Мнения Сталь и Сплавы
30.10.2015 09:21:00
Дмитрий Лузгин
д.т.н. Профессор, главный научный сотрудник, зав. лабораторией Университет Тохоку / Япония, Руководитель проекта в НИТУ «МИСиС»


Подробнее

Будущее металлических стекол

Начиная с конца прошлого века многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, проводимые учеными, обеспечивают малое улучшение комплекса механических свойств металлических сплавов (особенно удельных: на единицу массы) с использованием классических методов: твердорастворное упрочнение, закалка, старение, пластическая деформация, отжиг и т.п. И если в тяжелом машиностроении, судостроении (кроме небольших катеров), автомобильной промышленности стали и алюминиевые сплавы есть и будут вне конкуренции, в гражданской авиации и спортивным инвентаре металлы значительно потеснены неметаллическими композиционными материалами. Например, Боинг 787, в основном, сделан из полимерных композитов армированных углеродным волокном (50% по массе, по сравнению с 12% в Боинге 777) [1]. Традиционные металлы существенно заменены композитами с более высокой удельной прочностью, а доля алюминиевых сплавов снизилась до 20% (против 50% в Боинге 777).
Принципиально новые методы получения и обработки сплавов необходимы для создания нового поколения конструкционных и функциональных металлических материалов.

Промышленные металлические сплавы затвердевают формируя кристаллическую структуру даже при высоких скоростях охлаждения. Получение аморфных/стекловидных металлических сплавов (или металлических стекол), в том числе и чистых металлов, требует ультравысоких скоростей охлаждения, например, при напылении тонких пленок на охлажденную подложку из газообразной фазы [2]. Распыление чистых металлов в наноразмерные капли приводит не только к высоким скоростям охлаждения, но и малой вероятности появления критического зародыша кристаллической фазы в нанообъеме [3].

Сплавы с более высокой склонностью к стеклованию, именуемой стеклообразующей способностью, как правило, эвтектического состава, получают с 60-х годов прошлого века быстрым охлаждением расплава со скоростями порядка 1 МK/с на вращающийся медный диск или при сжатии капли расплава между двумя металлическими плоскостями [4]. В таком случае металлические сплавы непрерывно переходят при охлаждении в стекловидное состояние и претерпевают обратное превращение при последующем нагреве с достаточно высокой скоростью нагрева.

В 70х годах прошлого века были получены первые макроскопические отливки аморфных палладиевых сплавов с размером порядка 1 мм в каждом из 3х пространственных измерений, названные впоследствии объемными металлическими стеклами [5]. Более массивные образцы были получены в 80х после обработки расплава флюсом, которая позволила подавить гетерогенное зарождение кристаллов [6], но ввиду исключительной дороговизны основного компонента палладия долгое время не представляли особого интереса для ученых и инженеров. 

В 90х объемные металлические стекла (ОМС) [7] с размером > 1 мм в каждом из 3х пространственных измерений (Рис. 1) удалось получить на базе широко распространенных металлов: магния, титана, меди, железа и т.д. в двойных, тройных, четверных и многокомпонентных сплавах. 



Рис. 1. Образцы отливок ОМС (оптическое изображение).


Статистический анализ имеющейся информации по ОМС показал рост их стеклообразующей способности от двойных к тройным и четверным сплавам. Также при анализе базы данных из 95 тройных сплавов с известной стеклообразующей способностью в виде критического диаметра ОМС (сплавы, обработанные флюсом, не учитывались) была обнаружена статистическая закономерность в распределении составов ОМС (Рис. 2) [8]. Локальные максимумы критического диаметра расположились вблизи составов A70B20C10, A65B25C10, A65B20C15, A56B32C12, A55B28C17, A44B43C13 и A44B38C18, а локальные минимумы вблизи составов A75B20C5, A75B15C10, A60B35C5, A55B35C10, A55B30C15, A50B25C25, A48B32C20 и A47B46C7. Это свидетельствует о закономерностях в составах ОМС и неслучайности атомных соотношений. Сплав A50B25C25 соответствует соединению A2BC, A60B35C5 соединению A3(B+C)2, а A75B20C5 и A75B15C10 близки к псевдо-двойному соединению A3(B+C).


