Перспективы использования аморфных материалов. Методы получения аморфных металлов Синтез кристаллических и аморфных материалов
В С Сучков, А Н Иматов
Камский государственный политехнический институт
г Набережные Челны
Перспективы использования аморфных материалов
Развитие современной техники вызывает потребность в поисках и разработке новых металлических материалов, обладающих не только более высокими физико - химическими свойствами, но и таким сочетанием различных по своей природе свойств, которое не может быть достигнуто на базе традиционных материалов. Таким новым классом материалов являются аморфные металлические сплавы.
Аморфные сплавы - это материалы с высокой прочностью и коррозионной стойкостью; это и магнито-мягкие материалы, обладающие гистерезисными магнитными свойствами, уровень которых характерен для лучших кристаллических магнито-мягких материалов (пермаллой, сендаст); это и материалы с инварными свойствами; это и материалы с особыми упругими (элинварными) и магнитомеханическими свойствами (материалы с высоким коэффициентом магнитомеханической связи и пьезомагнитным коэффициентом); это и материалы с особыми электрическими свойствами.
Возможно применение в широких масштабах аморфных магнито-мягких сплавов:
Повышение качества изделий применяя аморфные сплавы, обладающие более высокими служебными характеристиками, чем традиционные кристаллические материалы;
Замена кристаллических материалов на основе дефицитных металлов аморфными сплавами, состоящих или из более доступных элементов, или содержащих дефицитные элементы в меньших количествах;
Переход от традиционной многоступенчатой, трудоемкой и энергонасыщенной технологии получения конечного продукта к новой материале - и энергосберегающей технологии получения изделий методом закалки из расплава, которая во многом несет черты безотходной и экологически чистой технологии.
Основные методы получения аморфных порошков основаны на быстрой закалки из расплавов классифицирующихся по признаку расположения теплоприемника:
Метод формирования жидкого материала, находящегося в контакте с теплоприемником. Этот подход имеет преимущество, продукт образуется последовательно капля за каплей (методы распыления). Затвердевание при распылении может происходить в несколько стадий, и термическая история конкретных участков образцов может быть довольно сложной.
Метод в котором расплав доставляется к теплоприемнику непрерывно, однородно, без дробления (разливка на охлаждающую поверхность).
Метод (куда относятся все процессы сварки,) связанных с быстрым локализованным плавлением и последующим быстрым затвердеванием при сохранении постоянного контакта с теплоприемником (обычно это нерасплавленная часть этого же материала). Холодным теплоприемником как правило является твердый металл, имеющий высокую теплопроводность (например, медь). При распылении, когда охлаждение и затвердевание капель происходят в процессе свободного пролета через газовую среду, и при экструдировании нити расплава в жидкую охлаждающую среду теплоприемником служит газ или жидкость.
Для каждого материала можно построить так называемую С-образную диаграмму начала кристаллизации. Она строится по расчетам зависимости времени t , которое требуется для кристаллизации заданной доли объема расплава х , от величины переохлаждения Δ T = (Tm - T ) .Эту диаграмму называют ТТТ – диаграммой (начальные буквы английских слов: temperature-time-transformation). Показывает критическую скорость охлаждениа Rc . Специфическая форма ТТТ-кривой определяется наложением двух факторов, действующих в противоположных направлениях, а именно, увеличением движущей силы процесса кристаллизации с ростом переохлаждения и снижением диффузионной подвижности атомов. Сначала с ростом переохлаждения время начала кристаллизации t уменьшается и при некоторой температуре TN она достигает минимального значения t N . При дальнейшем переохлаждении расплава прогрессивное увеличение времени начала кристаллизации определяется в основном возрастанием вязкости расплава.
Rc = (Tm - TN )/ tN
https://pandia.ru/text/77/508/images/image002_184.gif" width="294" height="301 src=">
Схема температурной зависимости свободного объема в жидкости без её перехода в аморфное состояние (1) и в случае её перехода в аморфное состояние при Tg (2). Показано только изменение свободного объема, без учета термического расширения, обусловленного энгармонизмом колебаний атомов: Vo – удельный объем переохлажденной жидкости при абсолютном нуле
температуры; ΔV - избыточный («замороженный») свободный объем в аморфной фазе
Свободный объем. Под свободным объемом, во-первых, можно подразумевать разницу между объемом расплава V при выбранной температуре Т и его объемом Vo при абсолютном нуле. Во-вторых, определение свободного объема можно сформулировать так: свободный объем есть разница между объемом расплава V при выбранной температуре и Суммарным объемом составляющих его атомов. Обычно придерживаются первого определения. В соответствии с «дырочной» теорией жидкости, физические основы которой были сформулированы Я. Френкелем, жидкость представляют как неоднородную, прерывистую систему, в которой существуют равновесные микропоры («дырки») со средним объемом νh и число которых Nh меняется в зависимости от температуры. Суммарный объём этих пор Nh " νh и определяет величину свободного объёма ΔV f . . Если расплав теряет способность образовывать в достаточном количестве микропоры (свободный объем ΔVf достигает низких значений), то вязкость расплава η соответственно резко возрастает и произойдет его аморфизация.
На основе изучения этих методов разработан способ получения аморфного порошка в плазме электрического разряда.
В последние годы XX столетия внимание физиков и материаловедов привлечено к таким конденсированным средам, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов в пространстве. Всеобщий интерес к неупорядоченному состоянию английский физик Дж. Займан выразил следующим образом: «Неупорядоченные фазы конденсированных сред - сталь и стекло, земля и вода, пусть и без остальных стихий, огня и воздуха, - встречаются несравненно чаще и в практическом отношении никак не менее важны, чем идеализированные монокристаллы, которыми не столь давно только и занималась физика твердого тела».
Среди твердых конденсированных сред особого внимания заслуживают так называемые металлические стекла - аморфные металлические сплавы (АМС) с неупорядоченным расположением атомов в пространстве. До недавнего времени понятие «металл» связывалось с понятием «кристалл», атомы которого расположены в пространстве строго упорядочено. Однако в начале 60-х гг. в научном мире распространилось сообщение о том, что получены металлические сплавы, не имеющие кристаллической структуры. Металлы и сплавы с беспорядочным расположением атомов стали называть аморфными металлическими стеклами, отдавая должное той аналогии, которая существует между неупорядоченной структурой металлического сплава и неорганическим стеклом.
Открытие аморфных металлов внесло большой вклад в науку о металлах, существенно изменив наши представления о них. Оказалось, что аморфные металлы разительно отличаются по своим свойствам от металлических кристаллов, для которых характерно упорядоченное расположение атомов.
АМС получают быстрой закалкой расплавов при скоростях охлаждения жидкого металла 10 4 –10 6 °С/с и при условии, что сплав содержит достаточное количество элементов-аморфизаторов. Аморфизаторами являются неметаллы: бор, фосфор, кремний, углерод. Соответственно аморфные металлические сплавы разделяются на сплавы «металл – неметалл» и «металл – металл».
Широкое промышленное применение имеют магнитомягкие сплавы системы «металл – неметалл». Их получают на основе ферромагнитных металлов - железа, никеля, кобальта, используя в качестве аморфизаторов различные сочетания неметаллов.
Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости. Затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, будучи в жидком состоянии. Аморфная структура характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов (рисунок 1), благодаря чему в ней нет кристаллической анизотропии, отсутствуют границы блоков, зерен и другие дефекты структуры, типичные для поликристаллических сплавов.
Рисунок 1. Компьютерные модели структуры дальнего (а) и ближнего (б) порядков
Следствием такой аморфной структуры являются необычные магнитные, механические, электрические свойства и коррозионная стойкость аморфных металлических сплавов. Наряду с высокой магнитной мягкостью (уровень электромагнитных потерь в аморфных сплавах с высокой магнитной индукцией оказывается существенно ниже, чем во всех известных кристаллических сплавах) эти материалы проявляют исключительно высокие механическую твердость и прочность при растяжении, в ряде случаев имеют близкий к нулю коэффициент теплового расширения, а их удельное электросопротивление в три-четыре раза выше его значения для железа и его сплавов. Некоторые из аморфных сплавов характеризуются высокой коррозионной стойкостью.
Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно для всех металлов и сплавов. Для практического применения обычно используют сплавы переходных металлов (Fe, Со, Mn, Cr, Ni и др.), в которые для образования аморфной структуры добавляют аморфообразующие элементы типа В, С, Si, Р, S. Такие аморфные сплавы обычно содержат около 80 % (ат.) одного или нескольких переходных металлов и 20 % металлоидов, добавляемых для образования и стабилизации аморфной структуры. Состав аморфных сплавов близок по формуле М 80 Х 20 , где М - один или несколько переходных металлов, а X - один или несколько аморфизаторов. Известны аморфные сплавы, состав которых отвечает приведенной формуле: Fe 70 Cr 10 P 15 B 5 , Fe 40 Ni 40 Si 14 B 6 , Fe 80 P 13 B 7 и др. Аморфизаторы понижают температуру плавления и обеспечивают достаточно быстрое охлаждение расплава ниже его температуры стеклования так, чтобы в результате образовалась аморфная фаза. На термическую стабильность аморфных сплавов оказывают наибольшее влияние кремний и бор, наибольшей прочностью обладают сплавы с бором и углеродом, а коррозионная стойкость зависит от концентрации хрома и фосфора.
Аморфные сплавы находятся в термодинамически неравновесном состоянии. В силу своей аморфной природы металлические стекла имеют свойства, присущие неметаллическим стеклам: при нагреве в них проходят структурная релаксация, расстекловывание и кристаллизация. Поэтому для стабильной работы изделий из аморфных сплавов необходимо, чтобы их температура не превышала некоторой заданной для каждого сплава рабочей температуры.
2. Методы получения аморфных сплавов
Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла для получения аморфной структуры реализуются различными способами. Общим в них является обеспечение скорости охлаждения не ниже 10 6 °С/с.
Существуют различные методы получения аморфных сплавов: катапультирование капли на холодную пластину, распыление струи газом или жидкостью, центрифугирование капли или струи, расплавление тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрое охлаждение из газовой среды и др.
Использование этих методов позволяет получать ленту различной толщины, проволоку и порошки.
Получение ленты. Наиболее эффективными способами промышленного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатка расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью.
На рисунке 2 приведены принципиальные схемы этих методов. Расплав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит в том, что в методах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны. Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в используемом оборудовании. Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более. Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1–0,2 мм, так и широкие - до 100 мм, причем точность ширины может быть ±3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг.
Рисунок 2. : а - центробежная закалка; б - закалка на диске; в - прокатка расплава; г - центробежная закалка; д - планетарная закалка
Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося холодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, т. е. зависит от диаметра сопла и давления газа на расплав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодильником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.
Получение проволоки. Для получения тонкой аморфной проволоки используются различные методы вытягивания волокон из расплава (рисунок 3).
Рисунок 3. : а - протягивание расплава через охлаждающую жидкость (экструзия расплава); б - вытягивание нити из вращающегося барабана; в - вытягивание расплава в стеклянном капилляре; 1 - расплав; 2 - охлаждающая жидкость; 3 - стекло; 4 - форсунка; 5 - смотка проволоки
Первый метод (рисунок 3, а) - расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей. Второй метод (рисунок 3, б) - струя расплавленного металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидкости. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре (рисунок 3, в). Этот метод называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной трубкой, при этом диаметр волокна составляет 2–5 мкм. Главная трудность состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, естественно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.
Получение порошков. Для производства порошков аморфных сплавов можно воспользоваться методами и оборудованием, применяемыми для изготовления обычных металлических порошков.
На рисунке 4 схематично показаны несколько методов, позволяющих в больших количествах получать аморфные порошки. Среди них следует отметить методы распыления (рисунок 4, а) хорошо зарекомендовавшие себя.
Рисунок 4. : а - метод распыления (спрей-метод); б - кавитационный метод; в - метод распыления расплава вращающимся диском; 1 - порошок; 2 - исходное сырье; 3 - форсунка; 4 - охлаждающая жидкость; 5 - охлаждаемая плита
Известно изготовление аморфных порошков кавитационным методом, который реализуется прокаткой расплава в валках, и методом распыления расплава вращающимся диском. В кавитационном методе (рисунок 4, б) расплавленный металл выдавливается в зазоре между двумя валками (0,2–0,5 мм), изготовленными, например, из графита или нитрида бора. Происходит кавитация - расплав выбрасывается валками в виде порошка, который попадает на охлажденную плиту или в охлаждающий водный раствор. Кавитация возникает в зазоре между валками, вследствие чего исчезают пузырьки газа, имеющиеся в металле. Метод распыления вращающимся диском (рисунок 4, в) в принципе аналогичен ранее описанному методу изготовления тонкой проволоки, но здесь расплавленный металл, попадая в жидкость, разбрызгивается за счет ее турбулентного движения. При помощи этого метода получается порошок в виде гранул диаметром около 100 мкм.
3. Маркировка, свойства и области применения аморфных сплавов
Маркировка аморфных сплавов осуществляется согласно ТУ 14- 1-4972-91 с использованием буквенно-числовой системы обозначений. Элементы обозначаются буквами русского алфавита так же, как это предусмотрено для сталей. Числа перед буквенным обозначением элемента указывают его среднее содержание в сплаве. Содержание кремния и бора в марочном обозначении не указывается, их общее содержание, как элементов-аморфизаторов, равно 20–25 % (ат.).
Химический состав аморфных сплавов обозначают также символами химических элементов с цифровыми индексами, которые указывают содержание данного элемента (% (ат.)), например, Fe 31 B 14 Si 4 C 2 . Сплавы, производимые в промышленных масштабах, в США называются Metglas, в Германии - Vitrovac, в Японии - Amomet. К этим названиям добавляется кодовое число.
Вследствие металлического характера связи многие свойства металлических стекол значительно отличаются от свойств стекол неметаллических. К ним относятся вязкий характер разрушения, высокие электро- и теплопроводность, оптические характеристики.
Плотность аморфных сплавов лишь на 1–2 % меньше плотности соответствующих кристаллических тел. Металлические стекла имеют плотноупакованную структуру, сильно отличающуюся от более рыхлой структуры неметаллических стекол с направленными связями.
Аморфные металлы являются высокопрочными материалами. Наряду с высокой прочностью они характеризуются хорошей пластичностью при сжатии (до 50 %) и изгибе. При комнатной температуре аморфные сплавы подвергаются холодной прокатке в тонкую фольгу. Лента аморфного сплава Ni 49 Fe 29 P 14 B 6 A 12 толщиной 25 мкм без образования микротрещин может быть согнута вокруг острия бритвенного лезвия. Однако при растяжении их относительное удлинение составляет не более 1–2 %. Это объясняется тем, что пластическая деформация происходит в узко (10–40 нм) локализованных полосах сдвига, а за пределами этих полос деформация практически не имеет развития, что и приводит к низким значениям макроскопической пластичности при растяжении. Предел текучести аморфных сплавов Fe 40 Ni 40 P 14 В 6 , Fe 80 B 20 , Fe 60 Cr 6 Mo 6 B 28 составляет, соответственно, 2 400, 3 600, 4 500 МПа, а предел текучести высокопрочных сталей обычно составляет не более 2 500 МПа.
