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

		Способ изготовления	Примеры ПКМ
		Из массива камнерезными маши-	Блоки-полуфабрикаты, крупные
		Из блоков-полуфабрикатов с по-	Стеновые камни и блоки, обли-
			цовочные плиты, цельные ступени,
		следующей камнеобработкой*	подоконные доски
		Раскалыванием блоков с после-	бортовые камни, плиты и камни
			тёсаные, брусчатка, шашки для
		дующей обработкой	мощения и т.д.
	Грубоколотые	Направленным раскалыванием	Постелистый камень
		блоков без последующей обработки
		Взрывом горных пород и отделе-	Бутовый камень
		нием мелких фракций
	Дроблёные	Дроблением горной породы с	Щебень, искусственный песок
		разделением на фракции
		Помолом горной породы	Молотый минеральный поро-
			шок, каменная мука

* 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.

Мировой экономический кризис не останавливает активные инновационные разработки в области космических исследований. Металлическое стекло «со странными свойствами», впервые изобретенное в 1960 году Полом Дювецом, похоже, наконец обрело достойное применение. Его обновленный состав планируется использовать при создании космических роботов-исследователей. О новом материале и проекте НАСА по космической роботизации, рассказывает портал ОКНА МЕДИА.

Объемное металлическое стекло как футуристический объект

Когда Пол Дювец в 1960 году выливал расплавленный горячий состав на основе металла и наблюдал за его свойствами при резком охлаждении, ему и в голову не могло прийти, что данное необычное изобретение вдохновит не только футуристический кинематограф, но и станет реальной основой для новых космических программ. Первоначально полученный Дювецом состав был крайне хрупким и ломким. Он назывался сверхбыстрозамороженным, поскольку вырабатывался при резких скачках температур и одновременном литье состава на стремительно вращающийся медный цилиндр. Охлаждение происходило со скоростью 10 000 000 К/с.

Аморфность как главное свойство сразу определило новый материал. Название «объемное металлическое стекло» возникло в 70-е годы для обозначения новых макроскопических палладиевых сплавов объемом 1 мм с трехмерной структурой. Такое наименование было дано, поскольку сплав был только в основе своей металлическим, а его ключевым свойством была текучесть, или склонность к стеклованию, как ее называли экспериментаторы. По сути, металлическое стекло - это двухфазная структура «стекло –металл», где композит на основе металла или соединений различных металлов непрерывно переходит в стекловидное состояние при охлаждении и претерпевает обратное превращение в застывший металл при следующем затем нагревании с достаточно высокой скоростью процесса нагрева.

фото: разные варианты поверхностей металлического стекла - состав после застывания

Впоследствии эта способность сплава к метаморфозам натолкнула художников, сценаристов и режиссера культового фильма оТерминаторе на создание образа самогенерирующихся роботов-убийц из текучего металлического стекла. Однако практическое применение состава до сих пор был крайне узким, и находилось в основном в области микроштамповки. Еще недавно рассуждения о том, что объемное металлическое стекло может быть использовано в космической промышленности носили исключительно «предположительный» характер.

Металлическое стекло: практическое применение - Космос

На сегодня НАСА является первой организацией, где объемное металлическое стекло, или BMG, станет участником крупномасштабной космической программы по роботизации Вселенной. Основная сложность при работе с металлическим стеклом заключается в рецептуре: состав остается хрупким, если не найти филигранную пропорцию между металлами-участниками сплава. Также предотвратить образование трещин помогает кристаллизация с помощью специальных веществ, которые, формируя кристаллические решетки, скрепляют полосы скольжения внутри сплава и не дают ему «ломаться». До сих пор эксперименты с металлическим стеклом позволяли использовать его в микроэлектромеханических системах (МЭМС), при прозводстве имплантов и хирургических инструментов.

Сжать нельзя растянуть: удивительные свойства BMG

Наряду с хрупкостью – проблемой, которую предстоит решать и решить создателям космических роботов, - металлическое стекло обладает почти сверхестественной гибкостью, высокими антикоррозийными показателями и даже самовосстанавливающимися свойствами после снятия прилагаемой нагрузки – почти как в кино. Интересной «слабостью» BMG является его неустойчивость к различного рода растяжениям. Однако при смене толщины до показателя < 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.

