzną” – wyjaśnia jeden z uczestników badania, Robert Ritchie. Eksperymenty wykazały, że takie szkło metaliczne w rzeczywistości łączy wrodzoną twardość szkła z charakterystyczną dla metali odpornością na powstawanie pęknięć.

W praktyce nietrudno to przewidzieć nowy materiał, zawierający niezwykle drogi pallad, będzie stosowany rzadko – być może do produkcji implantów dentystycznych lub innych implantów medycznych.

„Niestety nie ustaliliśmy jeszcze, dlaczego nasz stop ma tak atrakcyjne właściwości” – mówi Marios Demetriou, kolejny uczestnik prac. „Jeśli nam się uda, możemy spróbować stworzyć tańszą wersję szkła na bazie miedzi, żelaza czy aluminium”.

Szkła metaliczne, czyli metale amorficzne, to nowe stopy technologiczne, których struktura nie jest krystaliczna, ale raczej niezorganizowana, w której atomy zajmują nieco przypadkowy układ. W tym sensie szkła metaliczne są podobne do szkieł tlenkowych, takich jak szkła sodowo-wapniowe stosowane do okien i butelek.

Z pewnego punktu widzenia amorficzna struktura szkieł metalicznych determinuje dwie ważne właściwości. Po pierwsze, podobnie jak inne rodzaje szkła, po podgrzaniu ulegają one zeszkleniu do przechłodzonego stanu ciekłego. W tym stanie przepływ szkła można regulować na wiele sposobów, tworząc w ten sposób duża liczba możliwe kształty nadane szkłu. Na przykład firma Liquidmetal Technologies stworzyła krótki kij golfowy.

Po drugie, amorficzna struktura atomowa sprawia, że ​​szkło metaliczne nie posiada defektów sieci krystalicznej, tzw. dyslokacji, które wpływają na wiele właściwości wytrzymałościowych większości konwencjonalnych stopów. Najbardziej oczywistą konsekwencją tego jest to, że szkła metaliczne są twardsze niż ich krystaliczne odpowiedniki. Ponadto szkła metaliczne są mniej sztywne niż stopy krystaliczne. Połączenie dużej twardości i niskiej sztywności daje szkłu metalicznemu dużą elastyczność - zdolność do akumulowania energii odkształcenia sprężystego i jej uwalniania.

Inną konsekwencją struktury amorficznej jest to, że w przeciwieństwie do stopów krystalicznych, szkła metaliczne ulegają osłabieniu w wyniku odkształcenia. „Rozkład naprężeń” powoduje koncentrację naprężeń w bardzo wąskich pasmach poślizgu, co widać w transmisyjnej mikroskopii elektronowej.

Szkło metaliczne czy przezroczysty metal?

Kalifornijski Instytut Technologiczny opracował nową metodę wytwarzania niezwykle obiecujących materiałów konstrukcyjnych – masowych szkieł metalowych. Są to stopy kilku metali, które nie mają struktury krystalicznej. W tym przypominają zwykłe szkło - stąd nazwa. Szkło metaliczne powstaje, gdy wytopy schładzają się bardzo szybko, przez co po prostu nie mają czasu na krystalizację i zachowanie amorficznej struktury. Najpierw nauczyli się w ten sposób wytwarzać cienkie paski metalicznego szkła, które łatwiej jest sprawić, by szybko straciły temperaturę. Wolumetryczne szkła metalowe są znacznie trudniejsze w produkcji.

Okulary metalowe mają wiele zalet. Sieci krystaliczne zwykłe metale i stopy zawsze zawierają pewne defekty strukturalne, które zmniejszają ich właściwości mechaniczne. Szklanki metalowe nie mają i nie mogą posiadać takich wad, dlatego są szczególnie twarde. Niektóre szkła metalowe są również odporne na korozję nawet lepiej niż stal nierdzewna. Dlatego eksperci uważają, że materiały te mają przed sobą świetlaną przyszłość.

Do tej pory szkła metalowe luzem miały jedną zasadniczą wadę – niską plastyczność. Dobrze znoszą zginanie i ściskanie, ale pękają przy rozciąganiu. Teraz Douglas Hoffman i jego współpracownicy opracowali technologię wytwarzania masowych szkieł metalowych na bazie stopów tytanu, cyrkonu, niobu, miedzi i berylu, co prowadzi do narodzin materiałów, które nie są gorsze pod względem wytrzymałości od najlepszych stopów tytanu i stali.

Twórcy uważają, że najpierw znajdą zastosowanie w przemyśle lotniczym, a następnie, gdy uda się obniżyć ich koszt, w innych gałęziach przemysłu.

Szkło metalowe: jak pokonać kruchość

Pod skaningowym mikroskopem elektronowym wyraźnie widoczna jest schodkowa struktura pasma ścinania.

Podobne pasma ścinania tworzą się wzdłuż krawędzi pęknięć, co prowadzi do zniszczenia wierzchołka pęknięcia i uniemożliwia jego dalszy rozwój.

Ze względu na swoją amorficzną strukturę szkła metaliczne mogą być tak mocne jak stal, a tworzywa sztuczne jak materiały polimerowe; są w stanie przewodzić prąd elektryczny i mają wysoką odporność na korozję. Materiały takie mogłyby znaleźć szerokie zastosowanie w produkcji implantów medycznych i innych urządzenia elektroniczne gdyby nie jedna nieprzyjemna cecha: kruchość. Szkła metaliczne są zwykle kruche i mają nierówną odporność na zmęczenie, co sprawia, że ​​ich niezawodność jest wątpliwa. Zastosowanie wieloskładnikowych metali amorficznych rozwiązuje ten problem, ale w przypadku monolitycznych szkieł metalowych jest on nadal istotny.

W ramach nowego badania. przeprowadzone wspólnie przez naukowców z Berkeley Lab i California Institute of Technology, odkryto sposób na zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej masowych szkieł metalowych. Luzem metalowe szkło na bazie palladu, poddane obciążeniom zmęczeniowym, radziło sobie równie dobrze jak najlepsze kompozytowe szkła metalowe. Jego wytrzymałość zmęczeniowa jest porównywalna z wytrzymałością powszechnie stosowanych polikrystalicznych metali konstrukcyjnych i stopów, takich jak stal, aluminium i tytan.

Pod obciążeniem na powierzchni metalicznego szkła palladowego tworzy się pasmo ścinania; lokalny obszar znacznego odkształcenia przybiera schodkowy kształt. Jednocześnie na krawędziach pęknięć oddzielających stopnie pojawiają się te same pasma ścinania, co powoduje stępienie wierzchołków pęknięć i zapobiega ich dalszej propagacji.

Pallad charakteryzuje się wysokim stosunkiem modułu objętościowego do modułu ścinającego. co ukrywa wrodzoną kruchość materiałów szklistych, gdyż powstawanie wielopoziomowych pasm ścinania zapobiegających dalszemu wzrostowi pęknięć okazuje się energetycznie korzystniejsze niż powstawanie dużych pęknięć prowadzących do szybkiego zniszczenia próbki. W połączeniu z wysoką wytrzymałością materiału, mechanizmy te znacznie zwiększają wytrzymałość zmęczeniową szkła metalicznego na bazie palladu.

Niekrystaliczny metal lub stop, zwykle wytwarzany przez przechłodzenie stopionego stopu przez osadzanie z pary lub cieczy lub metodami zewnętrznymi.

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

Bitwa pod Newą 1240 - Bitwa pod Newą 1240, bitwa wojsk rosyjskich i szwedzkich nad brzegami rzeki. Newa 15 lipca 1240. Celem...

Charybda

W starożytnej mitologii greckiej Skylla i Charybda były potworami morskimi. Według Odysei Homera, Skylla i Charybda...

Przyczyny wybuchu I wojny światowej

W historii świata było wiele różnych wydarzeń, które zmieniły istotę samej historii. W każdym okresie historycznym zdarzały się...

Na samym początku tego eseju dowiedzieliśmy się, że w normalnych warunkach krzepnięcia ciekłego metalu jego atomy tworzą tego czy innego rodzaju sieć krystaliczną. Ścisła okresowość układu jonów nazywana jest „porządkiem dalekiego zasięgu”. Na przykład, gdy taka kombinacja jonów powtarza się w przestrzeni wiele razy, odtwarzana jest siatka sześcienna skupiona na ciele. W przypadku porządku dalekiego zasięgu możemy dokładnie wskazać współrzędne dowolnego jonu, jeśli znamy jego liczbę atomową w stosunku do dowolnie wybranego jonu macierzystego. Wszystkie pozycje jonów, wszystkie odległości międzyatomowe są jasno określone.