Для аморфных сплавов характерна четкая линейная связь между твердостью и прочностью. Для сплавов на основе Fe, Ni, Со справедливо выражение HV = 3,2 σ т, что позволяет с достаточной точностью использовать показания твердомера для определения прочностных характеристик. Энергия разрушения и ударная вязкость аморфных сплавов также значительно превышают эти характеристики обычных кристаллических материалов - сталей и сплавов, неорганических стекол тем более. Характер излома свидетельствует о вязком разрушении металлических стекол. Это может быть обусловлено их адиабатическим нагревом в результате пластической деформации.
Аморфные конструкционные сплавы . АМС обладают ценным комплексом механических свойств. Прежде всего, их особенностью является сочетание высокой твердости и прочности. Твердость НV может достигать значений более 1 000, а прочность - 4 000 МПа и выше. Например, сплав Fe 46 Сr 16 Мо 20 С 18 имеет твердость НV 1 150 при прочности 4 000 МПа; сплав Со 34 Cr 28 Мо 20 С 18 - соответственно 1 400 и 4 100 МПа.
Аморфные конструкционные сплавы характеризуются высокой упругой деформацией - около 2 %, низким значением пластичности - δ = 0,03–0,3 %. Однако сплавы нельзя отнести к категории хрупких материалов, так как их можно штамповать, резать и прокатывать. Сплавы хорошо поддаются холодной прокатке с обжатием 30–50 % и волочению с обжатием до 90 %.
Механические свойства некоторых аморфных сплавов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Механические свойства аморфных металлических сплавов
| Сплав | НV | σ в | σ 0,2 | Е, | Е/σ в | δ, % |
| МПа | ||||||
| Fe 80 B 20 | 1 100 | 3 130 | – | 169 | 54 | – |
| Fe 78 Mo2B 20 | 1 015 | 2 600 | – | 144 | 55 | – |
| Fe 40 Ni 40 P 14 B 6 | 640 | 1 710 | – | 144 | 84 | – |
| Fe 80 P 13 C 7 | 760 | 3 040 | 2 300 | 121 | 40 | 0,03 |
| Fe 78 Si 10 B 12 | 890 | 3 300 | 2 180 | 85 | 26 | 0,3 |
| Ni 75 Si 8 B 17 | 860 | 2 650 | 2 160 | 103 | 39 | 0,14 |
| Ni 49 Fe 29 P 14 B 6 Al 2 | – | 1 960 | – | 103 | 53 | 0,02 |
| Pd 80 Si 20 | 325 | 1 330 | 850 | 67 | 50 | 0,11 |
| Cu 60 Zr 40 | 540 | 1 960 | 1 350 | 76 | 38 | 0,2 |
| Ti 50 Be 40 Zr 10 | 730 | 1 860 | – | 106 | 57 | – |
| Pd 77,5 Cu 6 Si 16,5 | 129 | 1 810 | 1 000 | 82 | 45 | 0,3 |
| La 80 Al 20 * | – | 430 | – | 24 | 56 | 0,1–0,2 |
| Co 75 Si 15 B 10 | 910 | 2 940 | – | 104 | 36 | – |
* При - 269 °C.
Наряду с высокими механическими свойствами аморфные конструкционные сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью. Возможность использования аморфных конструкционных сплавов ограничивается относительно низкой температурой (Т крист) их перехода при нагреве в кристаллическое состояние, наличием отпускной хрупкости, возникающей при кратковременном нагреве до температур существенно ниже Т крист, а также тем, что сортамент выпускаемых материалов ограничен. Изготавливаются только тонкие ленты, фольга и нити. Получить массивные заготовки и изделия можно методами порошковой металлургии. Однако обычная технология - спекание порошковых заготовок - неприемлема из-за низкой термической стабильности аморфных материалов. В экспериментальном порядке образцы из аморфных порошков изготавливают взрывным прессованием.
Срок службы аморфного сплава зависит от температуры эксплуатации. Термическая стойкость аморфных сплавов невысока. Однако имеются материалы с Т крист более 725 °С. К ним, в частности, относится сплав Тi 40 Ni 40 Si 20 с высокими механическими свойствами: HV 1070, σ в = 3 450 МПа и удельной прочностью σ в /(ρg) = 58 км (ρ - плотность; g - ускорение свободного падения).
Высокопрочные нити из АМС могут использоваться в композиционных материалах, а ленты - в виде намотки для упрочнения сосудов высокого давления.
Аморфные металлические сплавы - перспективный материал для изготовления упругих элементов. Заслуживает внимания сплав Ti 40 Be 40 Zr 10 , имеющий высокие релаксационную стойкость и запас ьупругой энергии. По эффективной силе пружины из этого сплава на порядок превосходят пружины из обычных поликристаллических металлов.
Отсутствие границ зерен, высокая твердость, износостойкость, коррозионная стойкость аморфных сплавов позволяют изготавливать из них высококачественные тонколезвийные инструменты, например бритвенные лезвия.
Аморфизация поверхностных слоев изделий лазерной обработкой (с целью повышения их твердости) может составить конкуренцию традиционным методам поверхностного упрочнения. Данным методом, в частности, на порядок (HV 1 050) повышена поверхностная твердость монокристаллического сплава Ni 60 Nb 40 и достигнута твердость HV 1 200 на поверхности изделий из чугуна состава: 3,20 % С; 2,60 % Si; 0,64 % Мn, 0,06 % Р.
Магнитомягкие и магнитотвердые аморфные сплавы . Аморфные магнитомягкие сплавы применяют в изделиях электронной техники. По химическому составу сплавы подразделяются на три системы: на основе железа, железа и никеля, железа и кобальта. Разработано большое количество составов аморфных металлических материалов, однако опытными и опытно-промышленными партиями выпускаются сплавы ограниченной номенклатуры.
АМС на основе железа отличает высокая индукция насыщения (1,5–1,8 Тл). В этом отношении они уступают только электротехническим сталям и железокобальтовым сплавам. Использование АМС в силовых трансформаторах является перспективным. Однако для этого требуется изменение технологии изготовления трансформаторов (намотка ленты на катушки трансформаторов, отжиг в магнитном поле и в инертной среде, особые условия герметизации и пропитки сердечников). К этой группе АМС относятся сплавы: Metglas 2605 (Fе 80 В 20), Amomet (Fe 78 Si 10 B 12), Amomet (Fe 82 Si 8 B 10), Amomet (Fe 81 B 13 Si 4 C 2), Metglas 26055C (Fe 81 B 13 Si 13,5 C 1,5), 9ЖСР-A и др.
Железоникелевые АМС имеют высокую магнитную проницаемость; по индукции насыщения сравнимы с металлическими магнитными сплавами и ферритами, обладают малой коэрцитивной силой и высокой прямоугольностью петли гистерезиса. АМС используются для изготовления трансформаторов и электромагнитных устройств, работающих на повышенных частотах, что позволяет уменьшить габариты изделий. К этой группе АМС относятся сплавы: Metglas 2826 (Fe 40 Ni 40 P 14 B 6), Metglas 2826 MB (Fe 40 Ni 38 Mo 4 B 19), Amomet (Fe 32 Ni 16 Si 18 B 14), Н25-А, 10НСР и др.
Высокопроницаемые железокобальтовые аморфные металлические сплавы могут заменить в радиоэлектронной аппаратуре пермаллои с высокой индукцией, превосходя последние по некоторым свойствам и по технологичности. Ленты из аморфных кобальтовых сплавов применяются в сердечниках малогабаритных высокочастотных трансформаторов различного назначения, в частности, для источников вторичного питания и магнитных усилителей. Их используют в детекторах утечки тока, системах телекоммуникаций и в качестве датчиков (в том числе типа феррозондовых), для магнитных экранов и температурно-чувствительных датчиков, а также высокочувствительных модуляционных магнитных преобразователей.
