Металлические стекла

Металлические стекла представляют собой аморфные сплавы металлов, характеризующиеся отсутствием длиннодистантного порядка, типичного для кристаллов, и наличием лишь короткодистантного упорядочения. В отличие от кристаллических металлов, атомы в металлических стеклах располагаются хаотично, что приводит к уникальному сочетанию механических и физико-химических свойств.

Ключевым аспектом структуры является короткодистантная упорядоченность, проявляющаяся в виде локальных кластеров атомов. Чаще всего встречаются координационные полиэдры с числом соседей от 12 до 16. Эти полиэдры могут формировать фрагменты шестиугольной или икосаэдрической симметрии, что препятствует образованию периодической кристаллической решетки.

Структурные характеристики металлических стекол определяются методом дифракции рентгеновских или нейтронных лучей, а также с помощью атомно-силовой микроскопии. Основной показатель — радиус первой координационной сферы и степень её искажения, что напрямую связано с механической жесткостью и способностью стекла к пластической деформации.

Механизм образования металлических стекол

Металлические стекла образуются при быстром охлаждении жидкого сплава, при котором атомы не успевают перестроиться в кристаллическую решетку. Скорость охлаждения может достигать 105–106 К/с, что позволяет «заморозить» жидкую структуру в аморфном состоянии.

Существует несколько факторов, влияющих на формирование стекла:

  • Химическая сложность сплава. Многоэлементные системы с большим различием атомных радиусов и отрицательной энергией смешивания способствуют стеклообразованию.
  • Кинетические факторы. Чем выше вязкость расплава, тем труднее атомам реорганизоваться в кристалл, и тем выше вероятность образования аморфного состояния.
  • Температурный режим охлаждения. Существуют критические температуры, такие как температура стеклования Tg, ниже которой структура становится статичной на экспериментальных временных масштабах.

Металлические стекла можно классифицировать по числу компонентов: двоичные, тройные, многоэлементные (так называемые высокоэнтропийные металлические стекла).

Физические и механические свойства

Металлические стекла обладают рядом уникальных свойств, отличающих их от кристаллических металлов:

  • Высокая прочность. Прочность часто превышает прочность аналогичных кристаллических сплавов на 1,5–2 раза, что связано с отсутствием дислокаций.
  • Высокая твёрдость. Атомная плотность и локальное упорядочение препятствуют пластической деформации на микроуровне.
  • Эластичность и упругость. Несмотря на высокую прочность, металлические стекла могут демонстрировать значительную упругую деформацию до разрушения.
  • Коррозионная стойкость. Гомогенная структура препятствует диффузии агрессивных ионов, что делает их устойчивыми к химическому воздействию.
  • Магнитные свойства. Некоторые аморфные металлические сплавы обладают мягкой ферромагнитностью, низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью.

Особое внимание уделяется тепловым свойствам, таким как теплоемкость и теплопроводность. В аморфных металлах теплопроводность обычно ниже, чем у кристаллических аналогов, что связано с рассеянием фононов на локальных структурных неоднородностях.

Деформация и пластичность

Механизм пластической деформации металлических стекол принципиально отличается от кристаллических металлов. В отсутствии дислокаций пластическая деформация локализуется в узких зонах, называемых сдвиговыми полосами (shear bands). Эти полосы представляют собой локальные области высокой пластичности, через которые происходит смещение атомов.

Характерные особенности:

  • Толщина сдвиговых полос составляет от десятков до сотен нанометров.
  • В их пределах наблюдается значительное увеличение атомной подвижности.
  • Развитие нескольких сдвиговых полос может повысить общую пластичность материала.

Модификация сплавов с целью увеличения числа активных зон сдвига — один из ключевых методов повышения пластичности металлических стекол.

Методы производства

Существуют несколько подходов к получению металлических стекол:

  1. Быстрое охлаждение расплава. Используется для получения тонких лент и проволоки. Скорости охлаждения достигают 105–106 К/с.
  2. Литье в форму. Позволяет получать массивные образцы при низкой критической толщине стеклообразования и оптимальном подборе сплава.
  3. Порошковая металлургия. Аморфные порошки прессуют и сплавляют без образования кристаллической фазы.

Современные исследования направлены на увеличение толщины образцов при сохранении аморфной структуры, что позволяет использовать металлические стекла в промышленных масштабах.

Применение

Металлические стекла находят применение в различных областях благодаря их уникальным свойствам:

  • Механические детали и пружины. Высокая прочность и упругость позволяют создавать долговечные элементы с высокой рабочей нагрузкой.
  • Медицинское оборудование. Коррозионная стойкость и биосовместимость сплавов делают их пригодными для имплантов.
  • Электроника и магнетизм. Мягкие магнитные аморфные сплавы применяются в сердечниках трансформаторов и индуктивных элементах.
  • Спортивное оборудование и инструменты. Применение в лезвиях, клинках, спортивных снарядах благодаря высокому соотношению прочности и массы.
Оглавление