Терминатор в реальном Космосе


фото: несмотря на фантастичность, фильм отразил главные свойства BMG - он легко плавится и быстро и прочно застывает

В отличие от шутливого киношного прототипа конструкции НАСА нацелены исключительно на мирные программы покорения космических пространств. Устойчивость и «хорошее поведение» образцов из BMG при сжатии позволяет использовать сплав для создания роботов, нацеленных на работу с очень холодными объектами. Это важно для работы космических роверов Curiosity , которые не могут работать на смазке без подогрева, а процесс нагревания на данный момент стал слишком затратным.

Металлическое стекло позволяет сконструировать своеобразный защитный панцирь, который будет предохранять машины от холодных температур и позволит существенно снизить энергозатраты на подогрев. Гибкость металлического стекла позволяет ему при нагревании обтекать любые формы и поверхности и потому его защитные функции могут использовать практически для любых изделий любой формы. Использование веществ для кристаллизации состава и рандомизация атомов в сплаве повышает его защитные свойства и делает нечувствительным к нагрузкам. Одним из минусов пока остается большой вес сплава и готовой конструкции из него.

Металлическое стекло в России и сотрудничество с НАСА

В России инновационный высокотехнологичный материал BMG начнут разрабатывать в университете НИТУ «МИСиС» на базе лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы». Под руководством Акихиса Иноуэ (Akihisa Inoue), профессора университета Тохоку (Япония), который является признанным мировым экспертом в сфере материаловедения и металлического стекла, будет проходить разработка усовершенствованного металлического стекла, которое, по заявлениям ученых, по прочности будет превосходить сталь. Вполне возможно, что в перспективе русские и американские ученые создадут совместную космическую программу, где будет задействован BMG.

Сегодня, несмотря на экономические санкции и сложности на российско-американском политическом ландшафте, сотрудничество США России в области исследования космоса продолжается. Одним из интересных экспериментов станет наземная программа изучения человека во время длительной изоляции с целью подготовки астронавтов к пребыванию на инопланетных станциях, например, на Марсе или Луне, при участии Института медико-биологических проблем Российской Академии Наук.

О программе подробно рассказал в своем интервью одному из российских новостных агентств 6 декабря директор программы по изучению человека в НАСА Уильям Палоски.

Программа Марсианин и металлическое стекло

Программа рассчитана на построение двухнедельного изоляционного эксперимента с участием русских и американских специалистов, который поможет изучить и определить возможности организма человека в условиях имитации пребывания в космосе на базе российского модуля Марс-500. Проект будет осуществлен в 2017 - 2018 годах. Специалисты ИМБП (Институт медико-биологических проблем) станут участниками экспериментов в изоляционных системах НАСА. Также предусмотрено участие в проекте одного астронавта из Японии.

В отличие от фильма «Марсианин», эксперимент будет проводиться в группах по четыре-шесть человек и на Земле. Уильям Палоски заявил, что обе стороны, и российская, и американская, одинаково заинтересованы в укреплении и расширении сотрудничества в раках исследования Космоса. Предварительные высказывания нового президента США по поводу развития сотрудничества наших стран в космической сфере также показывают заинтересованность и внушают оптимизм.

Возможно, что в перспективе новые роботы из объемного металлического стекла будут содействовать работе международных экипажей на орбите и станциях вне Земли.


фото: аморфная и кристаллическая структуры в составе BMG в основе его "перемечивых" свойств - прочности и текучести Несмотря на большой промежуток времени – более 50 лет со дня открытия – свойства металлического стекла и двухфазной структуры стекло-кристалл до сих пор не изучены и представляют огромную территорию для революционных технологических экспериментов и открытий с целью применения в самых разных областях человеческой деятельности – от электроники и медицины до космических роботов. Новый всплеск интереса к металлическому стеклу в наше время идет в русле поиска применения сплава с добавлением полимеров к композиту и его максимальной коммерциализации.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

металлический сплав стекло

Введение

1. Металлические стёкла

2. Состав, структура, свойства

3. Механические свойства металлических стекол

4. Область применения

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Прочность и пластичность являются актуальными направлениями исследований механики разрушения. Данные области механики деформируемого твердого тела интенсивно развиваются в большой мере в связи с всё возрастающими запросами промышленности, из-за чего роль новых материалов и технологий с каждым годом возрастает. Их разработка, получение и изучение свойств является объективной необходимостью развития человеческого общества.

Открытие электропластического эффекта на металлах привело к более глубокому пониманию механизма пластической деформации. Появилась возможность управлять механическими свойствами металлических материалов.