Сплавы используются для магнитных головок, применяемых для записи и воспроизведения информации. Благодаря повышенному сопротивлению истиранию, высоким магнитным свойствам в полях низкой напряженности сплавы на основе кобальта по ряду параметров превосходят магнитомягкие материалы, которые традиционно использовались для этих целей. К этой группе АМС относятся сплавы: Amomet (Fe 5 Co 70 Si 10 B 15), Amomet (Fe 5 Co 60 Cr 9 Si 5 B 15), К83-А, К25-А, 24КСР, 71КНСР, 45НПР-А и др.
Методом катодного распыления получены аморфные пленки из магнитотвердого сплава SmСо 5 с магнитной энергией 120 кТл·А/м, которые могут применяться для изготовления малогабаритных постоянных магнитов различного назначения.
Инварные аморфные сплавы. Некоторые АМС на основе железа (93ЖХР-А, 96ЖР-А) в определенных температурных интервалах имеют низкий коэффициент линейного расширения α < 10 -6 (°С) -1 . При комнатной температуре их свойства близки к свойствам поликристаллического сплава 36Н. Они сохраняют низкое значение α вплоть до температуры 250–300 °С, в то время как сплав 36Н - до 100 °С.
Резистивные аморфные сплавы имеют высокое электрическое сопротивление. Из них изготавливают микропровод в изоляции из стекла. АМС (системы Ni–Si–В) выгодно отличаются по свойствам от кристаллических сплавов. Они имеют на порядок ниже термический коэффициент электросопротивления и в 1,5 раза большее удельное электрическое сопротивление. Сплавы парамагнитные, коррозионно-стойкие, обладают линейной температурной зависимостью ЭДС и относительно высокой температурой кристаллизации. Отсутствие магнитокристаллической анизотропии в сочетании с довольно высоким электросопротивлением снижает потери на вихревые токи, особенно на высоких частотах. Потери в сердечниках из разработанного в Японии аморфного сплава Fe 81 B 13 Si 4 C 2 составляют 0,06 Вт/кг, т. е. примерно в двадцать раз ниже, чем потери в текстурованных листах трансформаторной стали. Экономия за счет снижения гистерезисных потерь энергии при использовании сплава Fe 83 B 15 Si 2 вместо трансформаторных сталей составляет только в США 300 млн долларов в год. Их можно использовать не только для изготовления прецизионных резисторов, но и для тензодатчиков при измерении деформаций и микросмещений и т. д. К сплавам этой группы относятся: Ni 68 Si l5 B l7 , Ni 68 Si 10 B 22 , Ni 67 Si 4 B 29 , Ni 67 Si 7 B 26 , Ni 68 Si l2 B 20 , Cu 77 Ag 8 P 15 , Cu 79 Ag 6 P 15 , Cu 50 Ag 6 P 14 и др.
Перспективные области применения АМС. Сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и износостойкости, а также магнитомягких свойств указывает на возможность различных областей применения. Например, возможно использование таких стекол в качестве индукторов в устройствах магнитной сепарации. Изделия, сплетенные из ленты, использовали в качестве магнитных экранов. Преимущество этих материалов в том, что их можно разрезать и изгибать для получения необходимой формы, не снижая при этом их магнитных характеристик.
Известно применение аморфных сплавов в качестве катализаторов химических реакций. Например, аморфный сплав Pd–Rb оказался катализатором для реакции разложения NaCl (водн.) на NaOH и Сl 2 , а сплавы на основе железа обеспечивают больший выход (около 80 %) по сравнению с порошком железа (около 15 %) в реакции синтеза 4Н 2 + 2СО = С 2 Н 4 + 2Н 2 O.
Поскольку стекла представляют собой сильно переохлажденную жидкость, их кристаллизация при нагреве обычно происходит с сильным зародышеобразованием, что позволяет получать однородный, чрезвычайно мелкозернистый металл. Такая кристаллическая фаза не может быть получена обычными методами обработки. Это открывает возможность получения специальных припоев в виде тонкой ленты. Такая лента легко изгибается, ее можно резать и подвергать штамповке для получения оптимальной конфигурации. Весьма важным для пайки является то, что лента гомогенна по составу и обеспечивает надежный контакт во всех точках изделий, подвергаемых пайке. Припои имеют высокую коррозионную стойкость. Они используются в авиационной и космической технике.
В перспективе возможно получение сверхпроводящих кабелей путем кристаллизации исходной аморфной фазы.
Аморфные сплавы на основе железа и никеля, содержащие хром, обладают необычайно высоким сопротивлением коррозии в самых различных коррозионно-агрессивных средах.
На рисунке 5 представлены скорости коррозии кристаллических образцов хромистых сталей и аморфных сплавов Fe 80-x Cr x P 13 C 7 , определенные по потере массы образцов, выдержанных в концентрированном растворе NaCl. Коррозионная стойкость сплавов с содержанием хрома выше 8 % (ат.) на несколько порядков превышает стойкость классических нержавеющих сталей.
Рисунок 5. Влияние содержания хрома на скорость коррозии аморфного сплава Fe 80-x Cr x P 13 C 7 (1) и кристаллического Fe–Сr (2) и NaCl при 30 °С
Аморфный сплав, не содержащий хрома, подвергается коррозии быстрее, чем кристаллическое железо, однако (по мере увеличения содержания хрома) скорость коррозии аморфного сплава резко снижается и при содержании 8 % (ат.) Сr и более не фиксируется микровесами после выдержки в течение 168 ч.
Аморфные сплавы практически не подвержены питтинговой коррозии даже в случае анодной поляризации в соляной кислоте.
Высокая стойкость против коррозии обусловлена образованием на поверхности пассивирующих пленок, обладающих высокими защитными свойствами, высокой степенью однородности и быстротой образования. Помимо хрома повышению коррозионной стойкости способствует введение фосфора. В пленке высокохромистых кристаллических сталей всегда присутствуют микропоры, которые со временем преобразуются в очаги коррозии. На аморфных сплавах, содержащих определенное количество хрома и фосфора, пассивирующая пленка высокой степени однородности может образоваться даже в 1 н. раствора НСl. Образование однородной пассивирующей пленки обеспечивается химической и структурной однородностью аморфной фазы, лишенной кристаллических дефектов (выделения избыточной фазы, сегрегационные образования и границы зерен).
Сплав Fe 45 Cr 25 Mo 10 P 13 C 7 , пассивируясь даже в таком концентрированном растворе, как 12 н. раствора НСl при 60 °С, почти не корродирует. По своей коррозионной стойкости этот сплав превосходит металлический тантал.
Аморфные металлы часто называют материалами будущего, что обусловлено уникальностью их свойств, не встречающихся у обычных кристаллических металлов (таблица 2).
Таблица 2 – Свойства и основные области применения аморфных металлических материалов
| Свойство | Применение | Состав сплава |
| Высокая прочность, высокая вязкость | Проволока, армирующие материалы, пружины, режущий инструмент | Fe75Si10B15 |
| Высокая коррозионная стойкость | Электродные материалы, фильтры для работы в растворах кислот, морской воде, сточных водах | Fe45Cr25Mo10P13C7 |
| Высокая магнитная индукция насыщения, низкие потери | Сердечники трансформаторов, преобразователи, дроссели | Fe81B13Si4C2 |
| Высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила | Магнитные головки и экраны, магнитометры, сигнальные устройства | Fe5Co70Si10B15 |
| Постоянство модулей упругости и температурного коэффициента линейного расширения | Инварные и элитарные материалы | Fe83B17 |
Широкому распространению аморфных металлов препятствует высокая себестоимость, сравнительно низкая термическая устойчивость, а также малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул. Кроме того, применение аморфных сплавов в конструкциях ограничено из-за их низкой свариваемости.
По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различие в их свойствах. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема: пемза, трепел, диатомиты в сравнение с кристаллическим кварцем).
Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании (при постоянном давлении) имеют определенную температуру плавления. А аморфрные- размягчаются и постепенно перходят в жидкое состояние. Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например, при получении стеклокристаллического материала- ситалла.
