Аморфные материалы (835546), страница 52
Текст из файла (страница 52)
8.2 показана связь междурастягивающей нагрузкой и удлинениемюпри деформации образцов аморфногосплава Pd8oSi2 o при комнатных температурах. Для абсолютно упругих тел удлинение линейно зависит от напряжения. ^В случае же аморфных сплавов эта за- ^висимость при больших нагрузках от0клоняется от линейного закона. При $снятии нагрузки форма образца не восстанавливается и при этом возникает такназываемая петля механического гистерезиса. Энергия, соответствующая плодщади этой петли, необратимо расходу-.ется на смещение атомов, находящихся Рнс. 8.2. Диаграммы расв неустойчивых положениях.
Величина тяжения в координатахтаких смещений в аморфных металлах, «нагрузка — удлинение» и^тнеупругостьаморфногокак правило, примерно на порядок боль- сп' а£; Pd8oSi20 пр7 к0м.ше, чем в кристаллических металлах, анатных температурахполная деформация при этом составляет1—2%. Неупругость аморфных металлов связана со свободнымобъемом в их структуре: если свободный объем мал, то мала инеупругая деформация. Следовательно, неупругость связана такжеи с плотностью сплава: неупругая деформация аморфных сплавовснижается после отжига, вызывающего структурную релаксациюи кристаллизацию, и, наоборот, возрастает после облучения.2258.2.
ТВЕРДОСТЬ И ПРОЧНОСТЬВажными особенностями аморфных металлов являются их высокие твердость и прочность. В табл. 8.2 приведены типичные значения этих величин для различных аморфных сплавов. Как твердость, так и прочность сильно изменяются в зависимости от химического состава сплава.
Например, в сплавах на основе элементовподгруппы железа (Fe, Со, Ni) твердость HV может достигать значений > 1 0 0 0 , а прочность — выше 4,0 ГН/м2. Эти значения больше,чем максимальные значения прочности и твердости используемыхв настоящее время металлических материалов. Так, прочность проволоки из некоторых аморфных сплавов на железной основе примерно на 1,0 ГН/м2 выше прочности так называемой рояльной проволоки, что видно по диаграммам деформации, представленным нарис. 8.3. Значения о /£ для аморфных сплавов равны 0,02—0,03, чтосоставляет почти половину от значения 1ст/£ = 0,05, отвечающего теоретической прочности. Это существенно выше, чем для наиболеепрочных из используемых ныне металлических материалов, длякоторых ш/£ составляет всеголишь 10~5— 10~2.
Например,прочность рояльной проволоки, как наиболее прочного из известных в настоящее время стальных изделий, приближается к 3,0 ГН/м2.Поскольку ее модуль Юнга равен 210 ГН/м2, то получается, чтоо /£ составляет не более 0,015. Далее, как видно из табл. 8.2, отношение твердости к прочности H V/o составляет 2,5—3,0, что близТ а б л и ц а 8.2. Т вер д о сть и п рочн ость н ек о то р ы х ам о р ф н ы х сп лаво вСплавHVcr, ГН/м 2__170—1240 ,0 2 03,1—0 ,0 2 50 ,0 2 82 ,92 ,52 ,72 ,92 ,7C°eoZrjoC ojsS iisB jjjCo 5 eCr2 eClsСо^М озвСгоСО34 СГ28 МО20С 1 8600910890119014001 ,93 ,13 ,33 ,94 ,1Nij>oZr10N i 78 S i i 0 B 12N i 3 4 0 *24 ^^0 2 4 (^ 855086010602 ,53 ,5PdgoSi 2oCu 50 Z r 50N b 6 „N i5oT i 50 Cu 50228325410893610HV/cr_F e 4 eC rleM o 20C I8‘a/E3 ,57001080640760910 9709001130Р е 8 оРгоFegoBjtoFceo^rjoF e 90F J 3C 7^78^10^*12F e e2M o 2oCi8E, ГН/м 22 ,23 ,13 ,43 ,93 ,34 ,0120——————_900 ,0 3 4—————_1 ,81 ,41 ,9—80—0 ,0 3 4—680 ,0 2 0—132——100——_„2 ,83 ,23 ,02 ,73 ,13 ,43 ,13 ,43 ,02 ,42 ,7——.Ко к теоретической величине 2,9 для идеально пластичных тел, непретерпевающих деформационного упрочнения.
Таким образом, всесказанное выше с полным правом позволяет назвать аморфныеметаллы высокопрочными материалами.Важным фактором, влияющим на прочностные характеристикиаморфных сплавов, является их химический состав. В сплавах с одинаковыми основными металлическими элементами прочностные свой-Рис. 8.3. Сравнение диаграммдеформацииаморфногосплава Fe 7 5SiioB15 и рояльной проволоки(скоростьдеформациие = 4 ,1 7 - 1 0 -4с - 1)1 — рояльнаяпроволока0 0,18 мм; 2 — аморфныйсплав после волочения R —= 85%; 3 — то же, R = 36%;4 — аморфный сплав (проволока 0 0,18 мм), не подвергнутый волочениюства меняются в зависимости от сорта и количества атомов металлоидов, облегчающих аморфизацию. Так, на рис. 8.4 приведена зависимость твердости бинарного сплава Fe— В от содержания бора[12].
Из этого рисунка следует, что с увеличением концентрации боратвердость сплава возрастает практически линейно. На рис. 8.5 показано,HVкак изменяется твердость при добавлении второго металлоида (М) в сплавыFeg0 B2o и Fe 8 oP2 o. При постоянном суммарномсодержанииметаллоидов~ 2 0 % (ат.) твердость сплава сильнозависит от сорта атомов второго металлоида. Видно, что твердость сплаваFegoPao увеличивается при добавленииВ, С и Si и снижается при добавленииGe; в случае ж е сплава FesoB2o твердость всегда снижается при добавлении С, Si, Р и Ge. Можно считать, чтос изменением содержания М твердость Рис. 8.4.