В экспериментах с импульсным током было обнаружено увеличение пластичности и уменьшение хрупкости металла. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений. Электропластический эффект линейно зависит от плотности тока, наиболее выражен при импульсном токе, а при переменном токе отсутствует.

Целесообразность расширения использования электропластического эффекта стала очевидной, так как его применение снижает энергетические затраты, а значит и экономические. В частности, в промышленности различные материалы широко используются в электрических полях, вследствие чего их механические характеристики меняются.

Физические свойства металлических стекол (высокая прочность в сочетании с пластичностью, высокая твердость, коррозионная стойкость, стойкость к истиранию и удельное электросопротивление и др.) определяются не только химическим составом, но и структурным состоянием этих материалов.

Массовое использование аморфных металлических сплавов, работающих в электрических полях, ставит задачи по изучению их механических свойств в условиях действия импульсного электрического тока.

1. Металлические стёкла

Стекловидные металлы, метглассы, металлич. Сплавы в стеклообразном состоянии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлического расплава (скорость охлаждения 106 К/с). Быстрый теплоотвод достигается, если, по крайней мере, один из размеров изготовляемого образца достаточно мал (фольга, лента, проволока). Расплющиванием капли расплава между охлаждаемыми наковальнями получают фольгушириной 15 -- 25 мм и толщиной 40--70 мкм, а охлаждением на вращающемся барабане (диске) или прокаткой струи между двумя валками -- ленту шириной 3--6 мм и толщиной 40--100 мкм. Выдавливанием расплава в охлаждённую жидкость могут быть изготовлены в виде проволоки.

Изучение металлических стёкл позволяет исследовать природу металлических, магнитных и другие свойства твёрдых тел.

Высокая прочность (приближается к теоретическому пределу для кристаллов) в сочетании с большой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью делает металлические стёкла перспективными упрочняющими элементами для материалов и изделий.

Некоторые металлические стёкла например Fe80B20 --ферромагнетики с очень низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью, что обусловливает их применение в качестве магнитно-мягких материалов. Другой важный класс аморфных магнитных материалов -- сплавы редких земель с переходными металлами. Перспективно использование электрических и акустических свойств металлических стёкл (высокое и слабо зависящее от температуры, электричества, сопротивления, слабое поглащение вука).

В 90х объемные металлические стекла (ОМС) с размером > 1 мм в каждом из 3х пространственных измерений (Рис. 1) удалось получить на базе широко распространенных металлов: магния, титана, меди, железа и т.д. в двойных, тройных, четверных и многокомпонентных сплавах.

Рис. 1. Образцы отливок объемные металлические стекла (оптическое изображение)

Статистический анализ имеющейся информации по ОМС показал рост их стеклообразующей способности от двойных к тройным и четверным сплавам.

2. Состав, структура, свойства

Состав металлических стёкл равен 80% переходных (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Pr и др.) или благородных металлов и около 20% поливалентных неметаллов (В, С, N, Si, P, Ge и др.), играющих роль стекло-образующих элементов. Примеры-- бинарные сплавы Au81Si19, Pd81Si19 и Fe80B20) и псевдобинарные сплавы, состоящие из 3--5 и более компонентов. Металлические стёкла -- метастабильные системы, которые кристаллизуются при нагревании до температуры, равной Ѕ температуры плавления.

Aтомная структура стёкол демонстрирующая отсутствие дальнего порядка в расположении атомов (Рис. 2) определяют их свойства, в частности механические. По величине прочности и удельной прочности они значительно превосходят соответствующие кристаллические сплавы из-за невозможности использования механизмов аккомодационной деформации дислокационного или двойникового типа. Условный предел текучести объемных металлических стёкл достигает ~2 GPa для объемных металлических стёкл на основе Cu, Ti и Zr, ~3 GPa на основе Ni, ~4 GPa на основе Fe, ~5 GPa на основе Fe и Co, а также 6 GРa для кобальтовых сплавов. Структура металлического стекла также обеспечивает упругую деформацию до 2 %, что в сочетании с высоким пределом текучести обуславливает большие значения запасенной энергии упругой деформации (показатели уy2/E и уy2/сЕ, где уy, с и Е - предел текучести, плотность и модуль Юнга, соответственно). Следует отметить, что недавние исследования указывают наличие атомных кластеров в объемных металлических стёкл.