Неодинаковые свойства могут наблюдаться у кристаллических материалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификации(явление полиморфизма). Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Изменением свойств материала путем изменения кристаллической решетки пользуются при термической обработке металлов(закалке или отпуске).
-Влияние состава и строения материалов на их свойства. Типы структур строительных материалов.
Свойства стройматериалов в большей мере связаны с особенностями их строения и со свойствами тех веществ, из которых данный материал состоит. В свою очередь, строение материала зависит: для природных материалов - от их происхождения и условий образования, для искусственных- от технологии производства и обработки материала. Поэтому строителю при изучении курса строительных материалов необходимо прежде всего усвоить эту связь. При этом технологию и обработку материалов следует рассматривать с точки зрения влияния их на строение и свойства получаемого материала.
Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составами.
В зависимости от химического состава все стройматериалы делят на: органические (древесные, битум, пластмассы и т. п.), минеральные (бетон, цемент, кирпич, природный камень и т. п.) и металлы (сталь, чугун, алюминий). Каждая из этих групп имеет свои особенности. Так, все органические материалы горючи, а минеральные - огнестойки; металлы хорошо проводят электричество и теплоту. Химический состав позволяет судить и о других технических характеристиках (биостойкости, прочпоста и т. д.). Химический состав некоторых материалов (неорганические вяжущие вещества, каменные материалы) часто выражают количеством содержащихся в них оксидов.
Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые характеризуют минеральный состав материала. Зная минералы и их количество в материале, можно судить о свойствах материала. Например, способность неорганических вяжущих веществ твердеть и сохранять прочность в водной среде, обусловлена присутствием в них минералов силикатов, алюминатов, ферритов кальция, причем при большом их количестве ускоряется процесс твердения и повышается прочность цементного камня.
При характеристике фазового состава материала выделяют: твердые вещества, образующие стенки пор («каркас» материала), и поры, заполненные воздухом и водой. Фазовый состав материала и фазовые переходы воды в его порах оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации.
Не меньшее влияние на свойства материала оказывают его макро- и микроструктура и внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне.
Макроструктура материала - строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Микроструктура материала - строение, видимое под микроскопом. Внутреннее строение вешаете изучают методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т. д.
Во многом свойства материала определяют количество, размер и характер пор. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное и очень легкое.
Форма и размер частиц твердого вещества также влияют на свойства материала. Так, если из расплава обычного стекла вытянуть тонкие волокна, то получится легкая и мягкая стеклянная вата.
В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура твердых строительных материалов может быть зернистой (рыхлозернистой или конгломератной), ячеистой (мелкопористой), волокнистой и слоистой.
Рыхлозернистые материалы состоят из отдельных, не связанных одно с другим зерен (песок, гравий, порошкообразные материалы для мастичной" теплоизоляции и засыпок и др.).
Конгломератное строение, когда зерна прочно соединены между собой, характерно для различных видов бетона, некоторых видов природных и керамических материалов и др.
Ячеистая (мелкопористая) структура характеризуется наличием макро- и микропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам, некоторым керамическим материалам.
Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свойствами вдоль и поперек волокон (слоев). Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами, - анизотропными. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты, а слоистая - рулонным, листовым, плитным материалам со слоистым наполнителем (бумопласт, текстолит и др.).
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 /
Аморфные материалы: их свойства, применение в современной технике, способы получения
Выполнил:
студент 206 группы ХФММ
Дорожкин А.П.
Проверил:
Заведующий кафедрой
физической химии
Томилин О.Б.
Введение
Долгое время казалось, что самое интересное в Физике - это исследования микромира и микрокосмоса. Именно там пытались найти ответы на наиболее важные, фундаментальные вопросы, объясняющие устройство окружающего мира. А сейчас образовался третий фронт исследований - изучение твёрдых тел.
Почему же так важно исследовать твёрдые тела?
Огромную роль, конечно, играет здесь практическая деятельность человека. Твёрдые тела - это металлы и диэлектрики, без которых немыслима электротехника, это - полупроводники, лежащие в основе современной электроники, магниты, сверхпроводники, конструкционные материалы. Словом, можно утверждать, что научно-технический прогресс в значительной мере основан на использовании твёрдых тел.
Но не только практическая сторона дела важна при их изучении. Сама внутренняя логика развития науки - физики твёрдого тела - привела к пониманию важности коллективных свойств больших систем.
Твёрдое тело состоит из миллиарда частиц, которые взаимодействуют между собой. Это обусловливает появление определённого порядка в системе и особых свойств всего количества микрочастиц. Так, коллективные свойства электронов определяют электропроводность твёрдых тел, а способность тела поглощать тепло - теплоёмкость - зависит от характера коллективных колебаний атомов при тепловом движении. Коллективные свойства объясняют все основные закономерности поведения твёрдых тел.
Структура твёрдых тел многообразна. Тем не менее, их можно разделить на два больших класса: кристаллы и аморфные тела.
1. Общая характеристика аморфных тел
Не все твёрдые тела - кристаллы. Существует множество аморфных тел.
У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направленности по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет.
Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO2, может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решётки из правильных шестиугольников. Аморфная структура кварца также имеет вид решётки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти и семиугольники.
В 1959 г. английский физик Д. Бернал провёл интересные опыты: он взял много маленьких пластилиновых шариков одинакового размера, обвалял их в меловой пудре и спрессовал в большой ком. В результате шарики деформировались в многогранники. Оказалось, что при этом образовывались преимущественно пятиугольные грани, а многогранники в среднем имели 13,3 грани. Так что какой-то порядок в аморфных веществах определённо есть.
К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твёрдыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Понимание структуры твёрдых тел (кристаллических и аморфных) позволяет создавать материалы с заданными свойствами.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Проследим за куском смолы, который лежит на гладкой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура смолы, тем быстрее это происходит.
Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры тел у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.
Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом. Главный признак аморфного (от греческого "аморфос" - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.
Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.
2. Аморфные металлические сплавы
Аморфные металлические сплавы (металлические стёкла) -- это металлические твёрдые вещества, в которых отсутствует дальний порядок в расположении атомов. Это придаёт им целый ряд существенных отличий от обычных кристаллических металлов.
Аморфные сплавы были впервые получены в 1960 г. П. Дувезом, однако их широкие исследования и промышленное использование начались спустя десятилетие -- после того, как в 1968 г. был изобретён метод спиннингования. В настоящее время известно несколько сотен аморфизирующихся систем сплавов, достаточно подробно изучены структура и свойства металлических стёкол, расширяется область их применения в промышленности.
2.1 Методы получения аморфных сплавов
Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла для получения аморфной структуры можно реализовать различными способами. Общим в них является необходимость обеспечения скорости охлаждения не ниже 106 град/с. Известны методы катапультирования капли на холодную пластину, распыление струи газом или жидкостью, центрифугирование капли или струи, расплавление тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрое охлаждение из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.
Наиболее эффективными способами промышленного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатку расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью.
Рис.1. Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава: а) центробежная закалка; б) закалка на диске; в) прокатка расплава; г) центробежная закалка; д) планетарная закалка
На рис.1 приведены принципиальные схемы этих методов. Расплав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит в том, что в методах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны.
Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов. Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более.
Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1-0,2 мм, так и широкие -- до 100 мм, причем точность поддержания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг.Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося холодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, т. е. зависит от диаметра сопла и давления газа на расплав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодильником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.
Для получения тонкой аморфной проволоки используют разные методы вытягивания волокон из расплава.
Рис.2 Методы получения тонкой проволоки, закаленной из расплава: а) протягивание расплава через охлаждающую жидкость (экструзия расплава); б) вытягивание нити из вращающегося барабана; в) вытягивание расплава в стеклянном капилляре; 1 -- расплав; 2 -- охлаждающая жидкость; 3 -- стекло; 4 -- форсунка; 5 -- смотка проволоки
В первом методе (рис.2, а) расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей.