Рис. 2. Поверхность критического диаметра (максимальный диаметр аморфной отливки), построенная методом сглаживания произвольного набора данных тройных сплавов (95 точек из литературных источников).


Aтомная структура стекол демонстрирующая отсутствие дальнего порядка в расположении атомов (Рис. 3) определяют их свойства, в частности механические. По величине прочности и удельной прочности они значительно превосходят соответствующие кристаллические сплавы из-за невозможности использования механизмов аккомодационной деформации дислокационного или двойникового типа. Условный предел текучести ОМС достигает ~2 GPa для ОМС на основе Cu, Ti и Zr, ~3 GPa на основе Ni, ~4 GPa на основе Fe, ~5 GPa на основе Fe и Co, а также 6 GРa для кобальтовых сплавов. Структура металлического стекла также обеспечивает упругую деформацию до 2 %, что в сочетании с высоким пределом текучести обуславливает большие значения запасенной энергии упругой деформации (показатели σy2/E и σy2/ρЕ, где σy, ρ и Е – предел текучести, плотность и модуль Юнга, соответственно). Следует отметить, что недавние исследования указывают наличие атомных кластеров в ОМС [9].


Рис. 3. Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и картины дифракции от выбранной области субмикроскопического размера (SAED) и наноразмера (NBD). Заметно отсутствие дальнего порядка в расположении атомов. Размер областей рассеяния показан кругами условно. (В России изучением структуры ОМС занимаются, в частности, А.С. Аронин и Г.Е. Абросимова).


ОМС обладают не только высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и большими значениями упругой деформации до начала пластической деформации, но и высоким сопротивлением коррозии, включая самопроизвольную пассивацию в некоторых растворах. Высокая твердость, износостойкость, качество поверхности ОМС, а также текучесть при нагреве определяет их применение в микромашинах в качестве механизмов передач (шестеренок), компонентов высокоточных механических систем. ОМС на основе железа и кобальта с намагниченностью насыщения до 1.5 T имеют рекордно низкие значения коэрцитивной силы менее 1 А/м и активно используются как магнитомягкие материалы. Следует отметить, что в России металлическими стеклами на основе железа и кобальта занимались такие ученые как А.М. Глезер, С.Д. Калошкин и многие другие. 

Явление стеклования, наблюдаемое при переходе из жидкости в стекло и расстекловывания при нагреве, является одной из самых важных не до конца решенных проблем физики твердого тела. А именно, являются ли аморфная и жидкая фазы одной и той же фазой, только наблюдаемой при разных температурах, или же имеет место фазовый переход из жидкого состояния в аморфное и обратно, и если это так, то какого рода этот фазовый переход? Некоторые успехи достигнуты с использованием компьютерного моделирования, но полной ясности еще нет. 

Долгое время было неясно откуда возникает такое свойство переохлажденной металлической жидкости как «хрупкость»: сильное отклонение температурной зависимости ее вязкости от закона Аррениуса, в то время как вязкость равновесной жидкости выше температуры ликвидуса (Tl) следует данному закону. Автором с коллегами методом рентгеновской дифракции «in-situ» в синхротронном излучении не было показано активное образование в атомной структуре сплава Pd42.5Cu30Ni7.5P20 вблизи температуры стеклования кластеров металлов ковалентно связанных с Р, что коррелировало с температурной зависимостью вязкости жидкости [10] при охлаждении расплава, как схематически показано на рис. 4. Заметьте, что вязкость жидкости при охлаждении до Tg меняется на 10 порядков величины.