Рис. 2. Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и картины дифракции от выбранной области субмикроскопического размера (SAED) и наноразмера (NBD). Заметно отсутствие дальнего порядка в расположении атомов. Размер областей рассеяния показан кругами условно. (В России изучением структуры занимаются, в частности, А.С. Аронин и Г.Е. Абросимова)

Объемные металлические стекла обладают не только высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и большими значениями упругой деформации до начала пластической деформации, но и высоким сопротивлением коррозии, включая самопроизвольную пассивацию в некоторых растворах. Высокая твердость, износостойкость, качество поверхности объемных металлических стёкл, а также текучесть при нагреве определяет их применение в микромашинах в качестве механизмов передач (шестеренок), компонентов высокоточных механических систем. Объёмные металлические стекла на основе железа и кобальта с намагниченностью насыщения до 1.5 T имеют рекордно низкие значения коэрцитивной силы менее 1 А/м и активно используются как магнитомягкие материалы. Следует отметить, что в России металлическими стеклами на основе железа и кобальта занимались такие ученые как А.М. Глезер, С.Д. Калошкин и многие другие. Явление стеклования, наблюдаемое при переходе из жидкости в стекло и расстекловывания при нагреве, является одной из самых важных не до конца решенных проблем физики твердого тела. А именно, являются ли аморфная и жидкая фазы одной и той же фазой, только наблюдаемой при разных температурах, или же имеет место фазовый переход из жидкого состояния в аморфное и обратно, и если это так, то какого рода этот фазовый переход? Некоторые успехи достигнуты с использованием компьютерного моделирования, но полной ясности еще нет.

Пластическое течение в металлических стеклах осуществляется в виде сильно локализованных сдвиговых деформационных полос. В случае, когда механические условия таковы, что удается избежать катастрофической нестабильности процесса, имеются множественные полосы сдвига при одноосном сжатии, изгибе, прокатке и протяжке, а также при локализованном индентировании.

Деформации в отдельных полосах исключительно велики. При исследовании поверхностных реплик с подвергшихся резкому изгибу лент Pd80Si20 с помощью трансмиссионной электронной микроскопии Масумото и Маддин наблюдали полосы сдвига шириной ~ 200 Е. С помощью интерференционной микроскопии на поверхности были обнаружены связанные с ними ступеньки высотой до 2000 ?, что свидетельствует о сдвиговых деформациях в полосе. Такие полосы появляются задолго до разрушения, следовательно, сдвиговая деформация разрушения материала превышает значение 200 Е. Способность выдерживать большие деформации связана с отсутствием жесткой пространственной направленности связей структуры или с тем, что аморфная матрица относительно свободна от таких макроскопических дефектов, как поры, оксидные включения, отдельные кристаллики и т.д. Первое объясняет пластичность металлических стекол по сравнению с другими неорганическими стеклами типа диоксида кремния, имеющими ковалентные связи; второе объясняет наличие более локализованной пластичности металлических стекол в сравнении с пластичностью при изгибе стальных листов.

Сильная локализованная сдвиговая деформация уже сама по себе свидетельствует об отсутствии деформационного упрочнения в металлических стеклах. Дополнительное подтверждение этому дают испытания на сжатие, выполненные Пампилло и Ченом на аморфном сплаве Pd77,5Cu6Si16,5. Стекло этого состава аморфизуется, что позволяет получать стержни большого диаметра (~ 2 мм), удобные для проведения испытаний на сжатие. Образцы подвергались сжатию до появления полос деформации. После этого они подверглись полировке для удаления образованных полосами ступенек на их поверхности и впоследствии были снова нагружены.

Оказалось, что полосы, возникшие после первого нагружения, проявились снова, хотя концентраторов напряжений, связанных со ступеньками скольжения на поверхности, не было. Этого не было бы при наличии деформационного упрочнения полос. Форма кривых «напряжение - деформация» свидетельствует об отсутствии деформационного упрочнения: напряжение, необходимое для пластического течения, сохраняется приблизительно постоянным.

3. Механические свойства металлических стекол

Вследствие отсутствия деформационного упрочнения деформация стекол в режиме одноосного растяжения механически нестабильна, пластическое течение перерастает в разрушение. Для проволок растяжение создает катастрофическую сдвиговую неустойчивость. В случае лент, чтобы исключить надрыв, проявлению подобной неустойчивости предшествует образование шейки. При этом шейку трудно обнаружить, хотя ориентировка сдвига ясно указывает на ее существование, а при более высоких температурах образуется более развитая шейка и легко наблюдаемая.

