Поняття про аморфні металеві сплави і умови їх утворення

Существование металлов в аморфном состоянии было известно еще с середины ХХ века – при вакуумном низкотемпературном напылении различных металлов на подложки получались пленки не имеющие кристаллической структуры.

Аморфные металлические сплавы методами закалки расплава были получены еще в 1960 году в Украине и Великобритании. А на сегодняшний день уже сформировалась новая отрасль металлургии – производство аморфных и микрокристаллических сплавов.

Уникальность структурного состояния этих металлургических материалов и уникальное сочетание их свойств позволило не только найти перспективные практические применения, но и значительно расширить географию их изучения.

На сегодняшний день сформировано однозначное представление о структурном состоянии этих сплавов – полное отсутствие дальнего порядка в расположениии атомов в пространстве. Аморфные сплавы представляют собой структуру переохлажденной жидкости.

Рисунок 1 – расположение атомов в аморфном материале.

При этом не исключено наследование кластерной модели строения жидкого металла.

Основные процессы (способы) получения аморфного (стеклообразного) состояния можна выразить схемой, представленой на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схемы формирования аморфных металлов.

Получение аморфного состояния обусловлено неравновесными процессами (пунктирные линии на схеме), одним из которых является закалка расплава. В общем случае получение аморфного состояния возможно при переходеиз трех исходных состояний: газообразного, жидкого и кристаллического. Механизмы перехода в аморфное состояние во всех случаях разные. Для закалки из жидкого состояния основным условием является (R_c). В любом случае эта критическая скорость охлаждения должна быть выше 10² – 10^{3 0}С/с, но ее величина различна для различных сплавов. Таким образом вторым фактором, влияющим на аморфизацию металла (сплава) является его химический состав. Отсюда следует, что для аморфизации металлов и сплавов необходимо реализовать их сверхбыстрое охлаждение из жидкого состояния.

Для чистых металлов R_c должна быть в диапазоне 10¹⁰ – 10^{12 0}С/с, что практически невозможно реализовать современными способами закалки расплава. Для сплавов благородных металлов (например, на основе Pd) R_c составляет ~10³К/с. В то же время, сплавы на основе переходных металлов (Fe, Ni, Co), имеющих на сегодняшний день наибольшее применение, переходят при закалке расплава в аморфное состояние когда R_c находится в пределах 10⁴ – 10⁶ К/с.

Влияние химического состава на способность сплава переходить в аморфное состояние при закалке расплава состоит, в свою очередь, из нескольких факторов: сплавы с составами, близкими к эвтектическим (например, Au – Si,

Fe – B, Pd – Si и другие); сплавы, у которых отношение T_g/T_m > 0,5 (Mn-P, Fe-P, Ni-P и другие); сплавы со значительным различием атомных радиусов элементов (Fe-Si, Co-Si, Cu-Ge и другие).

Область существования аморфных сплавов изменяется в зависимости от способности сплавов к аморфизации и от скорости охлаждения, реализуемой в соответствующих условиях. Скорость охлаждения зависит также от такого параметра, как толщина аморфного материала, которая получается при использовании соответствующего оборудования и технологических параметров. Поэтому в последнее время предлагается оценивать способность сплава к аморфизации по максимальной толщине аморфного сплава, которая пропорциональна критической скорости охлаждения R_c.

Изменяя критическую толщину аморфного сплава, можно оценить влияние химического состава на способность сплава к аморфизации. Здесь следует отметить влияние металлоидов (B, P, Si, C) на эту способность. Подавляющее большинство аморфных сплавов на основе переходных металлов (Fe, Ni, Co) содержат ~20%(атомных) металлоидов.

Все известные на сегодняшний день аморфные сплавы относят обычно к одному из двух типов: металл-металлоид или металл-металл.

Первый тип сплава аморфизуется при закалке расплава если содержит 15 – 30% металлоидов (Р, В, С, Si, Ge, Al).

Сплавы типа металл-металл, имеющие в качестве компонентов переходные металлы IIIa, IVa, Va, VIIb и Ib групп, аморфизуются в широкой области. Известны также сплавы типа Юм-Розери: Mg-Zn, Ca-Mg, Ca-Zn, а также сплавы, содержащие РЗМ: Gd-Co, Gd-Fe, La-Ga и другие.

Дата добавления: 2014-01-11