Рис. 4. Соотношение площади под пиком функции радиального распределения (ФРР) образованным атомными парами типа Ni,Cu-P к площади пика образованным другими атомными парами (P1/P2) иллюстрирует быстрые структурные изменения вблизи Tg, и их отсутствие ниже Tg и выше Tl. По правой оси ординат отложена вязкость в логарифмической шкале. По оси абсцисс отложена обратная температура нормализованная через Tg: ниже примерно 0.7 равновесная жидкость (малые структурные изменения по температуре), до Tg/Т=1 переохлажденная жидкость (сильные изменения), а выше стекло.


ОМС прекрасно и однородно деформируются пластически при нагреве в область переохлажденной жидкости до кристаллизации (выше Tg, но ниже Tx – температуры кристаллизации переохлажденной жидкости [11,12]), и могут быть использованы как модели для штампов (Рис. 5). 

Традиционные способы обработки металлов давлением при невысокой стоимости компонентов сплавов часто требует дорогостоящих этапов обработки исходного блока для получения конечного продукта. Это приводит к большому количеству отходов материала. В случае ОМС с помощью быстрого нагрева в область переохлажденной жидкости можно получить изделие с высоким качеством поверхности в одну стадию как при сверхпластичной формовке. Но ОМС ввиду отсутствия границ зерен будут предпочтительнее для микрообъектов чем сверхпластичные сплавы ввиду исключительно высокого качества поверхности. 


Рис. 5. Поверхность ОМС после микроформовки в области переохлажденной жидкости.


Тем не менее, одним из главных препятствий на пути более широкого применения стеклообразных сплавов является их ограниченная пластичность при комнатной температуре [13]. Многие ОМС разрушаются до начала макропластической деформации при образовании одной полосы сдвига. 

Это происходят из-за разупрочнения образца в локальных полосах сдвиговой деформации (полосы толщиной 10-20 нм, в которой материал начинает течь под действием высоких локальных напряжений) и дальнейшей локализации деформации в этих полосах в отличие от кристаллических сплавов, в которых деформационное упрочнение приводит к более однородной деформации в множественных полосах скольжения. Однако, если зарождается несколько полос сдвига с попеременной локализацией деформации (Рис. 6), то до определенного момента может иметь место макроскопически однородная деформация образца, которая является предпочтительной для получения более пластичных ОМС [14]. В связи с этим изучение процесса зарождения и распространения полос сдвига в ОМС представляет большой интерес. В результате совершенствования составов были получены рекордно высокие значения вязкости разрушения порядка 100 MPa√m для ОМС Zr61Ti2Cu25Al12 [15] и Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 [16], а также сплавы доэвтектических составов не охрупчивающиеся при структурной релаксации [17]. Недавно предложенный метод циклической обработки в жидком азоте из-за разности коэффициентов термического расширения атомных кластеров с высокой и низкой плотностью приводит к «омолаживанию» металлического стекла (переводу его в повышенное энергетическое состояние) и повышению его пластичности [18]. Метод выдержки при криогенной температуре был использован для модифицирования магнитных свойств сплавов на основе железа [19]. 


Рис. 6. Полосы сдвига на боковой поверхности образца (сверху) после разрушения. Поверхность разрушения в нижнем левом углу.


На сегодняшний день двухфазные материалы (композиционного типа) получают всё большее распространение, так как они способны сочетать в себе, в оптимальном соотношении, требуемый комплекс эксплуатационных свойств. ОМС обладают уникально высокими показателями прочности, но, как правило, отсутствием пластичности, особенно на растяжение. Кристаллические сплавы обладают высокими показателями пластичности, а полимерные материалы, также обладают малой плотностью. Поэтому создание нового класса легких и прочных двухфазных материалов на основе металлического стекла и кристалла (или полимера) помогает решить задачу, связанную с улучшением механических конструкционных материалов, т.е. получить материал с уникально высоким показателем удельной прочности и пластичности. Легкие металлические двухфазные материалы типа металлическое стекло/кристалл сочетающие прочность объемных металлических стекловидных сплавов на основе Ti или Mg, и высокую пластичность кристаллических фаз разрабатываются в НИТУ «МИСиС» в рамках проекта 5-100 на кафедре Металловедения Цветных Металлов в сотрудничестве с Центром Композиционных Материалов [20] (Рис. 7).