Wracając do układu atomów, nazwiemy tę sytuację „porządkiem krótkiego zasięgu”. Można dość dokładnie wskazać współrzędne i liczbę atomów otaczających dany atom, ale nie da się już dokonać bardziej odległych przewidywań. Ale w naturze istnieje inna kategoria substancji zwanych amorficznymi. Po ochłodzeniu, gdy energia drgań termicznych atomów staje się tak niska, że ​​nie mogą już swobodnie przemieszczać się, substancje te zachowują strukturę cieczy. Tutaj możemy mówić jedynie o porządku krótkiego zasięgu w ułożeniu atomów. Ruch „tłumu” zdaje się stopniowo uspokajać, ludzie popychają się coraz mniej energicznie, aż w końcu zastygają w przypadkowych miejscach, kołysząc się lekko z boku na bok.

Zwykłe szkło, żywica, parafina, asfalt to przykłady materiałów naturalnie amorficznych, które nie mają regularnej struktury krystalicznej. Po podgrzaniu i ochłodzeniu takie materiały zmieniają jedynie swoją lepkość, ale nie zachodzą żadne zasadnicze zmiany we względnym rozmieszczeniu ich atomów składowych.

W ciałach krystalicznych takie zmiany właściwości po podgrzaniu zachodzą znacznie gwałtowniej, a samo topienie - w czystych metalach - zachodzi w ściśle określonej temperaturze, więc temperatura topnienia metalu jest jedną z jego podstawowych cech fizycznych (stałych). Jeśli ciśnienie zewnętrzne nie zmienia się, a metal jest dobrze oczyszczony z zanieczyszczeń, to po pojawieniu się pierwszej kropli podczas ogrzewania można określić temperaturę z dokładnością do dziesiątych części stopnia.

Powstaje pytanie: czy można „zamrozić” w stopie metalu strukturę atomową charakterystyczną dla cieczy, czy można pozbawić metal uporządkowania dalekiego zasięgu w stanie stałym? W końcu możemy spodziewać się znaczącej zmiany wszystkich tych właściwości, które zależą od prawidłowej struktury kryształów.

W zasadzie sposób rozwiązania takiego problemu jest jasny - należy spróbować gwałtownie zwiększyć szybkość chłodzenia ciekłego metalu, aby szybko zejść do zakresu temperatur, w którym atomy nie mogą już zmieniać swoich sąsiadów. Obliczenia i eksperymenty wykazały, że rzeczywiście możliwe jest zahamowanie procesu krystalizacji, ale wymaga to szybkości chłodzenia rzędu milionów stopni na sekundę. Jedna z opracowanych metod polega na rozpylaniu małych kropli ciekłego metalu na wysoce wypolerowaną powierzchnię szybko obracającego się zimnego miedzianego dysku. Kropla na powierzchni dysku jest rozmazana w bardzo cienką warstwę (kilka mikrometrów), a dobre przewodnictwo cieplne miedzi zapewnia dużą szybkość odprowadzania ciepła.

Obecnie rozpoczęło się już przemysłowe wytwarzanie kilkudziesięciu stopów w stanie amorficznym. Okazało się, że stopy metali przejściowych i szlachetnych z metaloidami (niemetalami, węglem, borem, fosforem itp.) Amorfizują się najłatwiej, a istnieją stopy, w których możliwe jest zahamowanie krystalizacji przy szybkości chłodzenia rzędu tysięcy i nawet setki stopni na sekundę.

Jakie właściwości stopów amorficznych są szczególnie cenne dla technologii? Zgodnie z oczekiwaniami, metale amorficzne różnią się od swoich krystalicznych odpowiedników pod wieloma względami. Chociaż moduły sprężystości podczas amorfizacji zmniejszają się średnio o 30 (zmniejszają się siły wiązania międzyatomowego), to wytrzymałość i twardość gwałtownie rosną. Brak dyslokacji prowadzi do tego, że szkła metalowe mają lepszą wytrzymałość niż najlepsze stale stopowe. Wysoka twardość decyduje o ich doskonałej odporności na zużycie. To prawda, że ​​​​plastyczność stopów amorficznych jest niska, czego można się nawet spodziewać, ponieważ „nośnikami” plastyczności są dyslokacje. Jednak okulary metalowe nie są tak delikatne jak zwykłe szkło. Można je na przykład zwijać w temperaturze pokojowej.

Kolejną ważną zaletą amorficznych stopów metali jest ich wyjątkowo wysoka odporność na korozję. W wielu bardzo agresywnych środowiskach (woda morska, kwasy) szkła metalowe w ogóle nie ulegają korozji. Na przykład szybkość korozji amorficznego stopu zawierającego żelazo, nikiel i chrom w roztworze kwasu solnego wynosi praktycznie zero. Dla porównania można powiedzieć, że szybkość korozji „klasycznego” odpornego na korozję stopu żelaza z niklem i chromem (słynnej stali nierdzewnej, zwanej „stalą nierdzewną”) w tym samym środowisku przekracza 10 mm/rok. Główną przyczyną tak wysokiej odporności na korozję stopów amorficznych jest najwyraźniej to, że nie mając sieci krystalicznej, są one również pozbawione charakterystycznych „defektów” kryształów - dyslokacji i, co najważniejsze, granic między ziarnami. Wysoka gęstość upakowania atomów w krysztale w pobliżu tych „defektów” zmniejsza się tak gwałtownie, że „wrogie czynniki” łatwo przenikają wzdłuż nich w metal. Ważne jest, aby pozbawiona defektów struktura stopu amorficznego została przeniesiona na cienką warstwę tlenku, która tworzy się na jego powierzchni w początkowej fazie procesu korozji i następnie chroni metal przed bezpośrednim kontaktem z „agresorem”.

Bardzo interesujące wydawało się także połączenie niektórych właściwości fizycznych stopów amorficznych, w szczególności magnetycznych i elektrycznych. Okazało się, że stopy na bazie metali ferromagnetycznych (żelazo, nikiel) w stanie amorficznym są również ferromagnetyczne.

Jeśli wrócimy do rdzeni transformatorów, przekonamy się, że zastąpienie konwencjonalnej stali transformatorowej stopem amorficznym zapewni ogromne oszczędności energii. W USA oblicza się, że straty spowodowane prądami wirowymi są 4-krotnie mniejsze. Niezwykła kombinacja Właściwości magnetyczne i elektryczne szkieł metalicznych pozwalają na ich zastosowanie z dużym skutkiem w innych przetwornikach prądu, czujnikach, rdzeniach i różnego typu przekaźnikach.

Liczba składników stopów wzrasta wraz z wymaganiami. Stopy składające się z kilkunastu lub więcej komponentów nie są już rzadkością. Ich kompozycja to wielka sztuka, gdyż składniki muszą ze sobą współgrać w harmonii i zgodzie. Nie bez powodu hutnicy nazywają twórców nowych stopów kompozytorami.

Często trudniej jest wyprodukować takie kompozycje w przemyśle, niż je skomponować. Składniki mają różną temperaturę topnienia, właściwości chemiczne, gęstość. Jeśli podczas topienia nadal można sterować wieloma procesami, stosując próżnię lub atmosfery ochronne, topniki, dzieląc stapianie na etapy, to podczas krystalizacji można wpływać na przebieg zdarzeń jedynie poprzez tryb chłodzenia. To tutaj komponenty pokazują swój charakter. Niektórzy ludzie uparcie nie chcą się rozpuścić masa całkowita stopu i wyróżniają się warstwami, inne zachłannie pochłaniają wszelkie zanieczyszczenia i domieszki, tworząc trwałe i szkodliwe związki, jeszcze inne krystalizują w zbyt duże lub zbyt małe ziarna, zaburzając strukturalną jednorodność stopu. A im więcej podzespołów, tym więcej takich problemów.

