Особой группой металлических материалов являются аморфные металлы. Это вещества с характерным строением, которое близко к структуре расплавленного металла или стекла. Заметное упорядочение в аморфных металлах распространяется только на несколько межатомных расстояний, как у обычных стекол. Такую структуру металлы приобретают при охлаждении со скоростью более 1 миллиона градусов Цельсия в секунду.
Аморфные металлы привлекали усиленное внимание ученых со времени их открытия в 1960 году. Первым из полученных аморфных металлов был сплав золото-кремний. Затем удалось получить в аморфном состоянии не только сплавы, но и многие чистые металлы, в том числе железо, алюминий, хром, никель, ванадий, германий и др. Для этого потребовались скорости охлаждения до 10 миллиардов градусов в секунду.
Однако аморфное состояние чистых металлов неустойчиво — при нагревании начинается кристаллизация. Намного устойчивее сплавы металлов, содержащие такие переходные элементы, как никель, палладий, цирконий, лантан, а также некоторые неметаллы — кремний, бор, углерод, фосфор.
Строение и свойства кристаллических и аморфных тел | Физика 10 класс #37 | Инфоурок
Наиболее легко образуются сплавы, соответствующие формуле М80А20, где М — один или несколько переходных металлов, А — один или несколько так называемых аморфизирующих элементов, добавляемых для стабилизации аморфной структуры. Например, известны сплавы Fe80P13B7, Fe40Ni40S14B6 и др.
Для обеспечения сверхвысоких скоростей охлаждения расплава применяют распыление струи металла холодным газом или жидкостью, «выстреливание» капель металла на охлаждаемые поверхности металлических пластин или быстро вращающихся барабанов, облучение обычных сплавов лазером и др.
В настоящее время аморфные металлы получают не только быстрым охлаждением расплавов металлов, но и осаждением их из газовой фазы на холодную поверхность, выделением из растворов и расплавов электрохимическими методами, катодным распылением и многими другими методами.
Благодаря характерной структуре аморфные металлы обладают рядом особых свойств: они становятся в несколько раз прочнее, изменяются модули их упругости, электромагнитные свойства, повышается стойкость к коррозии. В противоположность обычным стеклам они проявляют заметную пластичность.
Эти свойства определяют особое место аморфных металлов среди прочих материалов и привлекают к себе внимание специалистов. Они представляют собой многообещающие материалы для техники будущего.
Из них можно изготавливать новые высокопрочные композиты для применения их в авиации и космонавтике. Аморфные металлические материалы, обладающие высокой коррозионной стойкостью, используют для различных химических и магнитных фильтров, химических сосудов, электродов, в качестве защитных покрытий в установках для добычи и обработки природного газа и нефти.
Значительная доля потерь электроэнергии при ее передаче приходится на трансформаторы. Новые материалы для производства сердечников трансформаторов, созданные на основе аморфных сплавов, позволяют сократить эти потери вдвое. Разработаны аморфные сплавы, обладающие необходимыми магнитными свойствами, но плохо проводящие электрический ток, поэтому в сердечнике трансформатора, изготовленного из такого сплава, не возникают вихревые токи, поглощающие энергию.
Самый простой способ понять ХИМИЮ — Типы Кристаллических Решеток и Свойства Вещества
Интерес, проявляемый специалистами к аморфным металлам, обусловлен еще и тем, что они значительно дешевле традиционных материалов, выполняющих ту же задачу (если такие материалы вообще существуют). Наиболее интенсивно аморфные металлы исследуют в США, Японии, Германии и Великобритании, а в последние 20 лет их начали изучать во всех промышленных странах мира.
В начале 1981 года в США введен в эксплуатацию первый завод по изготовлению лент из аморфных металлов с объемом производства около 2000 тонн в год. Сейчас таких предприятий много. Интерес к аморфным металлам растет. Число публикаций о них перевалило за несколько тысяч в год и продолжает расти. На повестке дня стоит задача разработки дешевых промышленных технологий.
Источник: www.shkolazhizni.ru
IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2017
В последние годы XX столетия особого внимания физиков и материаловедов заслуживают так называемые металлические стекла, представляющие собой аморфные металлические сплавы 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 годов прошлого века впервые были получены металлические сплавы, не имеющие кристаллической структуры [1]. Металлы и сплавы с беспорядочным расположением атомов стали называть аморфными металлическими стеклами.
Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные металлы, метглассы) – это металлические сплавы в стеклообразном состоянии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлического расплава, когда быстрым охлаждением предотвращена кристаллизация (скорость охлаждения менее 10 6 К/с) [2]. С помощью методов рентгеновской, нейтронной, электронной дифракции было показано, что в аморфных металлических стеклах имеется более или менее четко определяемый на расстоянии двух-трех соседних атомов так называемый ближний порядок: в аморфном металлическом сплаве элементарная ячейка, характерная для кристаллического состояния, также сохраняется. Однако при стыковке элементарных ячеек в пространстве порядок их нарушается, и стройность рядов атомов, характерная для дальнего порядка, отсутствует [2].
Особенности структуры аморфных металлических стекол сказались и на многих физических свойствах. Металлические стекла обладают уникальным сочетанием высоких механических, магнитных, электрических и антикоррозионных свойств. Так, несмотря на то, что плотность аморфных сплавов на 1-2% ниже плотности кристаллических аналогов, прочность их выше в 5-10 раз [3]. Металлические стекла отличаются от кристаллических сплавов отсутствием таких дефектов структуры, как вакансии, дислокации, границы зерен, и уникальной химической однородностью: отсутствует ликвация, весь сплав однофазен. Особенности строения металлических стекол обуславливают отсутствие характерной для кристаллов анизотропии свойств, высокую прочность и магнитную проницаемость, малые потери на перемагничивание.