Для лент металлических стекол с постоянным поперечным сечением при растяжении типично разрушение путем распространения надрыва, характерное для тонких полос высокопрочных материалов. Разрушение начинается обычно в захватах вследствие существующих там концентраций напряжений. Надрыв распространяется аналогично винтовой дислокации в плоскости, ориентированной под углом ~ 45° по отношению к оси растяжения и нормали к поверхности ленты. В пластической зоне, примыкающей к трещине, осуществляется локализованная сдвиговая деформации, и по деформированному материалу происходит сдвиговый разрыв.

В радиально симметричном образце тенденция к надрыву устранена, и разрушение происходит одновременно со сдвиговой нестабильностью. По всему поперечному сечению образца под углом 45° к оси растяжения развивается исключительно сильная полоса сдвига, по которой и происходит сдвиговой разрыв.

На поверхности разрушения стекол обычно наблюдается небольшая гладкая область, соответствующая начальному сдвигу. Остальная часть поверхности отмечена "венообразным узором", который впервые наблюдал и описал Лими. Используя стереосканирующую электронную микроскопию, Лими с сотрудниками установили, что вены представляют собой выступы на плоском фоне. В материале зарождаются и распространяются по полосе сдвига сдвиговые дискообразные трещины. Там, где они встречаются, материал разрушается путем образования внутренних шеек, в результате чего появляются плавно закругляющиеся "вены". Образование сдвиговых дискообразных трещин происходит с участием дилатации (расширения или сжатия) образца. Это подтверждается тем фактом, что при растяжении аморфной проволоки в условиях наложенного гидростатического давления трещина возникает предпочтительно на наружной периферии зоны сдвига. В этом случае на поверхности разрушения преобладает семейство тесно расположенных, приблизительно параллельных вен, ориентированных перпендикулярно направлению сдвига. Короткие сегменты трещин распространяются как винтовые компоненты дислокационной петли, оставляя позади себя вены, которые являются аналогами диполей краевых дислокаций.

Окончательное разрушение проволоки, испытываемой на усталость, происходит всегда одновременно с общим течением по оставшейся части сечения, по которой еще не распространилась усталостная трещина. Разрушение ленты с базой происходит таким же образом, если прикладываемое растягивающее напряжение составляет приблизительно 99% от напряжения течения. В случае меньших уровней напряжений разрушение происходит под углом 45°. В последнем случае в центральной части сечения непосредственно перед усталостной трещиной имеет место трехосное напряженное состояние. Поверхность катастрофического разрушения ориентирована под углом 90° к оси растяжения. Макроскопически такое разрушение носит хрупкий характер. При этом усталостная трещина распространяется от места своего зарождения по площади, представляющей собой полуокружность. После этого происходит быстрое разрушение. Для поверхности разрушения, ориентированной под углом 90° к оси растяжения, характерен классический V-образный "шевронный" узор, линии которого ориентированы к месту образования трещины. При более подробном рассмотрении поверхности разрушения шевроны имеют пилообразную форму с поверхностями, расположенными наклонно по отношению к оси растяжения. Детальное изучение этих поверхностей показало, что они покрыты тонкой сеткой равноосного "венообразного" узора. Это свидетельствует о том, что даже при макроскопических условиях плоской деформации локальное разрушение происходит сдвиговым путем.

4. Область применения

Интерес к металлическим стеклам был инициирован, прежде всего, возможностями их применения в технике, основанными на необычных свойствах этих материалов.

Механические свойства металлических стёкол позволяют применять их в качестве упрочняющих нитей в композитных материалах, используемых в строительстве, аэронавтике и спорте, а также для армирования бетона и подобных материалов. Прочные ленты могут быть использованы в качестве намотки для упрочнения сосудов высокого давления или для построения больших маховых колес, используемых для аккумулирования энергии. Высокая твердость и отсутствие границ зерен позволяют получать отличные режущие кромки, в частности бритвенных лезвий. Могут найти применение некоторые виды пружин, изготовленных из металлических стекол.

Магнитные свойства, металлических стекол открывают возможность их применения в качестве материалов для сердечников индуктивных составляющих электронных схем, в силовых трансформаторах, где они могут заменить обычные сплавы Fe-Si с ориентированными зернами, а также в двигателях, в качестве магнито - мягких материалов для магнитного экранирования, в качестве записывающих магнитных головок, датчиков, возбудителей механических фильтров и линий задержки.

