МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЁКЛА

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЁКЛА

       

(стекловидные металлы, метглассы), металлич. сплавы в стеклообразном состоянии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлич. расплава (скорость охлаждения ?106 К/с). Быстрый теплоотвод достигается, если, по крайней мере, один из размеров изготовляемого образца достаточно мал (фольга, лента, проволока). Расплющиванием капли расплава между охлаждаемыми наковальнями получают фольгу шириной 15 — 25 мм и толщиной 40—70 мкм, а охлаждением на вращающемся барабане (диске) или прокаткой струи между двумя валками — ленту шириной 3—6 мм и толщиной 40—100 мкм. Выдавливанием расплава в охлаждённую жидкость могут быть изготовлены М. с. в виде проволоки.

Состав М. с.: = 80% переходных (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Pr и др.) или благородных металлов и ок. 20% поливалентных неметаллов (В, С, N, Si, P, Ge и др.), играющих роль стеклообразующих элементов. Примеры — бинарные сплавы (Au81Si19, Pd81Si19 и Fe80B20) и псевдобинарные сплавы, состоящие из 3—5 и более компонентов. М. с.— метастабильные системы, к-рые кристаллизуются при нагревании до темп-ры, равной ок. 1/2 темп-ры плавления.

Изучение М. с. позволяет исследовать природу металлич., магн. и др. св-в тв. тел. Высокая прочность (приближается к теор. пределу для кристаллов) в сочетании с большой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью делает М. с. перспективными упрочняющими элементами для материалов и изделий. Нек-рые М. с. (напр., Fe80B20) — ферромагнетики с очень низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью, что обусловливает их применение в качестве магнитно-мягких материалов. Другой важный класс аморфных магн. материалов — сплавы редких земель с переходными металлами. Перспективно использование электрич. и акустич. св-в М. с. (высокое и слабо зависящее от темп-ры электрич. сопротивление, слабое поглощение вука).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА

(метглассы) - разновидность аморфных металлов, аморфные сплавы с ме-таллич. типом проводимости, к-рые не имеют дальнего порядка в пространств, расположении атомов и характеризуются макроскопич. коэф. сдвиговой вязкости Па. Их изготавливают в виде плёнок, лент и проволок с помощью спец. техн. приёмов (закалка из расплава при типичных скоростях охлаждения ~10 ^в К/с, термич. напыление или катодное распыление в вакууме на охлаждаемую подложку и т. д.), к-рые ведут к быстрому затвердеванию сплавляемых компонентов в относительно узком температурном интервале около т. н. температуры стеклования T_g.

M. с. обладают уникальным сочетанием высоких ме-ханич., магн., электрич. и коррозионных свойств [1-8].

M. с. исключительно тверды и обладают высокой прочностью на растяжение; напр., предел текучести s _у для M. с. Fe₈₀B₂₀ достигает 3,6-10° Н/м ² (370кгс/мм ²) [5], что намного превосходит значение s _у лучших сталей; по этой причине M. с. применяют для армировки в композиц. материалах (композитах).

По магн. свойствам M. с. подразделяются на два технологически важных класса. M. с. класса "ферромагнитный переходный металл (Fe, Со, Ni, в количестве 75-85%)-неметалл (В, С, Si, Р- 15-25%)" являются магнитно-мягкими материалами с незначительной коэрцитивной силой Н _с ввиду отсутствия магн.-кристаллич. анизотропии (наблюдаемая макроскопич. магнитная анизотропия обусловлена при ненулевой магнитострикции внутр. или внеш. напряжениями, к-рые могут быть снижены при отжиге, а также наведённой анизотропией в расположении пар соседних атомов). Магнитная атомная структура осн. состояния таких систем может быть представлена в виде совокупности параллельно ориентированных локализованных магн. моментов при отсутствии трансляц. периодичности в их пространств, размещении, причём благодаря эффектам локального окружения магн. моменты ионов по своей величине могут флуктуировать (см. Аморфные магнетики).M. с. этого класса имеют почти прямоугольную петлю гистерезиса магнитного с высоким значением индукции насыщения B_s , что в сочетании с высоким уд. электрич. сопротивлением r и, следовательно, низкими потерями на вихревые токи делает M. с. по сравнению с электротехн. сталями более предпочтительными при применении, напр., в трансформаторах [6].