Рис. 7. Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (две области) и картины дифракции от выбранной области субмикроскопического размера (видны яркие пятна от кристаллической фазы и гало от аморфной).


Перспективным материалом являются недавно полученные при сотрудничестве с кафедрой МЦМ наноструктурированные металлические стекла (Рис. 8), которые могут быть использованы как материалы для медицины (высокая коррозионная стойкость и хорошая адгезия клеток) и для катализа (развитая поверхность) [21]. 


Рис. 8. Поверхность наноструктурированного металлического стекла Zr-Pd (СЭМ) как вставка в спектр рентгеновского излучения полученный от образца.


Недавно было показано, что однородные аморфные оксиды, формирующиеся на поверхности ОМС Ni-Nb, имеют аморфную структуру без дефектов в виде границ зерен присущих кристаллам, по которым может проходить утечка электрического тока. Они демонстрируют полупроводниковые свойства, и их проводимость меняется от электронной к дырочной после отжига [22]. Данный материал соответствует диоду Шоттки с весьма низким обратным током, проводимостью которого можно управлять отжигом в кислороде (Рис. 9). 

воль амперная.jpg

Рис. 9. Воль-амперная характеристика натурального аморфного оксида на поверхности ОМС Ni-Nb (синяя кривая) и оксида, выросшего при отжиге при 300 С (красная кривая).


В заключение следует отметить, что металлические стекла после полувековой истории до сих пор представляют широкий интерес для исследования их необычных свойств и структуры, а двухфазные материалы типа стекло-кристалл очень перспективны для практического применения в качестве высокопрочных конструкционных материалов в тех областях, где несколько повышенная стоимость материала не имеет большого значения. Конечно, не стоит ожидать, что ОМС и двухфазные материалы даже при удешевлении составов заменят собой конструкционные стали или алюминиевые сплавы в строительстве и тяжелом машиностроении. Однако, они и двухфазные материалы типа стекло-кристалл, уже находят все более широкое применение в определенных областях, где они превосходят конкурентов: ортопедические винты в медицине (биосовместимость), микромашины (формуемость, износостойкость), спортинвентарь (гибкость, прочность, большая величина запасенной упругой энергии (Рис. 10)), датчики давления (гибкость без остаточной деформации), микроштампы (формуемость, износостойкость) и т. д. Эти материалы могут привести к изобретению революционных технологий, потенциально вытесняя традиционные обработки металлов для инновационных областей применения. 


Рис. 10   Этот пример иллюстрирует высокую способность ОМС запасать энергию упругой деформации при падении слитка с некоторой высоты в трубке на наковальню. 


