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

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

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

Заключение

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

Появление металлических стекол (сплавов с низкой критической скоростью охлаждения, позволяющей получать в аморфном состоянии слитки весом до 1 кг и более) создало перспективу их применения и в качестве конструкционных материалов. У металлических стекол есть и недостатки. Они имеют довольно малую пластичность, а также теряют прочность при повышении скорости нагрузки. Однако все же аморфные сплавы можно считать пластичными стеклами: их можно подвергать вырубке и резке на полосы в штампах, на проволоку, их можно сплести и согнуть. Их них можно изготовить плетеные сетки, которые удачно заменят арматуру в железобетонных плитах, канаты, прочные волокнистые композиты и самые разные изделия, что позволит сэкономить огромное количество металла.

Список используемой литературы

1. Гилман Д.Д., Лими Х.Д. Металлические стекла. М.: Металлургия. 1984. 264с.

2. Бобров О. Л. , Лаптев С.Н. , Хоник В.А. Релаксация напряжений в массивном металлическом стекле Zr52.5Ti5CU17.9Ni14.6 AII0 // ФТТ. 2004. Т. 46. Вып. 6. С. 457 - 460.

3. Кожушка А.А., Синани А.Б. Скорость нагружения и хрупкость твердых тел. // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 5. С. 812 - 815.

4. Альшиц В.И., Даринская Е.В., Колдаева М.В., Петржик Е.А. Магнитопластический эффект: основные свойства и физические механизмы // Кристаллография. 2003. Т. 48. Вып. 2. С. 826-854.

5. Моргунов Р.Б., Баскаков А.А., Трофимов И.Н., Якунин Д.В. Роль термоактивируемых процессов в формировании магниточувствительных комплексов точечных дефектов в монокристаллах NaCl: Eu // ФТТ. 2003. Т. 45. Вып. 2. С. 257-258.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов. Диаграммы состояния конструкционных материалов. Физико-механические свойства и применение пластических масс, сравнение металлических и полимерных материалов.

учебное пособие , добавлен 13.11.2013


Достоинства и недостатки металлических конструкций. Классификация нагрузок и воздействий. Области применения и номенклатура металлических конструкций. Физико-механические свойства стали. Расчет металлических конструкций гражданских и промышленных зданий.

презентация , добавлен 23.02.2015


Краткий обзор и характеристики твердых материалов. Группы металлических и неметаллических твердых материалов. Сущность, формирования строения и механические свойства твердых сплавов. Производство и применение непокрытых и покрытых твердых сплавов.

реферат , добавлен 19.07.2010


Изучение методики построения диаграмм состояния металлических сплавов. Исследование физических процессов и превращений, протекающих при кристаллизации сплавов. Виды термической обработки. Анализ влияния температуры на растворимость химических компонентов.

контрольная работа , добавлен 21.11.2013


Улучшение эксплуатационных и технологических свойств металлического материала благодаря сплаву металлов. Фазы металлических сплавов. Диаграммы фазового равновесия. Состояние сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

реферат , добавлен 31.07.2009


Понятие о металлических сплавах. Виды двойных сплавов. Продукты, образующиеся при взаимодействии компонентов сплава в условиях термодинамического равновесия. Диаграммы состояния двойных сплавов, характер изменения свойств в зависимости от их состава.

контрольная работа , добавлен 08.12.2013


Аустенитные и азотосодержащие коррозионно-стойкие стали: способы получения, технология производства, выплавка, термомеханическая обработка, основные свойства. Метод электрошлакового переплава металлических электродов в водоохлаждаемый кристаллизатор.

дипломная работа , добавлен 19.06.2011


Основные сорта стекол, применяемые при машинном изготовлении стеклянных трубок. Возможные соединения керамических материалов с соответствующими сортами стекла. Обработка поверхности стекол. Его сверление и резание. Травление стекла и плавленого кварца.

реферат , добавлен 28.09.2009


Материалы для получения искусственной стекольной массы. Технология варки стекла. Физические, механические, термические и электрические свойства. Газопроницаемость и обезгаживание стекол. Химическая стойкость. Исходные материалы для стеклодувных работ.

