НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МЕТАЛЛУРГИИ
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 12.1

Условия образования аморфной структуры

На рисунке 12.1 схематически изображена ТТТ-диаграмма (temperature-time-transformation), которая показывает характер фаз, образующихся в сплаве при различных скоростях охлаждения.

Схема диаграммы процесса образования фаз в переохлажденном расплаве

Рисунок 12.1 – Схема диаграммы процесса образования фаз в переохлажденном расплаве: а – критическая скорость охлаждения с получением аморфного состояния; б – изотермический отжиг аморфного состояния, приводящий к кристаллизации в период времени tх; в – медленный нагрев аморфного состояния, ведущий к кристаллизации при температуре Тх

При переохлаждении жидкой фазы ниже равновесной температуры плавления Тпл скорость кристаллизации достигает максимума при температуре Тп. Если жидкость закалить со скоростью выше критической до температуры стеклования Tд, то система будет «заморожена» и образуется аморфное состояние. Критическая скорость охлаждения для разных аморфных сплавов составляет от 102 до 1010 К/с.

В настоящее время использование специальных методов закалки из жидкого состояния позволяет достигать скорости охлаждения более 105 К/с и получать металл в стеклообразном аморфном состоянии.

Из диаграммы также следует, то если полученный аморфный сплав впоследствии нагреть до температуры Т < Тп и выдерживать изотермически в течение времени tх, он начнет кристаллизоваться. Если же аморфный сплав медленно нагревать от комнатной температуры, то кристаллизация начинается при температуре Тх, которая повышается по мере увеличения скорости нагрева. Условия перехода в кристаллическое состояние меняются в широких пределах для разных аморфных систем.

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.

Многие металлические стекла на основе Fe, Co и Ni переходят в кристаллическое состояние при 700 К (приблизительно 0,5 Тпл) в течение нескольких минут. Длительная эксплуатация этих материалов в течение нескольких лет возможна лишь при температурах, ниже указанной приблизительно на 300 К. Введение в состав сплава для повышения термической стабильности металлических стекол дополнительных элементов – металлов или металлоидов – повышает температуру и энергию активации кристаллизации. Увеличение энергии активации приводит к резкому повышению термической стабильности и периода сохранения аморфной структуры при умеренных температурах.

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 (В, С, Si, P, 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 Ме80Х20, где Me – один или несколько переходных металлов, а X – один или несколько аморфизаторов. Известны аморфные сплавы, состав которых отвечает приведенным формулам: Fe70Cr10P15B5, Fe40Ni40S14B6, Fe80P13B7 и др. Аморфизаторы понижают температуру плавления и обеспечивают достаточно быстрое охлаждение расплава ниже температуры его стеклования так, чтобы в результате образовалась аморфная фаза. На термическую стабильность аморфных сплавов наибольшее влияние оказывают кремний и бор, наибольшей прочностью обладают сплавы с бором и углеродом, а коррозионная стойкость зависит от концентрации хрома и фосфора.

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, благодаря чему в ней нет кристаллической анизотропии, отсутствуют границы блоков, зерен и другие дефекты структуры, типичные для поликристаллических сплавов.

Следствием такой аморфной структуры являются необычные магнитные, механические, электрические свойства и коррозионная стойкость аморфных металлических сплавов. Наряду с высокой магнитной мягкостью, такой, что 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 удельное электросопротивление их в три-четыре раза выше его значения для железа и его сплавов. Некоторые из аморфных сплавов характеризуются высокой коррозионной стойкостью.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 12.1

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