Литературные источники

1. www.boeing.com/commercial/787family/programfacts.html; K. Lu, The Future of Metals, Science 328, 319 (2010).
2. W. Buckel, R. Hilsch Z. Phys. 138, (1954) 109-120.
3. Y. W. Kim, H. M. Lin & T. F. Kelly Acta Metall. 37 (1989), 247–255.
4. W. Klement, R. H. Willens and P. Duwez Nature.187, (1967) 869.
5. H. S. Chen, Acta Metall. 22, (1974) 1505
6. H. W. Kui, A. L. Greer and D. Turnbull Appl. Phys. Lett. 45 (1982) 716.
7. D.V. Louzguine-Luzgin, A. Inoue, “Bulk Metallic Glasses. Formation, Structure, Properties, and Applications” Handbook of Magnetic Materials, Edited by K.H.J. Buschow, Elsevier 21, 2013, 131-171.
8. D. V. Louzguine-Luzgin, D. B. Miracle, L. Louzguina-Luzgina, and A. Inoue, Journal of Applied Physics, 108, (2010) 103511.
9. A. I. Oreshkin, N. S. Maslova, V. N. Mantsevich, S. I. Oreshkin, S. V. Savinov, V. I. Panov, D. V. Louzguine-Luzgin, JETP Letters, 94, (2011) 58-62.
10. D. V. Louzguine-Luzgin, R. Belosludov, A. R. Yavari, K. Georgarakis, G. Vaughan, Y. Kawazoe, T. Egami and A. Inoue. J. Appl. Phys. 110, (2011) 043519.
11. Г.Е. Абросимова, А.С. Аронин, И.И. Зверькова ФММ, 94, (2002), 1-6.
12. S.D Kaloshkin., I.A. Tomilin., Thermochimica Acta, 280/281, (1996), 303-317.
13. M.F. Ashby, A.L. Greer, Scripta Mater. 54 (2006) 321.
14. D.V. Louzguine-Luzgin, V.Yu Zadorozhnyy, N. Chen, S.V. Ketov, Journal of Non-Crystalline Solids. 396–397 (2014) 20–24.
15. Q. He, Y.-Q. Cheng, E. Ma, J. Xu, Acta Materialia 59, (2011), 202–215. 
16. M. D. Demetriou, M. E. Launey, G. Garrett, P. J. Schramm, D. C. Hofmann, W. L. Johnson, &, R. O. Ritchie, Nature Materials, 10, (2011) 123.
17. M. Aljerf, K. Georgarakis, A. R. Yavari, Acta Materialia, 59 (2011) 3817-3824.
18. S. V. Ketov, Y. H. Sun, S. Nachum, Z. Lu, A. Checchi, A. R. Beraldin, H. Y. Bai, W. H. Wang, D. V. Louzguine-Luzgin, M. A. Carpenter & A. L. Greer, Nature, 524, (2015) 200–203.
19. S. G. Zaichenko, N. S. Perov, and A. M. Glezer, Journal of ASTM International, 7, (2010) 1102479.
20. A. A. Tsarkov, A. Yu. Churyumov, V. Yu. Zadorozhnyy and D. V. Louzguine-Luzgin, J. Alloys and Comp. in press.
21. S. V. Ketov, X.T. Shi, G.Q. Xie, R. Kumashiro, A. Yu. Churyumov, A. I. Bazlov, N. Chen, Y. Ishikawa, N. Asao, H.K. Wu and D. V. Louzguine-Luzgin, Scientific Reports, Vol. 5, (2015) 7799.
22. A. S. Trifonov, A. V. Lubenchenko, V. I. Polkin, A. B. Pavolotsky, S. V. Ketov and D. V. Louzguine-Luzgin, Journal of Applied Physics 117, (2015) 125704.

Возврат к списку


Всего 16 комментариев
Комментарии к публикации экспертного мнения
  • Хочу поблагодарить Дмитрия Лузгина за его краткий и содержательный анализ настоящего и будущего металлических стекол. Трудно не согласиться с тем, что у металлических стекол в зависимости от химического состава имеются вполне определенные области практического применения. Я бы добавил еще одну - инженерия поверхности. Весьма заманчивым является перенос или формирование структуры металлического стекла на поверхности функциональной подложки. В этом направлении следует поработать, а новые интересные научные открытия уже не за горами.
    Эту реплику поддерживают: Лузгин Дмитрий, Дмитрий Московских, Уваров Роман, Степан Воротыло
  • В сообщении проф. Лузгина, ведущего ученого в области объемных металлических стекол (ОМС), отражено многообразие проблем и достижений в понимании природы стеклования металлических сплавов. Металлические стекла, не только поражают особенным металлическим блеском (извне) и необычной упаковкой атомов (изнутри), но и превосходят по ряду свойств традиционные кристаллические сплавы, полученные из тех же компонентов. К сожалению, на сегодняшний день необычные свойства металлических стекол все еще имеют ограниченное применение, хотя интерес к ним не ослабевает. Получение ОМС возможно путем обычных литейных технологий при скорости закалки расплава порядка ~100 К/с. Однако широкое применение ОМС, ограничено необходимостью организации высокотехнологичного и высокозатратного производства, дорогих шихтовых материалов высокой чистоты, технологий вакуумной металлургии и вакуумного деформирования (штамповки) в температурном интервале переохлажденной жидкости. Нельзя не согласиться с проф. Лузгиным, что это дело будущего.