курсовая работа , добавлен 11.07.2009


Производство металлических пен из расплавов металлов. Свойства пеноалюминия и пеноникеля. Применение металлических пен в машиностроении, космических технологиях, строительстве и медицине. Их использование для уменьшения концентрации нежелательных ионов.

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.

Аморфные сплавы (металлические стекла)

Металлы и сплавы в аморфном состоянии, т.е. металлические стекла, впервые были получены в 1959–1960 гг. Свойства металлических сплавов в аморфном и кристаллическом состоянии имеют существенные отличия. Металлические стекла обладают сочетанием высоких механических, магнитных, антикоррозионных свойств.

Аморфная структура образуется при сверхвысоких скоростях охлаждения – 106 К/с и выше, при этом достигается очень большая степень переохлаждения, при которой параметры кристаллизации ЧЦК и CK (см. 1.3.5 и рис. 1.22) равны нулю (скорость охлаждения при получении отливок традиционными методами около 1 К/с). Существует ряд методов достижения таких скоростей:

• – высокоскоростное ионно-плазменное и термическое распыление материала с последующей конденсацией паров на охлаждаемую жидким азотом подложку; скорость охлаждения около 1013 К/с;
• – оплавление тонких поверхностных слоев деталей лазерным лучом, при этом высокая скорость охлаждения обеспечивается быстрым отводом тепла в глубьлежащие слои металла; скорость охлаждения 107-109 К/с;
• – закалка из жидкого состояния; скорость охлаждения 106...1010 К/с.

Закалка из жидкого состояния – основной метод получения металлических стекол. Установка для реализации этой технологии (рис. 10.14) состоит из трех вакуумных камер (1). В верхней осуществляется расплавление металла плазменной горелкой (6), в средней расположен медный диск (3 ), нижняя камера – вакуумный резервуар. Водоохлаждаемый медный тигель (4) расположен на стенке, разделяющей верхнюю и среднюю камеры. После помещения металла (5) в тигель происходит откачка до давления 10-4 Па, затем в верхнюю и среднюю камеры подают аргон до давления 5...8 104 Па. После расплавления металла давление в средней камере сбрасывается до 104 Па с помощью дроссельного клапана (2). Под действием разности давлений расплав поступает в среднюю камеру и попадает на вращающийся медный

Рис. 10.14.

диск. При непрерывной подаче жидкого металла образуется лента с аморфной структурой.

Склонность к получению аморфной структуры определяется типом и химическим составом сплава. Высокой склонностью к образованию аморфной структуры обладают сплавы, компоненты которых образуют диаграммы состояния с эвтектикой, а их составы – околоэвтектические. Это объясняется, во-первых, тем, что в сплавах, содержащих эвтектику, температура конца кристаллизации минимальна, поэтому жидкость остается стабильной до самых низких температур и обладает высокой вязкостью, что затрудняет диффузионные процессы и тем самым кристаллизацию (при более высоких температурах вязкость жидкости ниже). Во-вторых, чем ближе состав к эвтектическому, тем большее количество жидкости сохраняется до температуры солидус (для эвтектического сплава количество жидкости в соответствии с равновесной диаграммой состояния составляет 100%) и тем меньше вероятность образования зародышей твердой фазы.

Диаграммы состояния с эвтектикой характерны для сплавов "металл – неметалл" (напомним широко известную диаграмму состояния "железо – цементит" с эвтектикой при содержании углерода 4,3%). К неметаллическим аморфообразующим элементам относятся С, Р, В, N, S и др. В настоящее время получено большое количество аморфных сплавов на основе титана в сочетании с ванадием, ниобием, танталом, а также на основе железа, хрома, ниобия с аморфообразующими компонентами. При этом аморфная структура достигается для сплавов, составы которых близки к эвтектическим. В качестве примера приведем сплавы Ta80Nb55Si15, Ti72Ta10SiI8, Fe8()B20 (цифры – атомные проценты соответствующего элемента).

Предпосылкой для получения аморфных чисто металлических сплавов является наличие на диаграмме состояния "металл – металл " промежуточных соединений – интерметаллидов (см. 3.2).

Эти фазы, так же как и химические соединения, имеют собственную кристаллическую решетку, стехиометрический состав, но в отличие от химического соединения неупорядоченное расположение атомов разного сорта в кристаллической решетке. Сложное строение таких фаз требует для их образования протекания диффузионных процессов, которые при сверхвысоких скоростях охлаждения подавляются, вследствие чего сплавы получают метастабильную аморфную структуру.