Ещё в начале 60-х годов было показано, что можно получить аморфную структуру сплава, охлаждая жидкий расплав на холодной металлической подложке [1]. Для получения металлических стекол используются два метода. В первом методе жидкий металл наносят на внешнюю цилиндрическую поверхность вращающегося диска (колеса), во втором – расплав извлекается вращающимся диском.
Данным методом перевести в твердое аморфное состояния чистые металлические элементы трудно. Например, чистый никель удалось зафиксировать в стеклообразном состоянии только при экстремально больших скоростях охлаждения (около 10 10 К/с). Однако сплавление элементов друг с другом, особенно с металлоидами, значительно облегчает процесс стеклообразования.
Характерным в этом отношении является сплав Pd — Si. Чистый палладий не удается перевести в аморфное состояние даже при очень больших скоростях охлаждения. Но сплав палладия с 20% кремния аморфизируется уже при скоростях охлаждения примерно 10 2 К/с. Другой способ получения металлических стекол — высокоскоростное ионно-плазменное распыление металлов и сплавов. Аморфные металлические сплавы получают в виде напыленного слоя толщиной от 1 до 1000 мкм [3].
Благодаря особенностям своего строения, аморфные металлы и сплавы имеют ряд отличительных свойств. Аморфные сплавы обладают уникальными механическими свойствами: они имеют высокую прочность и твёрдость в сочетании с высокой пластичностью при сжатии или изгибе, также имеют высокий предел прочности на растяжение, высокую усталостную прочность, высокую энергию ударного разрушения и упругости.
Так, например, по своей прочности и пластичности проволока их аморфного сплава Fe75Si10B15 превосходит даже стальную рояльную проволоку. Поэтому аморфные сплавы могут найти самое широкое применение как конструкционные или специальные материалы: конструкционные материалы машинного оборудования, материалы матриц (фильер), инструментальные материалы, композитные материалы и др.
Но наиболее широкое применение металлические стекла нашли благодаря их магнитным и электрическим свойствам [2]. Важной характеристикой аморфных металлов является мягкий ферромагнетизм металлических стёкол на основе Fe–Ni–Co. Отсутствие анизотропии, присущее аморфной структуре, приводит к очень высокой магнитной проницаемости и низким энергетическим потерям.
Таким образом, эти материалы могут найти применение в областях, где требуются мягкие магниты (например, сердечники трансформаторов, магнитные головки и экраны, магнетометры, сигнальные устройства) [2]. Беспорядок расположения атомов в виде ближнего порядка оказывает сильное влияние и на электропроводность металлических стекол. Их удельное электрическое сопротивление в 3-5 раз выше, чем у кристаллических аналогов. Это связано с тем, что при движении электронов через нерегулярную структуру аморфных металлических стекол они испытывают гораздо больше столкновений с ионами, чем в кристаллической решетке [3].
Сплавы типа металл – металл и, особенно, металл – металлоид в аморфном состоянии имеют более высокую коррозионную стойкость, чем в кристаллическом состоянии, т.к. химическая однородность, отсутствие межзёренных границ и линейных дефектов типа дислокаций увеличивает коррозионную стойкость за счет устранения локальной разности электрохимического потенциала [4]. Например, аморфный сплав Fe45Cr25Мо10P13C7 используется в качестве электродных материалов и фильтров для работы в растворах кислот.
Возможно также использование металлических стекол в качестве катализаторов органического синтеза, материалов для топливных элементов, а также в качестве медицинских имплантатов.
Аморфные металлы часто называют материалами будущего, «фантастическими материалами», что связано с уникальностью методов их получения и особыми свойствами, не встречающимися у кристаллических металлов. Однако аморфные материалы не лишены недостатков: это невысокая их термическая устойчивость и недостаточная стабильность во времени. Также недостатком являются малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул и невозможность их сварки. Поэтому аморфные металлы не пригодны в качестве высокотемпературных материалов, а их применение, вероятно, будет ограничено только малогабаритными изделиями.
Однако полное завершение исследований по аморфным структурам еще впереди. Следует сказать, что ученых и инженеров ждет интересная и захватывающая работа в области аморфных металлических материалов, т.к. на очереди получение аморфных структур, в которых отсутствует даже ближний порядок [4].
- Вьюгов П.Н., Дмитренко А.Е. Металлические стекла. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники, 2004, №4, с. 185-191.
- Ржевская С. В. Материаловедение: Учеб. для вузов. – М.: Логос, 2004. – 424 с.
- Золотухин И.В. Аморфные металлические материалы. – Соросовский образовательный журнал, №4, 1997, с. 73-78.
- Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. / Под ред. Масумото Ц. Пер. с япон. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.
Источник: scienceforum.ru
Аморфные металлы
Аморфные металлы (металлические стёкла) — класс металлических твёрдых тел с аморфной структурой, характеризующейся отсутствием дальнего порядка и наличием ближнего порядка в расположении атомов. В отличие от металлов с кристаллической структурой, аморфные металлы характеризуются фазовой однородностью, их атомная структура аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов.
- 1 История
- 2 Классификация
- 3 Свойства
- 3.1 Механические свойства
- 3.2 Электрические свойства
- 4.1 Закалка из жидкого состояния
Источник: wiki2.org