Диссертация (1149735), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Длябольшинства ОМС упругое удлинение при растяжении составляет 2%, что гораздобольше упругого удлинения кристаллических металлов и сплавов. Большеезначение упругой деформации и меньшая величина разброса точек рядом с линиейσf /E свидетельствует о формировании более однородной, бездефектной структурыОМС в сравнении с кристаллическими аналогами. ОМС имеют гораздо большуюпрочность и меньший модуль Юнга по сравнению с кристаллическими сплавами,разница этих значений составляет порядка 60%. Так, самым прочным на данныймомент сплавом как среди ОМС, так и кристаллических сплавов, является ОМС(Co53.5Fe10Ta5.5B31)98Mo2 с прочностью на сжатие в 5545 Мпа [27].29Рисунок 1.9. Зависимость предела прочности, σf, от упругого модуля, E, для рядаОМС и кристаллических материалов [26].В работе Inoue [27] также было показано, что существует линейнаязависимость как между пределом прочности на сжатие σc,f и Tg, так и между E и Tgдля всех существующих ОМС (Рисунок 1.10).
Так, предел прочности связан стемпературой стеклования следующим соотношением: σc,f = -4900 + 10.5Tg (Tg >500K), E = -210 + 0.5Tg (Tg > 500K). Основываясь на данном соотношении легкоопределять предел прочности и упругий модуль ОМС измеряя температурустеклования.(а)(б)Рисунок 1.10. Зависимость предела прочности (а) и упругого модуля (б) оттемпературы стеклования [27].30НаРисунке1.11[16]представленымеханическиесвойстварядаметаллических сплавов. ОМС ближе всего находятся к значениям теоретическойпрочности (σy = E/20) среди всех металлических материалов, для них σy ≈ E/50.Однако, наряду с высокими значениями прочности, ОМС демонстрируют вбольшинстве случаев низкую пластичность.
Объясняется это тем, что ОМС неиспытывают деформационного упрочнения, а испытывают деформационноеразупрочнение вследствие локализации деформации.Рисунок 1.11. Значения упругого модуля, предела текучести, σy, пределапрочности, величины упругой, ɛy, и пластической, ɛp, деформации при одноосномсжатии для ряда металлических стёкол [16].Несмотря на то, что некоторые ОМС испытывают небольшую пластическуюдеформацию, большинство ОМС сразу разрушаются по достижении пределатекучести.
На Рисунке 1.12 представлены диаграммы деформирования для ОМСZr59Cu20Al10Ni8Ti3 [28]. ОМС деформируются хрупко при растяжении. В то времякак при сжатии может наблюдаться небольшая пластическая деформация. Разницав деформационном поведении объясняется формированием и прохождением полоссдвига. При растяжении формировании первой же полосы сдвига приводит к31прохождению трещины и хрупкому разрушению образца с практически нулевойпластической деформацией до разрушения. При сжатии же разрушение отформирования первой полосы сдвига сдерживается, формируются множественныеполосы сдвига, и образец демонстрирует пластическую деформацию.(а)(б)Рисунок 1.12.
Диаграммы деформирования ОМС Zr59Cu20Al10Ni8Ti3 [28].Pugh [29] показал, что отношение модуля сдвига, μ, к объёмному модулюупругости, B, может говорить о хрупком или пластичном поведении материала.Pughпредложилкачественуюзависимостьповышенияпластичностисуменьшением отношения μ/B. Позднее Cottrell [30] преположил, что существуеткритическое значение, равное 0.3, выше которого материал деформируется хрупко,а ниже – пластично. Lewandowski [31, 32] развил эту концепцию для ОМС,используя значение энергии разрушения, Gc. Им была определена энергияразрушения для ряда материалов и обнаружена зависимость между Gc и μ/B. ОМСна основе Pd, Zr, Cu и Pt с низкими значениями μ/B и значениями энергииразрушения много более 1 кДж/м2 демонстрировали фомирование множественныхполос сдвига, поэтому их поведение могло считаться пластичным.
С другойстороны, ОМС на основе Mg с энергией разрушения в 1 кДж/м2 демонстрировалихрупкое поведение. Критическое значение μ/B, разделяющее хрупкое и пластичноедеформирование, лежит в регионе 0.41-0.43 (Рисунок 1.13а). ОМС со значениямиμ/B более 0.41-0.43 считаются хрупкими. Связь Gc с μ/B можно выразить черезкоэффициент Пуассона, υ.
Большие значения υ соответсвуют большим значениямGc. Значения υ более 0.31-0.32 будут соответствовать пластичному поведениюОМС (Рисунок 1.13б).32(а)(б)Рисунок 1.13. Связь энергии разрушения, Gc, с (а) величиной μ/B и (б)коэффициентом Пуассона для ряда стёкол. Граница между хрупким и пластичнымповедением соответствует значениям 0.41-0.43 (для μ/B) и 0.31-0.32 (для υ).Варьируя химический состав сплава Zr–Cu–Ni–Al Liu [33] получал ОМС снаибольшими для данной системы значениями коэффициента Пуассона.
Длясостава Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10 коэффициент Пуассона составил 0.377, и прикомнатной температре была получена пластическая деформация 160%. Большаяпластическая деформация была обнаружена и для других ОМС, так, Kawashima[34] изучал механические свойства Ni60Pd20P17B3 ОМС в при одноосном сжатии соскоростью деформирования 5х10-4 с-1 температруном интервале 77-295 K. Им былобнаружено, что с понижением температуры прочность ОМС возрастает от 2 до 2.5ГПа (Рисунок 1.14). С ростом прочности также наблюдался и рост пластичностивплоть до 20%. Анализ данных показал, что с пониженем температуры поисходитнезначительное понижение коэффициента Пуассона.Рисунок 1.14.