Сравнительные характеристики нек-рых кристаллич. и зарубежных аморфных магнитно-мягких сплавов [2] (а также одного из отечеств. M. с. 94 ЖСР - А на основе железа [8]) приведены в таблице.

M. с. класса "редкоземельный элемент - переходный d- металл", обычно приготавливаемые в виде плёнок с помощью катодного распыления, в ряде случаев (Gd - Со, Gd - Fe) обнаруживают коллинеарную ферромагн. структуру со свойствами, перспективными для создания устройств с памятью на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), напр, низкой намагниченностью насыщения M_s и высокой анизотропией, перпендикулярной плоскости плёнки [3]. В большинстве др. случаев сильная локальная одноионная анизотропия со случайным распределением осей лёгкого намагничивания, присущая редкоземельным ионам с ненулевым орбитальным моментом, обычно приводит в M. с. этого класса к хао-тич. неколлинеарной структуре типа спинового стекла.

Сравнительная характеристика некоторых магнитно-мягких кристаллических и аморфных сплавов (при 300 К) .

* T _с - температура перехода в парамагнитное состояние (Кюри точка).

** Метгласс - зарегистрированная торговая марка корпорации Allied Chemical Corporation.

Из электрич. свойств M. с. наиб, существенны большая величина остаточного электрич. сопротивления (обычно в 2-4 раза больше, чем у кристаллич. аналогов) и малое значение температурного коэф. сопротивления (вне температурного интервала протекания процессов структурной релаксации и кристаллизации).

Ряд M. с. класса "переходный металл - неметалл" с добавками Cr и P обнаруживает исключит, коррозионную стойкость в агрессивных средах, превышающую на неск. порядков стойкость нержавеющих сталей [3,7]. Неупорядоченность атомной структуры M. с. является также причиной высокой стойкости их свойств к воздействию радиации.

Аморфная структура M. с., являясь метастабильной, обладает очень большим временем жизни. Напр., оценки временного интервала эксплуатации, определяемого началом процесса кристаллизации, дают для одного из наименее стабильных M. с.ок. 550 лет при 175 ⁰C и 25 лет при 200 ⁰C [2].

Своеобразие физ. свойств M. с. является следствием аморфности их структуры (её хим. гомогенности, отсутствия межзёренных границ и линейных дефектов типа дислокаций). На рентгено-, электроне- и нейтроно-граммах M. с. имеется неск. диффузных гало, к-рые описываются с помощью ф-ции радиального распределения атомов (ФРРА) , где р(г) - усреднённая атомная плотность на расстоянии г от случайного, выбранного за начало отсчёта атома (рис.). ФРРА не даёт полной информации о расположении атомов в трёхмерном пространстве, однако в сочетании с др. методами (исследованием тонкой структуры рентг. спектров поглощения, аннигиляцией позитронов и т. д.) она даёт возможность отобрать те структурные модели M. с.,

Нормированная функция радиального распределения атомов - средняя атомная плотность вещества) для аморфного железа [9].