Aby przezwyciężyć trudności związane z krystalizacją, metal można wytworzyć z mieszaniny składników w postaci cząstek, granulek lub włókien, sprasować i zespawać w stałą masę. Tak powstała technologia metali kompozytowych, a następnie metalurgia proszków. Była to pierwsza próba zapoczątkowania rewolucji w metalurgii, jednak powiodła się tylko częściowo.

Metalurgia proszków i kompozyty zajmują wprawdzie ważny, ale raczej ograniczony obszar w produkcji wyrobów metalowych. Jest to przede wszystkim produkcja twardych stopów na narzędzia, następnie produkcja wyrobów z metali ogniotrwałych - wolframu, molibdenu i innych, których topienie wiąże się z trudnościami technicznymi, a wreszcie produkcja części o specjalnym struktura - porowata, włóknista, łuszcząca się.

Ograniczeniem technologii proszkowej jest przede wszystkim koszt produktów, który obecnie jest dziesięciokrotnie wyższy od produktów otrzymywanych tradycyjnymi metodami metalurgicznymi. Ponadto, chociaż spiekanie powoduje dyfuzję składników i pewne reakcje chemiczne, kompozyty nadal mają właściwości mieszaniny, a nie stopu.

Druga próba miała miejsce stosunkowo niedawno, kiedy nowa nauka - fizyka metali - odkryła, że ​​teoretyczna wytrzymałość metalu jest o półtora do dwóch rzędów wielkości większa od rzeczywistej. Okazało się, że niską wytrzymałość metalu tłumaczy się defektami sieci krystalicznej. Liczba defektów w metalu może być proporcjonalna do liczby atomów, dlatego w obliczeniach wykorzystuje się gęstość, czyli stężenie defektów na jednostkę objętości. Jeśli wartość ta jest bliska zeru, co odpowiada kryształowi idealnemu, wówczas wytrzymałość takiego kryształu jest bliska teoretycznej. Wraz ze wzrostem koncentracji defektów wytrzymałość najpierw gwałtownie maleje, a następnie zaczyna ponownie rosnąć, ale znacznie wolniej. Minimum zwykle odpowiada rzeczywistej wytrzymałości czystego metalu. Zanieczyszczenia, dodatki stopowe i odkształcenia zwiększają koncentrację defektów i zwiększają wytrzymałość materiału.

Zadaniem było otrzymanie wolnych od defektów i odpowiednio dużych monokryształów metali. Jednak nie zostało to jeszcze rozwiązane. To prawda, że ​​​​można było wyhodować cienkie, kilkudziesięciu mikronów i do półtora centymetra długości, prawie pozbawione wad kryształy niektórych metali. Ich siła faktycznie okazała się wielokrotnie większa niż zwykle. Z takich „wąsów” wytwarzano nawet kompozyty o wysokiej wytrzymałości. Ale sprawy nie wyszły jeszcze poza laboratoria: tempo wzrostu „wąsów” okazało się zbyt niskie, a zatem cena była zbyt wysoka.

Trzecia próba zrewolucjonizowania metalurgii ma miejsce dzisiaj.

Ćwierć wieku temu eksperymenty z szybkim chłodzeniem roztopionych metali, które prowadzono w celu uzyskania submikroskopowej struktury metalu, odkryły, że w niektórych przypadkach w metalu w ogóle nie ma sieci krystalicznej, a układ atomów jest cechą ciała pozbawionego struktury, amorficznego. Nie było to nieoczekiwane: stałe ciała amorficzne - szkła otrzymuje się przez przechłodzenie ciekłego stopu. To prawda, że ​​do uformowania zwykłych szkieł wystarczy bardzo niska szybkość chłodzenia. W przypadku metali, aby określić krystalizację, potrzebne są ogromne szybkości chłodzenia – miliony stopni na sekundę. Szybkość tę osiągnięto poprzez wstrzelenie porcji stopionego metalu do wody, w wyniku czego powstały cząstki o amorficznej, szklistej strukturze.

Nieoczekiwane okazało się coś innego: metal amorficzny ma zupełnie inne, odmienne właściwości od metalu krystalicznego. Nie, metal pozostaje metalem, ze wszystkimi jego charakterystycznymi właściwościami - połyskiem, przewodnością elektryczną itp. Ale staje się kilkakrotnie silniejszy, wzrasta odporność na korozję, zmieniają się właściwości elektromagnetyczne, a nawet zmienia się jedna z najbardziej stabilnych stałych - moduł sprężystości. Ale główną zaletą nowego materiału jest to, że doskonale łączy i współistnieje wszystkie niezbędne elementy. Dzięki ultraszybkiemu chłodzeniu stop krzepnie, zanim składniki antagonistyczne zdążą wykazać swój antagonizm.

Stopy amorficzne nazywane są szkłami metalicznymi. Zainteresowanie nimi szybko rośnie. Teraz zadaniem jest nie tylko otrzymanie stopów o nowych właściwościach, ale także stworzenie ich technologii przemysłowej. Ale tutaj nadal pozostaje wiele nierozwiązanych problemów. Pierwszy uzyskany był metalowy. szkło było stopem Au-Si . Wtedy możliwe było otrzymanie w stanie amorficznym nie tylko stopów, ale także niektórych czystych metali - od Ge, Te i Bi po wyraźne Al, V, Cr, Fe, Ni i inne. Wymagało to fantastycznych szybkości chłodzenia – do 10–10 K/s. Jednak stan amorficzny metalu pozostał niestabilny - krystalizacja rozpoczęła się po podgrzaniu. Konieczne było znalezienie stopów o rozsądnych szybkościach i temperaturach chłodzenia, o stabilnej strukturze amorficznej.

W oparciu o te teoretyczne koncepcje metalurdzy opracowują obecnie stopy amorficzne, uzyskując doskonałe wyniki praktyczne. Istnieją już szkła metaliczne o prędkości krytycznej zaledwie 100 - 200 K/s, a temperatura zeszklenia jest kilkukrotnie niższa od temperatury topnienia głównego składnika. Są to na przykład stopy podwójne Pd80Si20, stopy Ni80P20, Fe80B20, Au81Si19 i wiele innych z dwudziestoprocentowym dodatkiem krzemu. Łatwo zauważyć, że całkowita zawartość metaloidów we wszystkich tych stopach wynosi około 20%. Jakie właściwości szkieł metalowych są szczególnie cenne dla współczesnej technologii?

Badacze interesowali się przede wszystkim właściwościami ferromagnetycznymi stopów na bazie żelaza, niklu i kobaltu. Metalurgia przygotowuje setki tysięcy ton specjalnych stali i stopów elektrotechnicznych w postaci cienkich blach dla przemysłu. Spośród nich 95% to stale zbrojone, stale dynamiczne i transformatorowe. Z blachy montowane są rdzenie silników elektrycznych i generatorów, transformatorów i obwodów magnetycznych. Materiały na rdzenie maszyn elektrycznych nazywane są miękkimi materiałami magnetycznymi. Muszą mieć wysoką przenikalność magnetyczną, wysoką indukcję nasycenia i znaczną oporność elektryczną. Jest to niezwykle ważne dla zmniejszenia strat histerezy i prądów wirowych oraz zwiększenia wydajności. maszyny elektryczne.

Stale transformatorowe i inne stale elektrotechniczne są stopami żelaza i krzemu. Co więcej, nie można dodać więcej niż 4% krzemu, ale nawet wtedy metal staje się kruchy, nie toczy się dobrze i łatwo traci tak potrzebne miękkie właściwości magnetyczne. W rezultacie straty w rdzeniach zwykle sięgają 0,3-1%, a wydajność spada. To prawda, że ​​​​istnieją również bardziej miękkie materiały magnetyczne. Są to permalloje – stopy na bazie żelaza i niklu, które stosowane są w głowicach taśm i innych precyzyjnych instrumentach. Są jednak kilkadziesiąt razy droższe od stali, a także łatwo tracą swoje właściwości podczas obróbki lub przegrzania. A miękkie właściwości magnetyczne szkieł metalowych okazały się na poziomie permalloyu najlepszych marek, ponadto właściwości te są bardziej trwałe i stabilne.