Кривые сжатия Ni60Pd20P17B3 ОМС при температурах 295, 223, 173,77 K.33При деформировании ОМС в состоянии переохлаждённой жидкости приопределённой скорости возможно достижение сверхпластичности. В работе [35]при температуре 500 K и скорости деформирования 1х10-1 с-1 были полученыгигантские деформации La55Al25Ni20 ОМС (Рисунок 1.15).Рисунок 1.15.
Сверхпластичность La55Al25Ni20 ОМС при температуре 500 K искорости деформирования 1х10-1 с-1.Описаннные механические свойства объясняют научный и практическийинтерес к их исследованию. Комплекс уникальных физико-механических,химических и прочих свойств определяет возможные примения механическихстёкол.1.1.4. Применения металлических стёколВ предыдущих главах были описаны критерии стеклообразования, методыизготовления, механизмы деформирования и механические свойства ОМС.
Из нихследует, что ОМС демонстрируют сочетание удивительных свойств. Они обладаютвысокой прочностью, высокой упругостью, низким модулем Юнга, высокойкоррозийной стойкостью, способностью к хорошей формовке в состояниипереохлажденной жидкости. Указанные сильные стороны ОМС, наряду соднородностьюструктурыикаких-либодефектовопределяютихужесуществующие и возможные практические применения. Области применения ОМС34можно разделить следующим образом: спортивный инвентарь, медицинскиеприменения, микроэлектромеханические системы, военная и космическаяпромышленность.Первое широкое применение металлические стёкла нашли как клюшки длягольфа [36, 37].
Низкий вес, высокая прочность, высокая упругость и высокийкоэффициент сохранения упругой энергии (99% начальной энергии передаётсяобъекту от изделия из ОМС против 60% от изделия из сталей и 70% для титана [38])объясняют успех клюшек для гольфа из ОМС. В дальнейшем сталиизготавливаться теннисные ракетки, бейсбольные биты, лыжи и сноуборды, частивелосипедов, оборудование для рыбалки и акваланги [38].ОМС имеют большой потенциал в сфере медицинских применений отортопедическихисердечно-сосудистыхпротезовдозубныхимплантов.Неразлагающиеся Ti-, Zr- и Fe-ОМС [39, 40], демонстрирующие высокиемеханические и коррозийные характеристики, могут использоваться какхирургическое оборудование: хирургические лезвия, зажимы, малоинвазивныехирургические устройства, так и как биомедицинские импланты: протезы суставов,костные и зубные протезы, работающие долгое время в организме человека.
Сдругой стороны, биоразлагающиеся ОМС: Mg-, Ca-, Zn- и Sr- [41] имеют большойпотенциал для восстановительных операций: сердечно-сосудистые стенты,рассасывающиеся нити, крепёж зубных имплантов, пломбирование костной ткани,которые будут постепенно растворяться в организме человека через какое-то времяпосле завершения поставленной цели (фиксация или поддержка костной ткани)[42].Металлические стёкла являются очень привлекательными для применения вмикроэлектромеханических системах. В микроэлектромеханических системахактуальна их высокая прочность и упругость в то время, как их хрупкость инедостаточная пластичность не важны на малых масштабах.
Возможно созданиедеталей различной геометрии от миллиметровых до нанометровых размеров за счётвысокой термопластичной формуемости ОМС в состоянии переохлаждённой35жидкости [43]. Детали получаются нужной формы и размеров, не требуютудаления неровностей или финишной полировки.
На Рисунке 1.16 [43]представлены примеры получаемых деталей. Точность и повторяемость визготовлении деталей предполагает их возможное использование в часах,микроприводах,микроманипуляторах.МикродеталиизОМСпрочнееидемонстрируют большую износостойкость в сравнении с микродеталями,произведёнными из кремния или кристаллических сплавов [44].(а)(б)(в)(г)Рисунок 1.16. Микродетали и микроинструмент из ОМС, произведённыеформовкой. (а) Миниатюрная шестерёнка из Zr35Ti30Cu8.25Be26.75 ОМС. (б)Спиралевидная деталь толщиной в 20 мкм из Zr35Ti30Cu8.25Be26.75 ОМС.
(в)Микрозахваты и (г) микроскальпили.В дополнение к клюшкам для гольфа и прочему спортивному инвентарюОМС могут быть перспективны и для более серьёзных применений. Министерствообороны США заключило контракт с компанией Liquidmetal Technologies [45] наразработку стреловидного оперённого снаряда из ОМС с целью заменить ужесуществующие стреловидные оперённые снаряды из обеднённого урана из-за ихбиологической токсичности. Использование урана было продиктовано его высокойплотностьюисамозатачиваемостьюснарядаприпораженииобъекта.Исследования показали, что композит из Zr-ОМС и вольфрама также обладает каквысокой прочностью, так и самозатачиваемостью.36В 2001 году NASA был запущен космический аппарат Genesis (Рисунок1.17а), предназначенный для сбора образцов солнечного ветра [46]. После выходааппарата в космос планируется развернуть пять метровых в диаметре дисков длясбора 10-20 микрограмм частиц солнечного ветра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