к-рые лучше всего соответствуют эксперим. данным. Сходство ФРРА для аморфного и жидкого состояний, особенно на больших и ср. расстояниях, позволило на первых порах использовать для одноатомных M. с. модель случайной плотной упаковки твёрдых сфер, в своё время предложенную Дж. Д. Берналом (J. D. Bernal) для одноатомных жидкостей, а для M. с. типа "металл - неметалл" - модификацию этой модели [10], согласно к-рой небольшие атомы неметалла заполняют большие пустоты ("дырки" Бернала) в случайной плотной упаковке атомов металла и не соседствуют друг с другом. Однако данные дифракц. экспериментов (напр., расщепление второго пика ФРРА, отсутствующее в жидких металлах) говорят о существовании в M. с. ближнего атомного порядка. Расчёты термодинамич. устойчивости атомных микрокластеров и структурного фактора для M. с. указывают на предпочтительность для них модели ближнего порядка [11], в к-рой осн. элементом структуры является икосаэдр - правильный двадцатигранник, получаемый упаковкой 12 слегка искажённых тетраэдров и обладающий 12 вершинами с 5 сходящимися рёбрами, через к-рые можно провести 6 осей симметрии пятого порядка.

Хотя икосаэдрич. кластер не может быть элементом построения кристалла, поскольку невозможно плотно заполнить трёхмерное пространство путём периодич. трансляций икосаэдра без появления несогласованности в структуре, веским аргументом в пользу икосаэдрич. ближнего порядка в M. с. является также недавнее открытие в сплаве Al₈₆MnI₄ [12] принципиально нового типа атомной структуры твёрдых тел - квазикристаллич. структуры с икосаэдрич. дальним порядком (см. Квазикристалл). Подобно M. с., квазикристаллы получаются быстрой закалкой из расплава /яятт . тгля оппепелённых составов в системах

Xf_ Fe), но, в отличие от M. с., дают на рентгенограммах когерентные брэгговские рефлексы, соответствующие симметрии пятого или даже десятого порядка [13, 14]. Нек-рыеМ. с. (напр., Pd₆₀U₂₀Si₂₀[IS]) после отжига переходят в квазикристаллич. состояние, оона-руживая тем самым тесную генетич. связь структурного состояния M. с. и квазикристаллич. состояния.

Лит-1)Петраковский Г. А., Аморфные магнетики, "УФН",'1981,т. 134, с. 305; 2) Люборский Ф. В., Перспективы применения аморфных сплавов в магнитных устройствах, в кн.· Магнетизм аморфных систем, пер. с англ., M., Ii)Sl; 3)Хандрих К., Кобе С., Аморфные ферро- и ферримагнетики, пер. с нем., M., 1982; 4) Крапошин В. С., Линецкий Я. Л., Физические свойства металлов и сплавов в аморфном состоянии, в кн.: Итоги науки и техники. Металловедение · термическая обработка, т. 16, M., 1982; 5) Металлические стекла, пер. с англ., M., 1984; 6) Amorphous metallic alloys ed by F. Luborsky, L.- [a.o.], 1983; 7) Аморфные сплавы, M., 1984; 8) Преображенский A. А., Бишард E. Г., Магнитные материалы и элементы, 3 изд., M 1986; 9) Iсhikawа Т., Electron diffraction study of the local atomic arrangement in amorphous iron and nickel films, "Phys. Stat. Sol. (a)", 1973, v. 19, N,2, p. 707; 10) Polk D. E The structure of glassy metallic alloys, "Acta Metall.", 1972, v. M,№ 4 r 485; 11) Sасhdev S., Nelsоn D. R., Order m metallic glasses and icosahedral crystals, "Phys. Rev. B", 1985, v. 32, № 7 r 4592' 12) Sheсhtman D. и др., Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry, "Phys. Rev. Lett.", 1984, v. 53, M 20, p. 1951; 13) Levine D., Steinhardt P. J., Quasicrystals. 1-2, "Phys. Rev. B", 1986 v. 34, MJ 2, p. 596; 14) Heльсон Д. Р., Квазикристаллы пер с англ., "В мире науки", 1986, № 10, с. 19; 15) Po-о h S J., Drehmаn A. J., Lawless K. R., Glassy to icosahedral phase transformation in Pd - U - Si alloys, "Phys. Rev Lett ", 1985, v. 55, Mi 21, p. 2324. M. В. Медведев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.