Диссертация (1149735), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В этом методерасплавленный металл подаётся через сопло на охлаждающий вращающийся вал(зачастуюизготавливаемыйизмеди)(Рисунок1.5).Из-завысокойтеплопроводности вала и возможного его дополнительного охлаждения скоростьохлаждения расплава достигает значений 105-106 K/с. Методом спиннингованиявозможно произвести почти любой сплав с аморфной структурой из-за высокойскорости затвердевания расплава. Однако такие высокие скорости охлаждениянакладывают ограничения на размеры получаемых образцов: как правило,получаемые образцы имеют ширину 1-5 мм и толщину 10-50 мкм.Рисунок 1.5. Схема метода спиннингования расплава [19].С появлением ОМС, для которых скорость охлаждения составляет 1-103 K/с,изменились и методики получения металлических стёкол. Наиболее частоупотребляемый метод получения ОМС – литьё расплава в медный тигель.
НаРисунке 1.6 представлена схема метода литья расплава в медный тигель. Расплавподаётся в медный тигель цилиндрической формы с заранее определённымидиаметром и длиной, где и происходит его затвердевание. Сейчас литьё являетсясамым распространённым методом получения ОМС, в зависимости от критическойскорости охлаждения этим методом возможно получения отливок диаметром внесколько сантиметров.24Рисунок 1.6.
Схема получения ОМС методом литья расплава в медный тигель [20].1.1.3. Механизмы деформирования и механические свойстваметаллических стёколМеталлические стёкла могут испытывают неоднородное деформированиепри низких температурах и однородное при повышенных. При низкихтемпературах, менее 0.5 Tg, происходит локализация деформации в тонких полосахсдвига, формирующихся в плоскостях максимальных касательных напряжений.Локализациядеформациисоответствуетнеоднородномудеформированию.Локализация деформации приводит к хрупкому разрушению металлических стёколпри достижении определённого уровня напряжений.
С другой стороны, приповышенных температурах, обычно более 0.5 Tg, металлические стёклаиспытывают вязкое течение, при котором пластическая деформация непрерывнораспределена по всему объёму деформируемого материала. Данный типдеформирования соответствует однородному деформированию.В связи с возрастающим научным и технологическим интересом кметаллическим стёклам и попытками улучшить их механические свойства принизких температурах, исследователи пытаются выявить основополагающиемеханизмы деформирования, ответственные за прочность и пластичностьметаллических стёкол. Хотя природа деформирования металлических стёкол досих пор не ясна, учёные сходятся во мнении, что фундаментальной причиной25деформирования являются локальные перестановки атомов, испытывающиесдвиговые деформации.
Было разработано множество теорий, описывающихнеоднородное деформирование металлических стёкол, но все они основываются надвух моделях, предложенных Spaepen [21] в 1977 и Argon [22] в 1979 году.Согласно модели Argon [22], носителем деформации являются зонысдвиговойтрансформации(ЗСТ)(Рисунок1.7а).Сдвиговая деформацияраспространяется за счёт совместных самопроизвольных перестановок небольшихкластеров (ЗСТ). В представлении Argon ЗСТ – небольшой кластер из атомов (отнескольких до 100 штук), претерпевающих неупругое сдвиговое деформированиеиз одной низкоэнергетичной конфигурации в другую через некий активационныйбарьер. Важно отметить, что ЗСТ не являются дефектом аморфной структуры поаналогии с дислокациями в кристалле [23].
Скорее ЗСТ определяются своейпереходностью. Наблюдатель априори не сможет определить ЗСТ в структуре вконкретный момент времени. И напротив, сравнивая структурные изменения вовремени, возможно наблюдать и определить ЗСТ. Другими словами, ЗСТ неявляются особенностью аморфной структуры, а представляют собой явление,наблюдаемое в локальном объёме. Из этого не следует, что деятельность ЗСТнезависима от структуры, напротив, активность ЗСТ определяется локальнойатомной структурой металлических стёкол, а также определяет эволюциюструктуры металлических стёкол при деформировании.(а)(б)Рисунок 1.7. (а) Двумерная схема ЗСТ [22].