Во втором (рис.2, б) -- струя расплавленного металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидкости. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре (рис.2, в).
Этот метод также называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной трубкой, при этом диаметр волокна составляет 2-5 мкм. Главная трудность здесь состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, естественно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.
2.2 Механические свойства
Первая особенность механических свойств аморфных сплавов, которую следует отметить, -- это их очень высокая прочность. Как известно, теоретическая прочность, то есть напряжение, необходимое для разрыва всех межатомных связей в плоскости разрушения, составляет 1~10E? (E -- модуль Юнга). Прочность реальных металлов на два-три порядка ниже -- лишь прочность нитевидных кристаллов (усов) приближается к теоретической.
Для аморфных сплавов также типичны близкие к теоретической прочности значения в0,040,05Еу?…. Это обусловлено, во-первых, более низкими по сравнению с кристаллами модулями упругости, а во-вторых, спецификой механизмов деформации и разрушения. Коэффициент Пуассона аморфных сплавов обычно близок к 0,4 -- это промежуточное значение между кристаллическими металлами (0,3) и жидкостью (0,5). Довольно неожиданным свойством аморфных сплавов является их способность к пластическому течению. В кристаллах, как известно, пластическое поведение обеспечивается движением дислокаций. Но в теле без трансляционной симметрии дислокации в классическом понимании невозможны, и следовало бы ожидать, что аморфные вещества будут абсолютно хрупкими. Неорганические стёкла ведут себя именно так, однако в аморфных металлах пластическая деформация всё-таки происходит.
Способность к деформации связана, как и для кристаллов, с коллективизированным ненаправленным характером металлической связи. При этом удаётся реализовать ту высокую прочность, которая заложена в аморфных телах при условии подавления хрупкого разрушения при напряжениях меньше предела текучести. Пластическая деформация аморфных сплавов может быть гомогенной, когда деформируется каждый элемент объёма и образец испытывает однородную деформацию, и негомогенной, когда пластическое течение локализуется в тонких полосах сдвига.
Гомогенная деформация происходит при высоких температурах (близких к температуре кристаллизации) и низких напряжениях (0,01Gф<, где G -- модуль сдвига). При этом скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению. Вязкость з по мере развития деформации непрерывно растёт, и с повышением температуры этот рост ускоряется по аррениусовскому закону. Степень пластической деформации при гомогенном течении практически неограничена, и при правильно подобранных условиях можно добиться эффекта сверхпластичности с деформацией в сотни процентов. По-видимому, гомогенная деформация происходит за счёт непрерывной релаксации структуры, хотя она может протекать и после предварительного отжига при более высокой температуре.
В результате после гомогенной деформации сплавы обычно резко охрупчиваются. Негомогенное пластическое течение происходит при низких температурах и высоких напряжениях (кр0,8TT<0,02Gф>). Оно мало чувствительно к скорости нагружения и практически не сопровождается деформационным упрочнением. В отличие от гомогенной деформации, негомогенная вызывает уменьшение степени порядка в аморфной структуре. При негомогенной деформации течение сосредоточено в полосах сдвига, число которых определяет пластичность сплава. Пластичность сильно меняется в зависимости от схемы нагружения. При растяжении она обычно невелика -- разрушение происходит после деформации в 1…2 %, в то время как при прокатке можно достигнуть деформаций в 50…60 %, а при изгибе радиус может быть сопоставим с толщиной ленты (30…40 мкм).
Разрушение аморфных сплавов, как и обычных кристаллических, может быть хрупким и вязким. Хрупкое разрушение происходит сколом без внешних следов макроскопического течения и по плоскостям, перпендикулярным оси растяжения. Вязкое разрушение происходит после или одновременно с пластической деформацией. Оно развивается по плоскостям, где действуют максимальные касательные напряжения. Характерной особенностью вязкого разрушения аморфных сплавов является наличие на поверхности разрушения двух зон: почти гладких участков скола и участков, в которых наблюдается система переплетающихся "вен" -- следов выхода областей сильно локализованного пластического течения толщиной ~0,1 мкм.
2.3 Физические свойства
В первую очередь следует остановиться на магнитных свойствах аморфных сплавов. В аморфном состоянии, несмотря на неупорядоченное расположение атомов, может возникать упорядоченное расположение магнитных моментов. Поэтому многие аморфные сплавы на основе железа, кобальта, никеля, а также некоторых редкоземельных металлов ферромагнитны. Их поведение качественно похоже на поведение кристаллических ферромагнетиков: в них возникают магнитные домены, при перемагничивании имеется петля гистерезиса, существует точка Кюри, выше которой спонтанная намагниченность исчезает, и т.д. В аморфных сплавах отсутствуют такие барьеры для движения доменных стенок при перемагничивании, как дислокации или границы зёрен, однако в роли барьеров могут выступать локальные неоднородности, магнитострикция от внутренних напряжений и т.п. Отжиг ниже температуры кристаллизации, приводящий к релаксации аморфной структуры и уменьшению внутренних напряжений, обычно уменьшает коэрцитивную силу. Однако в некоторых случаях он, наоборот, может привести к расширению петли гистерезиса из-за стабилизации границ доменов.
Электрическое сопротивление аморфных сплавов существенно выше, чем кристаллических, из-за отсутствия дальнего порядка. Кроме того, их электросопротивление слабо меняется с температурой. Существуют и аморфные сверхпроводники.
2.4 Применение аморфных сплавов
1. Порядка 80 % промышленных аморфных сплавов производятся ради их магнитных свойств. Они применяются в качестве магнитомягких материалов, сочетающих изотропность свойств, высокую магнитную проницаемость, высокую индукцию насыщения, малую коэрцитивную силу. Их применяют для изготовления магнитных экранов, магнитных фильтров и сепараторов, датчиков, записывающих головок и т.п. Сердечники трансформаторов, изготовленные из аморфных сплавов, характеризуются весьма малыми потерями на перемагничивание благодаря узкой петле гистерезиса, а также высокому электросопротивлению и малой толщине, что уменьшает потери, связанные с вихревыми токами.
Хотя аморфные материалы химически более активны, чем кристаллические, но при наличии в них хрома и других элементов, способствующих формированию пассивирующей плёнки, они могут обладать исключительно высокой коррозионной стойкостью и использоваться в агрессивных средах; например, сплав Fe45Cr25Mo10P13C7 по стойкости превосходит даже тантал. Аморфные сплавы применяются и как высокопрочные (например, в качестве компонента композиционных материалов и даже корда автомобильных шин). Некоторые аморфные сплавы проявляют инварные и элинварные свойства (то есть имеют близкий к нулю коэффициент термического расширения или слабо зависящие от температуры модули упругости) и могут применяться в прецизионных приборах. Наконец, аморфные сплавы используются для получения нанокристаллических материалов. Применение аморфных сплавов сдерживают как технологические ограничения (малая толщина получаемых полуфабрикатов, полная несвариваемость), так и малая стабильность свойств -- их структура и свойства существенно изменяются не только при нагревах, но и за время работы при комнатной температуре.
В Челябинской области имеется предприятие, производящее аморфные металлические сплавы в промышленных масштабах -- это ОАО "Ашинский металлургический завод". Первые работы по получению аморфных сплавов были начаты на нём в 1984 г., а цех по производству аморфной ленты (ЭСПЦ-1) построен в 1989 г.