Ponieważ oczekiwany koszt przemysłowego szkła metalowego jest jeszcze niższy niż stali elektrotechnicznej, zastosowanie nowego materiału obiecuje ogromne korzyści. Nasz kraj produkuje około 1275 miliardów kWh energii elektrycznej rocznie. W drodze do konsumenta prąd elektryczny przepływa przez urządzenia elektryczne co najmniej cztery razy - generatory, transformatory, silniki elektryczne. I wszędzie są straty. Jeśli zmniejszymy je o połowę w samych rdzeniach, będzie to oznaczać oszczędność 20 miliardów kWh. A niektóre marki szkła metalowego zmniejszają straty nie o 2, ale o 3-4 razy. Zatem zainteresowanie nowymi materiałami jest zrozumiałe i uzasadnione. Do tego należy dodać, że ze względu na niższą przewodność elektryczną szkieł metalowych niż stali, nie ma częściowo lub całkowicie potrzeby izolowania płyt w pakietach rdzeni. A to oznacza zmniejszenie rozmiaru i wzrost wydajności. maszyny elektryczne.

Nie mniej atrakcyjne są właściwości mechaniczne szkieł metalicznych. Metal amorficzny jest średnio 5-7 razy silniejszy niż jego krystaliczny odpowiednik. Na przykład stop Fe80B20 ma wytrzymałość na rozciąganie 370 kgf/mm 2 - dziesięć razy większą niż żelazo i dwukrotnie większą niż najlepsze stale stopowe.

Wadami szkieł metalicznych, jak wszystkich szkieł w ogóle, jest ich mała plastyczność, a także charakterystyczny spadek wytrzymałości wraz ze wzrostem prędkości ładowania. A jednak istnieje powód, aby uważać stopy amorficzne za szkła plastyczne: można je ciąć i ciąć na paski w matrycach, na paski i druty, można je zginać i tkać, dlatego nietrudno wyobrazić sobie zamiast tego tkane siatki z metalu amorficznego zbrojenie w płytach żelbetowych, najmocniejszych kompozytach włóknistych, linach i wielu innych produktach, gdzie wyjątkowa wytrzymałość szkieł metalowych pozwoli zaoszczędzić tysiące ton metalu.

Chłodzenie? 106 K/s). Szybkie odprowadzanie ciepła osiąga się, jeśli przynajmniej jeden z wymiarów wytwarzanej próbki jest odpowiednio mały (folia, taśma, drut). Poprzez spłaszczenie kropli wytopu pomiędzy chłodzonymi kowadłami uzyskuje się folię o szerokości 15-25 mm i grubości 40-70 mikronów oraz poprzez chłodzenie na obracającym się bębnie (tarczy) lub poprzez walcowanie strumienia pomiędzy dwoma walcami, uzyskuje się taśmę o szerokości 3-6 mm i grubości 40-100 mikronów. M. można wytworzyć przez wyciśnięcie stopu do schłodzonego. w postaci drutu.

M. skład: = 80% metali przejściowych (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Pr, itp.) lub metali szlachetnych i ok. 20% wielowartościowych niemetali (B, C, N, Si, P, Ge itp.), pełniących rolę pierwiastków tworzących szkło. Przykładami są stopy binarne (Au81Si19, Pd81Si19 i Fe80B20) i stopy pseudobinarne składające się z 3-5 lub więcej składników. MS to układy metastabilne, które krystalizują po podgrzaniu do temperatury ok. 1/2 temperatury topnienia.

Badanie M.s. pozwala zgłębić naturę metaliczną, magnetyczną. itp. St.TV. tel. Wysoka (zbliżona do teoretycznej granicy dla kryształów) w połączeniu z dużą ciągliwością i dużą odpornością na korozję sprawia, że ​​M.s. obiecujące elementy wzmacniające materiały i produkty.

Niektóre M. S. (np. Fe80B20) to ferromagnesy o bardzo małej sile koercyjnej i dużej przenikalności magnetycznej, co determinuje ich zastosowanie jako materiałów magnetycznych miękkich. Kolejna ważna klasa magnesów amorficznych. materiały - stopy pierwiastków ziem rzadkich z metalami przejściowymi. Obiecujące jest wykorzystanie energii elektrycznej. i akustyczny Św. M. s. (wysoka i słabo zależna od temperatury rezystancja elektryczna, słaby dźwięk). Fizyczny słownik encyklopedyczny. . 1983 .

. - M .: Encyklopedia radziecka

SZKŁO METALOWE (metokulary) - różnorodność metale amorficzne, stopy amorficzne z metalem. rodzaj przewodnictwa, które nie mają dalekosiężnego porządku w przestrzeni, układu atomów i charakteryzują się makroskopowym. współczynnik lepkość ścinania Pa. Wykonywane są w postaci folii, taśm i drutów przy użyciu specjalnych materiałów. technologia technikami (hartowanie ze stopu przy typowych szybkościach chłodzenia ~10 K/s, natryskiwanie cieplne lub w próżni na schłodzonym podłożu itp.), które prowadzą do szybkiego zestalenia stopionych składników w stosunkowo wąskim zakresie temperatur ok. -zwany . temperatura zeszklenia

Tg.

SM. mają unikalne połączenie wysokiej wytrzymałości mechanicznej, magnetycznej i elektrycznej. i właściwości korozyjne. SM. wyjątkowo trudne i mają wysoka wytrzymałość NA ; np. s Na NA ; np. s dla M.s. Fe 80 B 20 osiąga 3,6-10° N/m 2 (370 kgf/mm 2), co znacznie przekracza wartość s

najlepsze stale; z tego powodu M. S. stosowany do wzmacniania kompozytów. materiały (kompozyty). Magnetycznie właściwości M.s. są podzielone na dwie ważne technologicznie klasy. SM. klasa „ferromagnetyczny metal przejściowy (Fe, Co, Ni, w ilości 75-85%) - niemetal (B, C, Si, P - 15-25%)” to materiały magnetycznie miękkie z nieletnim siła przymusu N s ze względu na brak kryształu magnetycznego anizotropia (makroskopowa) anizotropia magnetyczna spowodowane niezerową magnetostrykcją wewnętrzną. lub zew. naprężenia, które można redukować podczas wyżarzania, a także indukowana anizotropia w układzie sąsiednich atomów). podstawowy Takie systemy można przedstawić jako zbiór równoległych, zlokalizowanych magnesów. momenty w przypadku braku transmisji. okresowości w ich przestrzeniach, rozmieszczeniu oraz ze względu na wpływ lokalnego środowiska magnetycznego. jony mogą zmieniać swoją wielkość (patrz. magnesy amorficzne). SM. ta klasa ma prawie prostokątną pętlę histereza magnetyczna o dużej wartości indukcji nasycenia Bs, co w połączeniu z dużym szokiem. elektryczny opór r, a zatem niskie straty, nie czyni M. s. w porównaniu z elektrotechniką. stale są bardziej preferowane, gdy są stosowane na przykład w transformatorach.

Charakterystyka porównawcza niektórych substancji krystalicznych i zagraniczne amorficzne stopy magnetycznie miękkie (a także jeden z krajowych M. str. 94 ZhSR - A na bazie żelaza) podano w tabeli.

SM. klasa „pierwiastek ziem rzadkich - przejście” D- metal”, zwykle przygotowywane w postaci filmów metodą rozpylania katodowego, w niektórych przypadkach (Gd – Co, Gd – Fe) ujawniają współliniową strukturę ferromagnetyczną o właściwościach obiecujących do tworzenia urządzeń z pamięcią cylindryczne domeny magnetyczne(CMD), na przykład namagnesowanie przy niskim nasyceniu M s i wysoką anizotropię prostopadłą do płaszczyzny filmu. W większości innych przypadków silny lokalny pojedynczy jon z losowym rozkładem łatwych osi namagnesowania, nieodłącznie związany z jonami metali ziem rzadkich o niezerowym pędzie orbitalnym, zwykle prowadzi do M. s. ta klasa to chao-tich. niewspółliniowy typ konstrukcji szkło obrotowe.

Charakterystyka porównawcza niektórych stopów krystalicznych i amorficznych o miękkim magnesie (w temperaturze 300 K).

* T c jest temperaturą przejścia do stanu paramagnetycznego ( punkt Curie).

** Metglass - zarejestrowany znak firmowy Allied Chemical Corporation.

Z elektrycznego właściwości M.s. Najważniejsza jest duża ilość energii resztkowej. odporność (zwykle 2-4 razy większa niż analogi krystaliczne) i niski współczynnik temperaturowy. odporność (poza zakresem temperatur procesów relaksacji strukturalnej i krystalizacji).