(б) Двумерная схема локальногоатомного прыжка [21].Альтернативной точкой зрения на механизм деформирования являетсяклассическая модель свободного объёма [24], применённая к металлическим26стёклам Spaepen [21]. Согласно этой модели, деформация представляет собойпроцесс серию отдельных локальных атомных прыжков на вакантные места вобластях с повышенным свободным объёмом (Рисунок 1.7б).Несмотря на различия двух моделей, лежащие в их основе атомныеперестановки имеют общие черты: (1) оба механизма имеют диффузионнуюприроду и один порядок энергий активации; (2) в основе механизмов лежитдилатация.Стоитотметитьважнуючертумеханизмовдеформированияметаллических стёкол. В кристаллических материалах реализуется множестворазличных механизмов деформирования с различными характеристическимиэнергиями, размерами и временами (дислокационное переползание, скольжениедислокаций, зернограничное проскальзывание).
При деформировании происходитконкурирование среди всех возможных механизмов, и преобладающий механизмзависит от микроструктуры материала, температуры, скорости деформирования идругих факторов. В металлических же стёклах, по-видимому, реализуется толькоодин механизм деформирования в независимости от структуры материала,температуры и скорости деформирования.Независимоотмеханизмадеформированиямакроскопическоедеформирование металлических стёкол может проходить однородно илинеоднородно в зависимости от температуры, приложенной силы или скоростидеформирования.
Spaepen [21] на основе модели свободного объёма предложилдеформационнуюкарту(Рисунок1.8а),описывающуюдеформациюметаллических стёкол: однородное течение, при котором каждый объём образцавносит вклад в деформацию; неоднородное деформирование, сопровождающеесялокализацией деформации в полосах сдвига. На основании данной карты,однородноедеформированиепроисходитпринизкихнапряженияхприповышенных температурах, при этом прочность сильно зависит от скоростидеформирования.
С другой стороны, неоднородное течение наблюдается в областинизких температур при повышенных напряжениях, скоростная чувствительностьпрочность не наблюдается.27В работе [23] Schuh разработал деформационную карту основываюсь намодели ЗСТ. Для построения деформационной карты были использованы данныемеханических испытаний Zr- ОМС.
На Рисунке 1.8б представлены две взаимнодополняющие друг друга деформационные карты.(б)(а)Рисунок 1.8. (а) Деформационная карта металлических стёкол. По оси X указанатемпература, по оси Y – напряжение. τ – сдвиговое напряжение, μ – модуль сдвига,Tg – температура стеклования, Tx – температура кристаллизации, Tm – плавления[21]. (б) Деформационные карты в осях напряжение – температура и скоростьдеформирования–температура.Толстыелиниразделяютоднородноедеформирование при высоких температурах и низких напряжениях/скоростяхдеформирования от неоднородного деформирования (локализация деформации вполосах сдвига) при низких температурах и высоких напряжениях/скоростяхдеформирования. На нижней карте абсолютные значения напряжения указаны дляZr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 стекла [23].Первая из них построена в координатах напряжение – температура, как идеформационная карта Spaepen.
Вторая – в координатах скорость деформирования– температура, основанная на концепции Megusar [25]. На первой контурнымилиниями представлены различные скорости деформирования, на второй –напряжения. На обоих картах напряжения представлены отнесёнными к модулю28сдвига. Переход от неоднородного к однородному деформированию отмеченотолстой линией. Следует отметить, что эти карты предоставляют зависимостьдеформирования от приложенного напряжения, скорости деформирования итемпературы.
Эволюция аморфной структуры в процессе деформирования ихарактер разрушения не отражены на этих картах.Открытие ОМС значительно облегчило изучение механических свойствметаллических стёкол и их сравнение с традиционными конструкционнымиматериалами. Механические свойства ОМС во многих случаях превосходятсвойства их кристаллических аналогов.
На Рисунке 1.9 [26] представленазависимость предела прочности, σf, от упругого модуля, E, для ряда ОМС икристаллических материалов. Как видно по данным Рисунка 1.9, междузначениями предела прочности и упругого модуля ОМС существует почтилинейная зависимость: σf = 0.02 E. Подобная линейная зависимость наблюдается идля кристаллических материалов, но под меньшим углом по сравнению с ОМС.Величина наклона соответствует величине упругой деформации материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