Аморфная лента производится на агрегатах "Урал-100" методом литья плоской струи жидкого металла на поверхность вращающегося охлаждаемого барабана диаметром около 1000 мм и шириной 200 мм (см. рис. 1, а). Получаемая лен-та имеет ширину от 3 до 80 мм и толщину 20…30 мкм. Выпускаются магнитомягкие аморфные сплавы на основе железа 2НСР, 9КСР, 30КСР и кобальта 71КНСР, 86КГСР, 82К3ХСР, 84КХСР, а также нанокристаллический сплав типа "файнмет" 5БДСР. (Обозначения элементов в марках сплавов такие же, как у легированных 17 сталей.) Сплавы поставляются потребителям как в виде ленты, смотанной в рулоны, так и в виде готовых изделий -- магнитопроводов. Помимо витых магнитопроводов, из аморфной ленты могут изготавливаться магнитные экраны, сердечники магнитных датчиков и трансформаторов, резистивные элементы и др.
Лента поставляется без термической обработки, однако готовые изделия из большинства сплавов требуют обязательной термомагнитной обработки (реже -- термической обработки без магнитного поля) при 400…460 °C в течение 10…60 мин. Термомагнитная обработка сплава 5БДСР, сопровождающаяся нанокристаллизацией, производится при 520…550 °C. Без термообработки применяется только сплав 71КНСР для магнитных экранов. Для каждой партии ленты контролируется не только химический состав, но и целый набор магнитных характеристик после термической (термомагнитной) обработки.
Аморфные элинвары используют для изготовления сейсмодатчиков, мембран манометров, датчиков скорости, ускорения и крутящего момента; пружин часовых механизмов, весов, индикаторов часового типа и других прецизионных пружинных устройств. В ФРГ разработан сплав марки Vitrovac-0080, содержащий 78 % никеля, бор и кремний. Сплав имеет прочность при растяжении = 2000 МПа, модуль Юнга 1,5*105 МПа, плотность 8 г/см3, электросопротивление 0,9 Ом*мм2/м, предел выносливости при изгибе около 800 МПа на базе 107 циклов. Сплав рекомендуется для изготовления пружин, мембран и контактов.
Аморфные материалы используют для армирования трубок высокого давления, изготовления металлокорда шин и др. В перспективе возможно применение аморфных сплавов для изготовления маховиков. Такие маховики могут использоваться для аккумулирования энергии и покрытия пиковых нагрузок на электростанциях, для улучшения рабочих характеристик автомобилей и т. д.
АМС на основе железа применяются как материалы для сердечников высокочастотных трансформаторов различного назначения, дросселей, магнитных усилителей. Это обусловлено низкими суммарными потерями, которые в лучших АМС данного класса оказываются на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей.
Сплавы Fe - Si - В с высоким магнитным насыщением были предложены для замены обычного кристаллического сплава Fe - Si в сердечниках трансформаторов, а также сплавов Ni - Fe с высокой магнитной проницаемостью. Отсутствие магнитокристаллической анизотропии в сочетании с довольно высоким электросопротивлением снижает потери на вихревые токи, в особенности на высоких частотах. Потери в сердечниках из разработанного в Японии аморфного сплава Fe81B13Si4C2 составляют 0,06 Вт/кг, т. е. примерно в двадцать раз ниже, чем потери в текстурованных листах трансформаторной стали. Экономия за счет снижения гистерезисных потерь энергии при использовании сплава Fe83B15Si2вместо трансформаторных сталей составит только в США 300 млн. долл/год. Эта область применения металлических стекол имеет широкую перспективу.
Помимо чрезвычайно высокой начальной магнитной проницаемости, особенно на высоких частотах (10 кГц), а также нулевой магнитострикции металлические стекла на основе кобальта имеют высокую твердость и хорошие коррозионные характеристики, поэтому они находят применение в качестве материалов для магнитных записывающих головок. Высокие характеристики и широкое применение нашел разработанный в Японии сплав Fe5Co70Si10B15. Методом закалки в валках производят ленту толщиной 50 мкм и шириной 15 мм с прекрасным качеством обеих поверхностей (шероховатость ± 3 мкм). Вследствие высокой плотности магнитного потока и высокой износостойкости записывающие головки, изготовленные из такой ленты, имеют лучшие общие характеристики, чем ферритные головки, а также головки из пермаллоев. Эти материалы находят применение в звуко-, видео-, компьютерном и другом записывающем оборудовании.
Ленты из аморфных кобальтовых сплавов применяют в сердечниках малогабаритных высокочастотных трансформаторов различного назначения, в частности для источников вторичного питания и магнитных усилителей. Их используют в детекторах утечки тока, системах телекоммуникаций и в качестве датчиков (в том числе типа феррозондовых), для магнитных экранов и температурночувствительных датчиков, а также высокочувствительных магнитных преобразователей. Высокая прочность в сочетании с коррозионной стойкостью позволяют использовать аморфные сплавы для изготовления кабелей, работающих в контакте с морской водой, а также изделий, условия эксплуатации которых связаны с воздействием агрессивных сред.
Сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и износостойкости, а также магнитомягких свойств обуславливает возможность и других областей применения. Например, возможно использование таких стекол в качестве индукторов в устройствах магнитной сепарации. Изделия, сплетенные из ленты, использовали в качестве магнитных экранов. Преимущество этих материалов в том, что их можно разрезать и изгибать для получения необходимой формы, не снижая при этом их магнитных характеристик.
Поскольку стекла представляют собой сильно переохлажденную жидкость, их кристаллизация при нагреве обычно происходит с сильным зародышеобразованием, что позволяет получать однородный чрезвычайно мелкозернистый металл. Такая кристаллическая фаза не может быть получена обычными методами обработки. Это открывает возможность получения специальных припоев в виде тонкой ленты. Такая лента легко изгибается, ее можно резать и подвергать штамповке для получения оптимальной конфигурации. Весьма важным для пайки является то, что лента гомогенна по составу и обеспечивает надежный контакт во всех точках изделий, подвергаемых пайке. Припои имеют высокую коррозионную стойкость. Они используются в авиационной и космической технике.
В перспективе возможно получение сверхпроводящих кабелей путем кристаллизации исходной аморфной фазы.
Известно также применение аморфных сплавов в качестве катализаторов химических реакций. Например, аморфный сплав Pd - Rh оказался катализатором для реакции разложения NaCl на NaOH и С12, а сплавы на основе железа обеспечивают больший выход (около 80 %) по сравнению с порошком железа (около 15 %) в реакции синтеза
4Н2 + 2СО = С2Н4 + 2Н2О - (12.1)
Аморфные металлы часто называют материалами будущего, что обусловлено уникальностью их свойств, не встречающихся у обычных кристаллических металлов. Сведения об основных областях применения аморфных металлических материалов содержатся в таблице 12.4.
Широкому распространению аморфных металлов препятствуют высокая себестоимость, сравнительно низкая термическая устойчивость, а также малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул. Кроме того, применение аморфных сплавов в конструкциях ограничено из-за их низкой свариваемости.
3. Аморфные и стеклообразные полупроводниковые материалы
Аморфные и стеклообразные вещества, проявляющие полупроводниковые свойства. Характеризуются наличием ближнего порядка и отсутствием дальнего порядка. Для стеклообразного полупроводникового материала, который можно рассматривать как особый вид аморфного вещества, характерным является наличие пространственной решетки, в которой кроме ковалентно связанных атомов имеются полярные группировки ионов. В таких материалах связь между группами атомов и ионов осуществляется за счет короткодействующих ковалентных ван-дер-ваальсовых сил. Неорганические стеклообразные полупроводники обладают электронной проводимостью.
В отличие от кристаллических полупроводников у стеклообразных полупроводников отсутствует примесная проводимость. Примеси в стеклообразных полупроводниках влияют на отклонение от стехиометрии, и тем самым изменяют их электрофизические свойства. Эти полупроводники окрашены и непрозрачны в толстых слоях. Стеклообразные полупроводниковые материалы характеризуются разориентированностью структуры и ненасыщенными химическими связями.
Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на оксидные, халькогенидные, органические, тетраэдрические.