Твердость аморфных сплавов Feioo-xBxменяется линейно.Поскольку сплавы Fe 8 oM2 0 (М—С,Si, Ge) не аморфизируются при быстром охлаждении, значениятвердости этих сплавов показаны на рис. 8.5 как результат линейной экстраполяции до концентрации М, равной 20% (ат.).
Еслисравнить твердость сплавов, содержащих одинаковые суммарныеколичества металлоидов [2 0 % (ат.)], то можно заметить, что она227уменьшается в ряду составов Fe 8 oB2 o, Fe 8 oC2 , Fe 8 oSi2 o, Fe 8 0 P 2 o,Fe 8 oGe2 o. Таким образом, чем выше по периодической системе порядковый номер группы и периода данного метиллоида, тем нижетвердость сплава на основе железа.Однако, если в аморфном сплаве тип и концентрация металлоидных атомов неизменны, то как будут меняться твердость и прочность при дополнительном легировании металлами? Чтобы дать представление о характере таких измеКао^гонений, на рис.
8 . 6 приведены зависимости твердости HV, модуля Юнга £ и предела текучести ау от сред:»(F8j0C20)него числа внешних s- и d-электронов, приходящихся на один атом(Fe8oSi2o'. металла (е/а), при частичной замене никеля в сплаве Ni 7 5 Si8 B 17 надругие 3d-переходные металлы [13].Feeoрг0Видно, что каждая из выше указан-Чцеео^а)ных механических характеристикО5Ю 15 госущественно изменяется при увелиму%(ат.)чении концентрации М. Так, призамещении никеля любым перехоРис.
8.5. Влияние концентрации металлоидов М на твердным металлом с меньшим поряддость HV аморфных сплавовковым номером HV, Е я ау возрана основе железа Fe80B o-*Afxстают; напротив, при замене никеляиFegoPao-xMx(вскобна переходный металл с большимках указаны составы сплавов,значения твердости которыхпорядковым номером эти величиныполучены экстраполяцией)проявляют тенденцию к снижению.В верхней части рис.
8 . 6 показано изменение параметра е/а.Отчетливо видна взаимосвязь между всеми тремя механическимихарактеристиками (HV, Е и ау) , с одной стороны, и величиной е/ас другой: если среднее число электронов в сплаве снижается, тоHV, Е и с у повышаются. Это обстоятельство наводит на мысль отом, что изменения твердости и прочности аморфных сплавов отражают изменения в химической связи между металлическими иметаллоидными атомами. При этом предполагается, что в результате заполнения электронами атомов металлоидов валентных уровней атомов переходных металлов, входящих в состав сплава, возникает частичная связанность электронных состояний за счет sd-гибридизацйи в атомах металлов и sp-гибридизации в атомах металлоидов. Эти процессы, вероятно, и определяют твердость и прочность аморфных сплавов.28.3. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ ПРИ КОМНАТНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХПри одноосном растяжении аморфные металлы проявляют всепризнаки хрупкого разрушения: с ростом напряжения образецпочти не удлиняется пластически, а при достижении определенной228гРис.
8.6, Влияние легирования З^-переходными металлами (М) иатвердость HV, модуль Юнга Е и предел текучести о„ аморфныхсплавов (Ni—Af)75S iiSB i 7нагрузки он внезапно разрушается. На рис. 8.2 приведены диаграммы деформации при комнатной температуре тонких лент из аморфного сплава МвоЭго в координатах «растягивающее усилие — удлинение». Можно считать, что такие диаграммы, получаемые с помощью обычных разрывных машин, характеризуют механическоесостояние аморфных сплавов. Как видно из этих диаграмм, упругая деформация довольно велика — около 2 %, а пластическая деформация составляет не более 0,1 %. Однако, как мы увидим ниже,аморфные металлы все же нельзя считать хрупкими материалами,поскольку они хорошо поддаются такой обработке, как прокатка.Поэтому, с первого взгляда, не ясно, отчего в экспериментах порастяжению не наблюдается сколько-нибудь значительная пластическая деформация.Для выяснения этого необходимо рассмотреть особенности строения аморфных металлов.
Качественная двумерная схема деформации кристалла приведена на рис. 8.7,а, а аморфного твердого тела—на рис. 8.7,6. В кристалле при приложении касательного напряжения деформация происходит вследствие того, что дислокация, изображенная в центре рисунка, при своем движении смещает однучасть кристалла относительно другой. Поэтому прочность кристалла определяется подвижностью дислокаций. Напротив, посколькув аморфном твердом теле не существует кристаллографическихплоскостей, при приложении касательного напряжения к группе229атомов, находящейся в аморфном состоянии, скольжения, как результата движения дислокаций, не происходит.
В этом случае наразные атомы действуют различные по направлению и величинесилы, и поэтому аморфное твердое тело должно деформироватьсяпутем перемещения групп атомов. При этом, если нет сопротивлениядвижению групп атомов, то деформация должна происходить непрерывно. Предполагают, что так называемое явление деформационного упрочнения, связанное с размножением дислокаций в кристалле и междислокационным взаимодействием, в аморфных твердых телах отсутствует.Рнс. 8.7. Схема деформации кристаллических (а) и аморфных (б) металлов:а — процесс деформации как следствие движения дислокаций; б — процесс деформации путем движениягрупп атомов в аморфных материалахРнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