Rząd M. s. klasa „metal przejściowy – niemetal” z dodatkami Cr i P wykazuje wyjątkową, kilkukrotnie przekraczającą odporność na korozję w środowiskach agresywnych. rzędy wielkości wytrzymałości stali nierdzewnych. Zaburzenie struktury atomowej M. s. stąd też duża odporność ich właściwości na działanie promieniowania.

Amorficzna struktura M. s., będąc metastabilną, ma bardzo długą żywotność. Przykładowo, szacunki przedziału czasowego operacji wyznaczonego początkiem procesu krystalizacji podano dla jednego z najmniej stabilnych M. s.c. 550 lat w temperaturze 175 0 C i 25 lat w 200 0 C.

Oryginalność fizyczna właściwości M.s. jest konsekwencją amorficznego charakteru ich struktury (jednorodność chemiczna, brak granic ziaren oraz defekty liniowe, takie jak dyslokacje). Na dyfraktogramach rentgenowskich, elektronowych i neutronowych M. s. jest ich kilka rozproszone halo, które opisuje się za pomocą funkcji radialnego rozkładu atomów (RAD), gdzie p(r) jest średnią liczbą atomową w odległości G z losowego atomu wybranego jako źródło (ryc.). FRRA nie dostarcza pełnych informacji o rozmieszczeniu atomów w przestrzeni trójwymiarowej, jednak w połączeniu z innymi metodami (badanie drobnej struktury widm absorpcji promieniowania rentgenowskiego, anihilacja pozytonów itp.) umożliwia ich wyselekcjonowanie modele strukturalne stwardnienia rozsianego.

Znormalizowana funkcja rozkładu promieniowego atomów to średnia gęstość atomowa substancji) dla żelaza amorficznego.

które najlepiej odpowiadają eksperymentom. dane. Podobieństwo FRRA dla stanów amorficznych i ciekłych, zwłaszcza w całości i por. odległości, umożliwiło początkowo użycie monoatomowego M. s. model losowego ciasnego upakowania kul stałych zaproponowany przez J. D. Bernala dla cieczy jednoatomowych i M. s. typ „metal - niemetal” - modyfikacja tego modelu, zgodnie z którą małe atomy niemetalu wypełniają duże puste przestrzenie („dziury Bernala”) w przypadkowym, gęstym upakowaniu atomów metalu i nie sąsiadują ze sobą. Jednakże dane dyfrakcyjne. eksperymenty (na przykład rozszczepienie drugiego piku FRRA, którego nie ma w ciekłych metalach) wskazują na istnienie s. porządek atomowy krótkiego zasięgu. Obliczenia termodynamiczne stabilność mikroklastrów atomowych i współczynnik struktury dla M. s. wskazują na preferencje dla nich dla modelu porządku krótkiego zasięgu, w którym główny elementem konstrukcji jest dwudziestościan - regularna dwudziestościanowa konstrukcja, uzyskana przez upakowanie 12 lekko zniekształconych czworościanów i posiadająca 12 wierzchołków z 5 zbieżnymi krawędziami, przez które można przeciągnąć 6 osi symetrii piątego rzędu.

Chociaż ikozaedryczny. nie może być elementem budowy kryształu, gdyż nie da się gęsto wypełnić trójwymiarowości okresowością. tłumaczenia dwudziestościanu bez pozorów niespójności w strukturze, mocny argument na rzecz dwudziestościanu. porządek krótkiego zasięgu w M. s. Niedawno odkryto także w stopie Al 86 MnI 4 zupełnie nowy typ struktury atomowej ciał stałych – kwazikrystaliczny. struktury o ikozaedrze. porządek dalekiego zasięgu (patrz Kwazikryształ). Podobnie jak M. s., kwazikryształy otrzymuje się przez szybkie hartowanie ze stopu. popiół związków popiołowych w układach

Xf_Fe), ale w przeciwieństwie do M. s. dają spójne odbicia Bragga na wzorach dyfrakcji promieni rentgenowskich, odpowiadające symetrii piątego, a nawet dziesiątego rzędu. Nek-ryeM. Z. (na przykład Pd 60 U 20 Si 20) po wyżarzaniu stają się kwazikrystaliczne. kondycji, wzmacniając w ten sposób bliską genetykę związek stanu strukturalnego M. s. i kwazikrystaliczny. stan : schorzenie.

Oświetlony-1) Petrakovsky G. A., Magnesy amorficzne, „UFN”, „1981, t. 134, s. 305; 2) Lyuborsky F. V., Perspektywy wykorzystania stopów amorficznych w urządzeniach magnetycznych, w książce Magnetyzm systemów amorficznych, przeł. z języka angielskiego, M., Ii) Sl; 3) Handrich K., Kobe S., Amorficzne ferro- i ferrimagnety, przeł. z języka niemieckiego, M., 1982; 4) Kraposhin V. S., Linetsky Ya., Właściwości fizyczne metale i stopy w stanie amorficznym, w książce: Wyniki Nauki i Techniki · obróbka cieplna, t. 16, M., 1982; 5) Szkło metalowe, pas. z języka angielskiego, M., 1984; 6) Amorficzne stopy metali pod red. F. Luborsky'ego, L.-, 1983; 7) Stopy amorficzne, M., 1984; 8) Preobrazhensky A. A., Bishard E. G., Materiały magnetyczne i, wyd. 3, M 1986; 9) Ishikawa T., Badanie dyfrakcji elektronów lokalnego układu atomowego w amorficznych warstwach żelaza i niklu, „Phys. Stat. Sol. (a)”, 1973, t. 3-5. 19, N, 2, s. 707; 10) Polk D. E. Struktura szklistych stopów metali, „Acta Metall.”, 1972, t. M, nr 4 r 485; 11) Sаshdev S., Nelson D. R., Order m metalicglasss and icosaedral crystals, „Phys. Rev. B”, 1985, t. 32, nr 7 r 4592" 12) Sheshtman D. i in., Faza metaliczna z porządkiem orientacji dalekiego zasięgu i brakiem symetrii translacyjnej, "Phys. Obrót silnika. Lett.”, 1984, t. 53, M 20, s. 1951; 13) Levine D., Steinhardt P. J., Quasicrystals. 1-2, „Phys. Obrót silnika. B”, 1986 t. 34, MJ 2, s. 596; 14) Nelson D.R., Quasicrystals w tłumaczeniu z języka angielskiego, „In the world of science”, 1986, nr 10, s. 19; 15) Po-o h S J., Drehman A. J., Lawless K. R., Transformacja fazy szklistej do ikozaedrycznej w stopach Pd - U - Si, „Phys. Rev Lett”, 1985, t. 55, Mi 21, s. 2324. M. W. Miedwiediew.

Encyklopedia fizyczna. W 5 tomach. - M .: Encyklopedia radziecka. Redaktor naczelny A. M. Prochorow. 1988 .

Światowy kryzys gospodarczy nie powstrzymuje aktywnego innowacyjnego rozwoju w dziedzinie badań kosmicznych. Wydaje się, że metaliczne szkło o „dziwnych właściwościach”, wynalezione po raz pierwszy w 1960 roku przez Paula Duwetza, w końcu trafiło na świat. Planuje się, że jego zaktualizowany skład zostanie wykorzystany przy tworzeniu robotów do eksploracji kosmosu. Portal WINDOWS MEDIA opowiada o nowym materiale i projekcie NASA dotyczącym robotyzacji przestrzeni kosmicznej.

Kiedy w 1960 roku Paul Duwetz wylał kompozycję na bazie stopionego gorącego metalu i obserwował jej właściwości po gwałtownym ochłodzeniu, nie mógł sobie wyobrazić, że ten niezwykły wynalazek zainspiruje nie tylko futurystyczne kino, ale stanie się także prawdziwą podstawą nowych programów kosmicznych. Kompozycja pierwotnie uzyskana przez Duvets była niezwykle delikatna i łamliwa. Nazywano go ultraszybko mrożonym, ponieważ powstawał w wyniku nagłych zmian temperatury i jednoczesnego wylania kompozycji na szybko obracający się miedziany cylinder. Chłodzenie następowało z szybkością 10 000 000 K/s.