Оксидные кислородсодержащие стекла получают сплавлением оксидов металлов с переменной валентностью, например, V2O5-P2O5-ZnO. Оксиды металлов, образующие эти стекла, имеют одновременно не менее двух разновалентных состояний одного и того же элемента, что и обусловливает их электронную проводимость. Бескислородные халькогенидные стекла получают путем сплавления халькогенов (S, Se, Te) с элементами III, IV, V групп периодической системы. Халькогенидные стеклообразные полупроводники получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. Типичные представители --сульфид и селенид мышьяка. К ним относятся также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы халькогенидов (сульфидов, селенидов и теллуридов) различных металлов (например, Ge-S, Ge- Se, As- S, As- Se, Ge- S P, Ge-As- Se, As-S-Se, As-Ge-Se-Те, As-Sb-S-Se, Ge-S-Se, Ge-Pb-S). Халькогенидные стекла обладают высокой прозрачностью в ИК-области спектра от 1 до 18 мкм. Аморфные пленки сложных халькогенидных соединений обладают большими возможностями вариации их физико-химических свойств.
Аморфные пленки Si, Ge, GaAs и других полупроводниковых веществ по своим свойствам не представляют практического интереса. Отсутствие в этих полупроводниках дальнего порядка и наличие большого количества дефектов типа микропор приводит к наличию у многих атомов ненасыщенных болтающихся связей. Следствием этого является высокая плотность локализованных состояний (1020см-3) в запрещенной зоне. В связи со спецификой процесса электропроводности в аморфных полупроводниках управлять электрическими свойствами таких материалов практически невозможно.
Введение водорода в аморфные пленки кремния существенным способом изменяет его электрофизические свойства. Растворяясь в аморфном кремнии, водород замыкает на себе болтающиеся связи (насыщает их), в результат в таком "гидрированном" материале, названном Si:H, резко снижается плотность состояний в запрещенной зоне (до 1016-1017см-3). Такой материал можно легировать традиционными донорными (P, As) и акцепторными (В) примесями, придавая ему электронный или дырочный тип проводимости, создавать в нем p-n-переходы. На основе кремния синтезирован ряд гидрированных аморфных полупроводников, обладающих интересными электрическими и оптическими свойствами Si1-xCx:H, Si1-xGex:H, Si1-xNx:H, Si1-xSnx:H.
Практическое применение аморфных и стеклообразных полупроводников разнообразно. Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому, например, при изготовлении на его основе солнечных элементов. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки -Si:Н толщиной 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе -Si:Н производят при более низких температурах (300 °С).
Гидрированный кремний является прекрасным материалом для создания светочувствительных элементов в ксерографии, датчиков первичного изображения (сенсоров), мишеней видеконов для передающих телевизионных трубок. Оптические датчики из гидрированного аморфного кремния используются для записи в памяти видеоинформации, для целей дефектоскопии в текстильной и металлургической промышленности, в устройствах автоматической экспозиции и регулирования яркости.
Стеклообразные полупроводники являются фотопроводящими полуизоляторами и используются в электрофотографии, системах записи информации и ряде других областей. Благодаря прозрачности в длинноволновой области спектра халькогенидные стеклообразные полупроводники применяются в оптическом приборостроении и т. д.
4. Общие методы получение аморфных материалов
Общие методы получение аморфных материалов можно изобразить в виде рисунка.
аморфный металлический кристаллический физический
Заключение
Двойственная натура аморфных материалов высоко ценится с промышленной точки зрения. Экспериментальная и теоретическая работа над аморфными телами позволила лучше понять парадоксальную природу твёрдой структуры этих материалов. Так же почему возник интерес к аморфным металлическим сплавам? Прежде всего потому, что металлические сплавы с ближним порядком расположения атомов и по сей день являются очень интересными объектами физики конденсированных сред.
В последние годы получены важные результаты при изучении механических, электрических и магнитных свойств аморфных металлических материалов. Однако полное завершение исследований по аморфным структурам еще впереди. Требует своего однозначного решения вопрос о структуре ближнего порядка в соответствии с реальной действительностью. А ведь на очереди аморфные структуры, в которых отсутствует даже ближний порядок. Так что изучение полезных свойств аморфных материалов продолжается по сей день.
Список использованной литературы
1. А.Вест Химия твердого тела, ч.2, М.: Мир, 1988
2. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986. 176 с.
3. Б.В.Некрасов, Основы общей химии, М.:Химия, 1973.
4. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела / А. Фельц. - М.: Мир, 1986. - 556 с.
5. Хенней Н. Химия твердого тела / Н. Хенней. - М.: Мир, 1971. -223 с.
6. Аморфные металлические сплавы / В.В. Немошкаленко и др. / отв. ред. В.В. Немошкаленко. -- Киев: Наукова думка, 1987. -- 248 с.
7. Судзуки, К. Аморфные металлы / К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото; под ред. Ц. Масумото. -- М.: Металлургия, 1987. -- 328 с.
8. Рябов, А.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах: учеб-ное пособие / А.В. Рябов, И.В. Чуманов, М.В. Шишимиров. -- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. -- 188 с.
9. Сайт ОАО "Ашинский металлургический завод": http://www.amet.ru.
10. Сайт "Википедия" : http://ru.wikipedia.org
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Полимеры как органические и неорганические, аморфные и кристаллические вещества. Особенности структуры их молекулы. История термина "полимерия" и его значения. Классификация полимерных соединений, примеры их видов. Применение в быту и промышленности.
презентация , добавлен 10.11.2010
Многообразие свойств полиуретанов (ПУ). Варьирование полиольного и изоцианатного компонентов. Сырье для получения полиуретанов: изоцианаты и полиатомные спирты. Способы синтеза ПУ лакокрасочных материалов и полупродуктов. Современные методы модификации.
реферат , добавлен 30.03.2009
Газообразные, конденсированные, жидкие и аморфные фазы веществ. Описание строения кристаллических фаз. Пределы устойчивости кристаллических структур. Дефекты твёрдого тела. Взаимодействие точечных дефектов. Способы получения некристаллических твердых фаз.
контрольная работа , добавлен 20.08.2015
Общая характеристика нанокомпозитных материалов: анализ метафизических свойств, основные сферы применения. Рассмотрение особенностей метаматериалов, способы создания. Знакомство с физическими, электронными и фотофизическими свойствами наночастиц.
реферат , добавлен 27.09.2013
История создания и анализ физико-химических свойств бутилкаучука - важного материала, который используется для изготовления различных резиновых и других материалов в автомобильной, химической промышленности. Технология получения бутилкаучука в суспензии.
реферат , добавлен 21.10.2010
Распространенные способы физического модифицирования полимеров с целью придания им специфических свойств. Термогравиметрический анализ магнитопластов. Сравнительные характеристики материалов на основе каолина. Свойства теплоизоляционных материалов.
статья , добавлен 26.07.2009
Исследование физических и химических свойств металлов, особенностей их взаимодействия с простыми и сложными веществами. Роль металлов в жизни человека и общества. Распространение элементов в природе. Закономерность изменения свойств металлов в группе.
презентация , добавлен 08.02.2013
Исследование физических и механических свойств смесей полимеров. Изучение основных способов формования резиновых смесей. Смешение полимерных материалов в расплаве и в растворе. Оборудование для изготовления смесей полимеров. Оценка качества смешения.
реферат , добавлен 20.12.2015
Структурная особенность полиолефинов. Сравнительная химическая стойкость полиолефинов в различных агрессивных середах. Изучение химических, физических, термических, механических, электрических свойств полиолефинов. Характеристика и структура полибутилена.
курсовая работа , добавлен 14.01.2012
Сущность и общая классификация горюче-смазочных материалов. Характеристика топлива, масел. Оценка свойств и сфера применения пластичных смазок. Оптимальные условия хранения различных видов ГСМ. Разработка и применение новых технологий в их производстве.