Так, в системе "железо – вольфрам" получены аморфные сплавы при содержании атомного железа порядка 31...68%, т.е. в области существования фаз Fe2W и Fe7W6 (например, W50Fe50). Аморфные сплавы, близкие по составу к промежуточным фазам, получены также в системах "Мо – Fe", "Nb – Ni", "Та – Ni": Мо46Со54, Nb60Ni40, Ta50Ni50.

Аморфная структура металлических стекол нестабильна, поэтому она стремится приобрести наиболее стабильную, т.е. кристаллическую, структуру. Это происходит при нагреве выше начала температуры кристаллизации (T кр), которая зависит от температуры плавления (T пл) следующим образом: Т кр = (0,4...0,65) Tпл, К.

Нагрев ниже температуры начала́ кристаллизации (T кр), приводящий к более стабильному состоянию, сопровождается незначительными изменениями свойств – снижением электросопротивления и объема (рис. 10.15, 10.16). При повышении температуры выше Т кр происходит резкое изменение указанных характеристик до значений, которыми обладает вещество в кристаллическом состоянии.

Изменения структуры и свойств при нагреве определяют термическую обработку металлических стекол – это стабилизирующий отжиг при температурах ниже Т кр.

Применение металлических стекол ограничено температурой кристаллизации, нагрев до которой резко меняет их свойства.

Сортамент выпуска металлических стекол – это тонкие фольги, ленты, нити. Свое основное применение они

Рис. 10.15. Влияние температуры на электрическое сопротивление аморфного металлического сплава Fe 48Co 15Nii 5Si 14

нашли в микроэлектронике и радиоэлектронике, где используются фольги и тонкие пленки металлов, нанесенные на полупроводниковые или изолирующие подложки.

Однако такое применение аморфных металлических сплавов определяется нс только и не столько технологическими соображениями, сколько их особыми электрическими и магнитными свойствами. Весьма существенные различия физических свойств металлических стекол и кристаллических материалов объясняются принципиальным различием их строения, а именно случайным (в стеклах), а не упорядоченным (в традиционных металлах) распределением атомов, а также отсутствием зерен в структуре стекла.

Металлические стекла прежде всего отличаются высоким удельным электросопротивлением и низкими значениями коэффициента температурного расширения (табл. 10.4). По этим характеристикам они значительно превосходят традиционно используемый нихром (Х20Н80).

Таблица 10.4

Удельное электросопротивление и температурный коэффициент (ТК) сопротивления металлических стекол системы "Ni – Si – В"

Рис. 10.16.

Железокобальтовые аморфные сплавы обладают высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, что важно для магнитомягких материалов. Они могут заменить традиционные пермаллои (сплавы, содержащие от 45 до 83% Ni). Так, для сплава Fe5Co66Cr9Si5Bl5 магнитная проницаемость μ = 2105, коэрцитивная сила H c = 0,08 А/м, тогда как для пермаллоя марки 4-79Mо эти характеристики составляют соответственно 3 104 и 0,8 А/м. Коэрцитивная сила тем меньше, чем крупнее зерно, структура же аморфных сплавов представляет собой как бы одно зерно.

Для аморфных сплавов, в состав которых входят железо, хром, кобальт, характерно сочетание высоких значений твердости и прочности (табл. 10.5).

Таблица 10.5

Механические свойства аморфных металлических сплавов

Состав, % атомн.	Твердость, HV

Однако использование аморфных сплавов для изготовления нагруженных деталей, к сожалению, ограничено производимым сортаментом. Нити используют для армирования композиционных материалов, ленты – для намотки при изготовлении сосудов высокого давления с целью их упрочнения. Из ленты изготавливаются также упругие элементы.

Весьма высокую твердость реальных деталей можно получить путем аморфизации поверхностных слоев деталей лазерной обработкой. Так, лазерная обработка чугунной детали (3,2% С, 2,6% Si, 0,64% Mn, 0,06% Р) позволила получить твердость поверхности, равную 1200 HV. Такая высокая твердость достигается при азотировании сталей, содержащих алюминий.

Получение аморфных сплавов стало весьма актуальным в связи с развитием важнейшего направления материаловедения – нанотехнологии. Кристаллизация аморфных сплавов позволяет получить кристаллы с размерами в нанометровом диапазоне – наноматериалы (см. ниже, 14.2.2).