Amorficzność jako główna właściwość natychmiast zidentyfikowała nowy materiał. Nazwa „masowe szkło metalowe” powstała w latach 70-tych w odniesieniu do nowych makroskopowych stopów palladu o objętości 1 mm i trójwymiarowej strukturze. Nazwę tę nadano, ponieważ stop był zasadniczo metaliczny, a jego kluczową właściwością była płynność, czyli tendencja do zeszklenia, jak nazywali go eksperymentatorzy. Zasadniczo szkło metaliczne jest dwufazową strukturą szklano-metalową, w której stosuje się kompozyt na bazie metalu lub związków różne metale po ochłodzeniu w sposób ciągły przechodzi w stan szklisty, a po późniejszym ogrzewaniu z odpowiednio dużą szybkością ulega odwrotnej przemianie w zestalony metal.

zdjęcie: różne opcje metalowych powierzchni szklanych - skład po utwardzeniu

Następnie ta zdolność stopu do metamorfoz skłoniła artystów, scenarzystów i reżysera kultowego filmu o Terminatorze do stworzenia obrazu samogenerujących się robotów-zabójców z płynącego metalowego szkła. Jednakże praktyczne zastosowanie Skład był dotychczas niezwykle wąski i obejmował głównie dziedzinę mikrotłoczenia. Do niedawna spekulacje, że luzem szkło metalowe mogłoby znaleźć zastosowanie w przemyśle kosmicznym, miały charakter czysto spekulacyjny.

Szkło metaliczne: praktyczne zastosowania - Przestrzeń

Dziś NASA jest pierwszą organizacją, w której szkło metalowe luzem (BMG) stanie się częścią zakrojonego na szeroką skalę programu kosmicznego mającego na celu robotyzację wszechświata. Główna trudność w pracy ze szkłem metalicznym polega na recepturze: kompozycja pozostaje delikatna, jeśli nie znajdziesz filigranowej proporcji między metalami wchodzącymi w skład stopu. Krystalizacja pomaga również zapobiegać powstawaniu pęknięć za pomocą specjalnych substancji, które tworząc sieci krystaliczne mocują pasma ślizgowe wewnątrz stopu i zapobiegają jego „pękaniu”. Dotychczasowe eksperymenty ze szkłem metalicznym pozwoliły na jego zastosowanie w układach mikroelektromechanicznych (MEMS), przy produkcji implantów i narzędzi chirurgicznych.

Kompresu nie można rozciągnąć: niesamowite właściwościBMG

Oprócz kruchości – problemu, który twórcy kosmicznych robotów będą musieli rozwiązać i rozwiązać – metalowe szkło ma wręcz nadprzyrodzoną elastyczność, wysokie właściwości antykorozyjne, a nawet właściwości samonaprawy po usunięciu przyłożonego obciążenia – prawie jak w filmach. Ciekawą „słabością” BMG jest jego niestabilność na różne rodzaje rozciągania. Jednak przy zmianie grubości na wskaźnik< 10 нм образцы становятся гораздо более устойчивыми к деформациям, чем при толщине < 1 мм, что также называется «странным свойством» металлического стекла. Пока ученые работают с трехмерными микромоделями из металлического стекла и бдумывают пути снижения себестоимости использования состава для его широкого применения в производстве и промышленности, американское космическое агентство заявило о создании роботов-исследователей на основе BMG.

Terminator w realnej przestrzeni


foto: mimo że jest fantastyczny, film oddaje główne właściwości BMG - łatwo się topi oraz szybko i mocno twardnieje

W przeciwieństwie do zabawnego prototypu filmowego, projekty NASA są przeznaczone wyłącznie do programów pokojowych eksploracji kosmosu. Stabilność i „dobre zachowanie” próbek BMG poddawanych ściskaniu pozwala na wykorzystanie stopu do tworzenia robotów przeznaczonych do pracy z bardzo zimnymi przedmiotami. Ma to znaczenie dla działania łazików kosmicznych Curiosity, które nie mogą pracować na smarze bez ogrzewania, a proces ogrzewania stał się obecnie zbyt kosztowny.

Szkło metalowe pozwala na skonstruowanie swego rodzaju powłoki ochronnej, która ochroni samochody przed niskimi temperaturami i znacznie obniży koszty energii na ogrzewanie. Elastyczność szkła metalowego pozwala mu opływać po podgrzaniu dowolny kształt i powierzchnię, dlatego też jego funkcje ochronne można wykorzystać do niemal każdego produktu o dowolnym kształcie. Zastosowanie substancji krystalizujących skład i randomizacja atomów w stopie zwiększa jego właściwości ochronne i czyni go niewrażliwym na obciążenia. Jedną z wad jest nadal duża waga stopu i wykonanej z niego gotowej konstrukcji.

Szkło metaliczne w Rosji i współpraca z NASA

W Rosji na Uniwersytecie NUST MISIS w oparciu o laboratorium zaawansowanych materiałów energooszczędnych rozpoczną się prace nad innowacyjnym, zaawansowanym technologicznie materiałem BMG. Pod przewodnictwem Akihisy Inoue, profesora Uniwersytetu Tohoku (Japonia), będącego uznanym światowym ekspertem w dziedzinie materiałoznawstwa i szkła metalicznego, opracowane zostaną ulepszone szkło metaliczne, które zdaniem naukowców będzie mocniejszy niż stal. Jest całkiem możliwe, że w przyszłości rosyjscy i amerykańscy naukowcy utworzą wspólne przedsięwzięcie program kosmiczny, w którym BMG będzie zaangażowane.

Dziś, pomimo sankcji gospodarczych i trudności na rosyjsko-amerykańskim krajobrazie politycznym, amerykańsko-rosyjska współpraca w eksploracji kosmosu trwa. Jednym z ciekawych eksperymentów będzie naziemny program badania człowieka podczas długotrwałej izolacji w celu przygotowania astronautów do pobytu na stacjach obcych, np. na Marsie lub Księżycu, przy udziale Instytutu Medycyny i Biologii Problemy Rosyjskiej Akademii Nauk.

William Palosky, dyrektor programu eksploracji człowieka w NASA, szczegółowo opowiedział o programie w wywiadzie dla rosyjskiej agencji informacyjnej z 6 grudnia.

Program szkła marsjańskiego i metalicznego

Program ma na celu zbudowanie dwutygodniowego eksperymentu izolacyjnego z udziałem rosyjskich i amerykańskich specjalistów, który pomoże zbadać i określić możliwości organizmu ludzkiego w warunkach symulowania przebywania w kosmosie w oparciu o rosyjski moduł Mars-500 . Projekt będzie realizowany w latach 2017 - 2018. Specjaliści IBMP (Instytut Problemów Medycznych i Biologicznych) wezmą udział w eksperymentach w systemach izolacyjnych NASA. Przewiduje się również, że w projekcie weźmie udział jeden astronauta z Japonii.

W przeciwieństwie do filmu „Marsjanin” eksperyment będzie prowadzony w grupach od czterech do sześciu osób i na Ziemi. William Palosky stwierdził, że obie strony, rosyjska i amerykańska, są w równym stopniu zainteresowane wzmacnianiem i rozszerzaniem współpracy w eksploracji kosmosu. Wstępne wypowiedzi nowego prezydenta USA dotyczące rozwoju współpracy naszych krajów w sektorze kosmicznym również budzą zainteresowanie i napawają optymizmem.

Niewykluczone, że w przyszłości nowe roboty wykonane z wolumetrycznego szkła metalowego będą wspomagać pracę międzynarodowych załóg na orbicie i stacjach pozaziemskich.


foto: struktury amorficzne i krystaliczne w składzie BMG są podstawą jego „wymiennych” właściwości - wytrzymałości i płynności Pomimo długiego czasu – ponad 50 lat od daty odkrycia – właściwości szkła metalicznego i dwufazowej struktury szklano-krystalicznej nie zostały jeszcze zbadane i stanowią ogromny obszar dla rewolucyjnych eksperymentów technologicznych i odkryć w tym celu zastosowania w różnych dziedzinach działalności człowieka – od elektroniki i medycyny po roboty kosmiczne. Nowy wzrost zainteresowania szkłem metalicznym w naszych czasach wpisuje się w poszukiwania zastosowania stopu z dodatkiem polimerów do kompozytu i jego maksymalną komercjalizację.

Metale amorficzne charakteryzują się jednorodnością fazową, ich budowa atomowa jest podobna do struktury atomowej przechłodzonych stopów.

Historia

W latach 90. odkryto stopy, które stawały się amorficzne przy szybkości chłodzenia około 1°C/s. Umożliwiło to produkcję próbek o wymiarach rzędu kilku milimetrów.

Klasyfikacja

Stopy amorficzne dzielą się na 2 główne typy: metal-metaloid i metal-metal.

Po amorfizacji przez hartowanie ze stanu ciekłego można otrzymać stopy zawierające następujące pierwiastki:

• Dla typu metal-metaloid: B, C, Si, Al, P, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Ag, Sn, Te, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Au, Tl, La.
• Dla typu metal-metal: Be, Mg, Al, Ca, Ti, V, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Rh, Pd, Ag, Sb, Hf, Ta, Re, Ir, Pt, Au, Pb, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Th, Dy, Ho, Er, Lu, Th, U.

Właściwości

W niektórych właściwościach wiele metali amorficznych znacznie różni się od metali krystalicznych o tym samym składzie. W szczególności niektóre z nich wyróżniają się dużą wytrzymałością i wytrzymałością, odpornością na korozję i wysoką przenikalnością magnetyczną.

Właściwości mechaniczne

Wiele szkieł metalowych charakteryzuje się bardzo dużą wytrzymałością i twardością. W stopach amorficznych na bazie pierwiastków z podgrupy żelaza (Fe, Co, Ni) twardość HV może przekraczać 1000 GN/m2, a wytrzymałość - 4 GN/m2. Jednocześnie szkła metalowe charakteryzują się bardzo dużą odpornością na pękanie: przykładowo energia pękania Fe 80 P 13 C 7 wynosi 110 kJ/m 2, natomiast dla stali X-200 wartość tego parametru wynosi 17 kJ/m 2 .

Właściwości elektryczne

Opór metali amorficznych wynosi z reguły około 100-300 μOhm cm-, czyli jest znacznie wyższy niż opór metali krystalicznych. Ponadto odporność różnych szkieł metalicznych w określonych zakresach temperatur charakteryzuje się słabą zależnością od temperatury, a czasem nawet maleje wraz ze wzrostem temperatury. Analizując charakterystykę odporności metali amorficznych, wyróżnia się 3 grupy:

• prosty metal - prosty metal
• metal przejściowy - metaloid
• metal przejściowy - metal przejściowy.

Szkła metaliczne z grupy metali prostych – metali prostych charakteryzują się niską rezystywnością (poniżej 100 μOhm cm). Wraz ze wzrostem temperatury rezystancja różnych materiałów z tej grupy może się zwiększać lub zmniejszać.

Rezystancja materiałów z grupy metal przejściowy - metaloid mieści się w przedziale 100-200 μOhm cm-. Współczynnik temperaturowy rezystancji jest początkowo dodatni, a gdy rezystancja osiągnie ~150 μΩ cm-, staje się ujemny. Minimalna wartość rezystancji w temperaturach 10-20 K.

Rezystancja materiałów z grupy metal przejściowy - metal przejściowy przekracza 200 μOhm cm-. Jednocześnie wraz ze wzrostem temperatury rezystancja maleje.

Niektóre stopy amorficzne wykazują właściwość nadprzewodnictwa przy zachowaniu dobrej ciągliwości.

Paragon

Istnieje wiele sposobów produkcji okularów metalowych.

1. Gazowe osadzanie metali
   • Natryskiwanie próżniowe
   • Rozpylający
   • Reakcje chemiczne w fazie gazowej
2. Zestalanie ciekłego metalu
   • Utwardzanie ze stanu ciekłego
3. Naruszenie struktury krystalicznej litego metalu
   • Napromieniowanie cząsteczkowe
   • Uderzenie fali uderzeniowej
   • Implantacja jonów
4. Osadzanie elektrolityczne z roztworów

Utwardzanie ze stanu ciekłego

Główną metodą wytwarzania szkieł metalicznych jest odpuszczanie ze stanu ciekłego. Metoda ta polega na ultraszybkim schłodzeniu wytopu, w wyniku czego przechodzi on w stan stały, unikając krystalizacji – struktura materiału pozostaje prawie taka sama jak w stanie ciekłym. Obejmuje kilka metod umożliwiających otrzymywanie metali amorficznych w postaci proszku, cienkiego drutu, cienkiej taśmy i płytek. Opracowano także stopy o niskich krytycznych szybkościach chłodzenia, co umożliwiło wytwarzanie masowych szkieł metalicznych.

Aby otrzymać płyty o masie do kilkuset miligramów, kroplę stopu wystrzeliwuje się z dużą prędkością na schłodzoną płytę miedzianą, przy czym szybkość chłodzenia osiąga 10 ± 9°C/s. Aby otrzymać cienkie wstęgi o szerokości od dziesiątych do kilkudziesięciu milimetrów, stop wytłacza się na szybko obracającą się powierzchnię chłodzącą. Aby uzyskać druty o grubości od kilku do kilkuset mikronów, stosuje się różne metody. W pierwszym przypadku stop jest zaciągany w rurze poprzez chłodzenie roztwór wodny, szybkość chłodzenia wynosi 10 4 -10 5 °C/s. W drugim sposobie strumień stopu dostaje się do chłodziwa, które znajduje się po wewnętrznej stronie obracającego się bębna, gdzie jest zatrzymywany pod wpływem siły odśrodkowej.

Aplikacja

Pomimo dobrych właściwości mechanicznych, szkła metalowe nie są stosowane jako krytyczne elementy konstrukcyjne ze względu na ich wysoki koszt i trudności technologiczne. Obiecujący kierunek jest zastosowanie odpornych na korozję stopów amorficznych w różnych gałęziach przemysłu. W przemyśle obronnym przy produkcji ochronnych ogrodzeń pancernych stosuje się warstwy amorficznych stopów na bazie aluminium, które pochłaniają energię przebijającego pocisku ze względu na dużą odporność takich warstw na pękanie.

Ze względu na swoje właściwości magnetyczne metale amorficzne wykorzystywane są do produkcji ekranów magnetycznych, głowic odczytowych rejestratorów audio i wideo, urządzeń rejestrujących i przechowujących w technice komputerowej, transformatorów i innych urządzeń.

Zależność rezystancji niektórych metali amorficznych od niskiej temperatury pozwala na ich stosowanie jako rezystorów odniesienia.

Zobacz także

Napisz recenzję o artykule "Metale amorficzne"

Notatki

Literatura

• Yoshizawa Y., Oguma S., Yamauchi K. Nowe stopy magnetyczne na bazie Fe o ultradrobnej strukturze ziarna // J. Appl. Fiz. 1988. M. 64, nr 10.
• Herzer G. Nanokrystaliczne miękkie stopy magnetyczne // Podręcznik materiałów magnetycznych. V. 10. Pod redakcją K. H. J. Bushowa. Amsterdam: Elsevier Science. 1997
• K. Suzuki, H. Fujimori, K. Hashimoto. Metale amorficzne. - M .: Metalurgia, 1987. - 328 s. - 3300 egzemplarzy.
• Jurij Starodubcew. Właściwości magnetyczne stopów amorficznych i nanokrystalicznych. Jekaterynburg: Wydawnictwo Uniwersytetu Uralskiego, 2002.
• Jurij Starodubcew. , M. Technosfera, 2011.

Wyciąg charakteryzujący metale amorficzne

Do krzyków i pożarów w armii wroga doszło, ponieważ w czasie, gdy wśród żołnierzy odczytywano rozkaz Napoleona, sam cesarz jeździł konno po swoich biwakach. Żołnierze na widok cesarza zapalili kiście słomy i krzycząc: vive l "empereur! pobiegli za nim. Rozkaz Napoleona był następujący:
"Żołnierski! Armia rosyjska wychodzi przeciwko tobie, aby pomścić austriacką armię Ulm. To te same bataliony, które pokonaliście pod Gollabrunn i które od tego czasu nieustannie ścigacie do tego miejsca. Pozycje, które zajmujemy, są potężne i gdy zaczną mnie flankować z prawej strony, odsłonią moją flankę! Żołnierski! Ja sam poprowadzę wasze bataliony. Będę trzymał się z daleka od ognia, jeśli ze swą zwykłą odwagą wprowadzicie chaos i zamieszanie w szeregi wroga; jeśli jednak zwycięstwo stanie pod znakiem zapytania choćby przez jedną minutę, ujrzycie waszego cesarza wystawionego na pierwsze ciosy wroga, ponieważ zwycięstwo nie może budzić wątpliwości, zwłaszcza w dniu, w którym honor francuskiej piechoty, tak konieczne dla honoru jego narodu, jest przedmiotem sporu.
Pod pretekstem usuwania rannych nie burzcie szeregów! Niech wszyscy będą w pełni przepojeni ideą konieczności pokonania tych najemników Anglii, inspirowanych taką nienawiścią do naszego narodu. To zwycięstwo zakończy naszą kampanię i będziemy mogli wrócić do kwater zimowych, gdzie znajdą nas nowe wojska francuskie, które formują się we Francji; a wtedy pokój, który zawrę, będzie godny mojego ludu, ciebie i mnie.
Napoleon."

O 5 rano było jeszcze zupełnie ciemno. Oddziały centrum, rezerwy i prawa flanka Bagrationa nadal stały bez ruchu; ale na lewym skrzydle kolumny piechoty, kawalerii i artylerii, które jako pierwsze miały zejść z wyżyn, aby zaatakować prawą flankę francuską i odrzucić ją, zgodnie z rozmieszczeniem, w Góry Czeskie, już zaczęli się poruszać i wstawać z nocnych pozycji. Dym z ognisk, do których wrzucano wszystko, co niepotrzebne, palił moje oczy. Było zimno i ciemno. Oficerowie w pośpiechu wypili herbatę i zjedli śniadanie, żołnierze żuli krakersy, ubijali strzał nogami, rozgrzewając się i gromadząc się przy ognisku, wrzucając do drewna na opał resztki budek, krzeseł, stołów, kół, wanien, wszystkiego, co niepotrzebne, co nie można było ich ze sobą zabrać. Dowódcy kolumn austriackich przemykali między wojskami rosyjskimi i służyli jako zwiastunowie ataku. Gdy tylko austriacki oficer pojawił się w pobliżu obozu dowódcy pułku, pułk ruszył w ruch: żołnierze uciekali przed pożarami, chowali rurki w butach, torby w wozach, zdemontowali broń i ustawili się w szeregu. Oficerowie zapięli guziki, włożyli miecze i plecaki i chodzili po szeregach, krzycząc; Wagony i sanitariusze zaprzężyli, spakowali i związali wozy. Adiutanci, dowódcy batalionów i pułków usiedli na koniach, przeżegnali się, wydali ostatnie rozkazy, instrukcje i instrukcje pozostałym konwojom i rozległ się monotonny tupot tysiąca stóp. Kolumny poruszały się, nie wiedząc dokąd i nie widząc ze strony otaczających ich ludzi, dymu i narastającej mgły, ani obszaru, z którego wychodzili, ani tego, do którego wchodzili.
Żołnierz w ruchu jest otoczony, ograniczony i przyciągany przez swój pułk tak samo, jak marynarz przez statek, na którym się znajduje. Nieważne, jak daleko pójdzie, bez względu na to, na jakie dziwne, nieznane i niebezpieczne szerokości geograficzne wkroczy, wokół niego - jak dla marynarza, zawsze i wszędzie są te same pokłady, maszty, liny jego statku - zawsze i wszędzie ci sami towarzysze, te same rzędy, ten sam sierżant major Ivan Mitrich, ten sam pies służbowy Żuchka, ci sami przełożeni. Żołnierz rzadko chce znać szerokości geograficzne, na których znajduje się cały jego statek; ale w dniu bitwy Bóg jeden wie, jak i skąd w moralnym świecie armii słychać dla wszystkich jedną, surową nutę, która brzmi jak zbliżanie się czegoś zdecydowanego i uroczystego i budzi w nich niezwykłą ciekawość. W dni bojowe żołnierze z zapałem starają się wyjść poza interesy swojego pułku, słuchać, przyglądać się uważnie i chętnie pytać o to, co dzieje się wokół nich.
Mgła stała się tak silna, że ​​mimo że był już świt, nie było widać dziesięciu kroków przed sobą. Krzewy wyglądały jak ogromne drzewa, płaskie miejsca przypominały klify i zbocza. Wszędzie i ze wszystkich stron można było spotkać wroga niewidzialnego oddalonego o dziesięć kroków. Ale kolumny szły długo w tej samej mgle, schodząc i wspinając się po górach, mijając ogrody i płoty, przez nowy, niezrozumiały teren, nigdy nie spotykając wroga. Wręcz przeciwnie, to raz z przodu, raz z tyłu, ze wszystkich stron żołnierze dowiedzieli się, że nasze kolumny rosyjskie idą w tym samym kierunku. Każdy żołnierz czuł się dobrze w duszy, bo wiedział, że w to samo miejsce, do którego szedł, czyli niewiadomo, dokąd zmierzało wielu, wielu naszych.
„Patrzcie, żołnierze Kurska przeszli” – powiedzieli w szeregach.
- Pasja, bracie, że zgromadziły się nasze wojska! Wieczorem patrzyłem jak rozmieszczone są światła, końca nie było widać. Moskwa – jedno słowo!
Choć żaden z dowódców kolumn nie zbliżył się do szeregów ani nie rozmawiał z żołnierzami (dowódcy kolumn, jak widzieliśmy na naradzie wojskowej, nie byli w dobrym humorze i byli niezadowoleni z przedsięwzięcia i dlatego jedynie wykonywali rozkazy i nie dbali o zabawiając żołnierzy), mimo że żołnierze jak zawsze szli wesoło, przystępując do akcji, zwłaszcza ofensywnej. Jednak po około godzinie marszu w gęstej mgle większość armii musiała się zatrzymać, a przez szeregi przetoczyła się nieprzyjemna świadomość trwającego zamieszania i zamieszania. Bardzo trudno jest określić, w jaki sposób ta świadomość jest przekazywana; pewne jest jednak to, że przekazuje się go niezwykle wiernie i rozprzestrzenia się szybko, niezauważalnie i w sposób niekontrolowany, niczym woda w wąwozie. Gdyby armia rosyjska była sama, bez sojuszników, minęłoby być może dużo czasu, zanim świadomość nieporządku stałaby się powszechną pewnością; ale teraz, ze szczególną przyjemnością i naturalnością przypisując przyczynę zamieszek głupim Niemcom, wszyscy byli przekonani, że doszło do szkodliwego zamieszania spowodowanego przez kiełbasarzy.
- Czym się stali? Al zablokowany? A może natknęli się już na Francuza?
- Nie, nie słyszałem. Inaczej zacząłby strzelać.
„Spieszyli się z przemówieniem, ale kiedy wyruszyli, stanęli bezużytecznie na środku pola – ci przeklęci Niemcy wszystko mieszają”. Co za głupie diabły!
– W takim razie pozwoliłbym im iść dalej. W przeciwnym razie prawdopodobnie chowają się za nami. Więc teraz stój tam bez jedzenia.
- Więc będzie tam wkrótce? Mówi się, że kawaleria zablokowała drogę” – powiedział oficer.
„Och, ci przeklęci Niemcy, oni nie znają swojej ziemi” – powiedział inny.
-W jakim dziale jesteś? - krzyknął adiutant, podjeżdżając.
- Osiemnasty.
- Więc dlaczego tu jesteś? Już dawno powinieneś być na czele, teraz nie dotrzesz do wieczora.
- Te rozkazy są głupie; „Nie wiedzą, co robią” – powiedział funkcjonariusz i odjechał.
Potem podjechał generał i krzyknął coś ze złością, ale nie po rosyjsku.
„Tafa lafa, nie rozumiesz, co on mamrocze” – powiedział żołnierz, naśladując zmarłego generała. - Zastrzeliłbym ich, dranie!
„Powiedziano nam, że mamy być na miejscu o dziewiątej, ale nie byliśmy nawet w połowie”. Oto rozkazy! - powtórzone z różnych stron.
A poczucie energii, z jaką żołnierze przystąpili do akcji, zaczęło przeradzać się w irytację i złość na głupie rozkazy i na Niemców.