    Между тем, как отметил в своем отклике проф. Левашов, для ряда применений достаточно сформировать структуру металлического стекла в поверхностных слоях изделия, используя методы инженерии поверхности. Необходимым условием для этого является сохранение структуры металлического стекла, т.е. достаточно быстрое плавление аморфного прекурсора и затвердевание расплава на кристаллической подложке. Первые успешные попытки реализовать эту идею [1] были сделаны при выполнении инициативного проекта РФФИ 04-03-32700а, выполненного в НУЦ СВС НИТУ «МИСиС» и лаборатории аморфных и микрокристаллических сплавов ИМЕТ РАН. Именно там в группе В.В. Молоканова, в 1989 г. одновременно с японскими учеными из университета Тохоку были впервые получены ОМС с сечением несколько мм. [2]

    При выполнении проекта РФФИ 04-03-32700а для формирования функционально-градиентных материалов, содержащих аморфную фазу в поверхностном слое, были использованы литые электроды со структурой металлического стекла и подложки технических важных металлов. Основным способом нанесения покрытий из аморфных прекурсоров было выбрано электроискровое легирование. Этот метод инженерии поверхности обеспечивает локальный мгновенный переплав прекурсора на воздухе или в защитной атмосфере и перенос материала при минимальном разогреве подложки, обеспечивая прекрасную адгезию. Было показано, что эффективность теплоотвода неподвижной подложкой при электроискровом осаждении сравнима с закалкой расплава на вращаемый массивный металлический диск при спиннинговании расплава (скорость охлаждения около ~1000000 К/с). Это обеспечивает высокую твердость (более 15 ГПа) и износостойкость формируемых покрытий. Дальнейшее развитие этой технологии связано с разумным подбором для конкретных применений пар «аморфный прекурсор – кристаллическая подложка» и режимов осаждения.

    1. Petrzhik M.I., Vakaev P.V., Chueva T.R., Sviridova T.A., Molokanov V.V., Kovneristy Yu.K., Levashov E.A. From Bulk Metallic Glasses to Amorphous Metallic Coatings. Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials, 2005, vol. 24-25, pp. 101-104.
    2. Molokanov V.V., Chebotnikov V.N. Glass Forming Ability, Structure and Properties of Ti- and Zr- Intermetallic Compound Based Alloys, Key Eng. Mater. 40-41 (1990), p.319.
    Эту реплику поддерживают: Лузгин Дмитрий, Дмитрий Московских
    • Благодарю Михаила за представленные работы и, особенно, его обзорную статью в Известия РАН Серия Физическая, 2001 (частная переписка). Действительно, следует особенно отметить успешное применение металлических стекол в качестве покрытий с высокой износостойкостью.
  • В статье проф. Лузгина кратко рассмотрены основные направления исследований в области металлических стекол. Большой интерес во всем мире представляет исследование и понимание процессов деформации металлических стекол, что как мне кажется позволит расширить границы и области применения ОМС. Так например, интересна чувствительность металлических стекол к концентраторам напряжений. Отсутствие дислокационных механизмов в процессе деформации ОМС, позволяет предположить о гораздо более низкой чувствительности к концентраторам напряжений. Возможно ли путем нанесения большого количества концентраторов напряжений добиться развития не одной, доминирующей, полосы сдвига, а множественного образования и развития полос, тем самым увеличив макропластическую деформацию стекол?
    Эту реплику поддерживают: Лузгин Дмитрий
  • Д.В. Лузгин дал интересное и  глубокое рассмотрение настоящего и будущего этих необычных материалов. Он показывает, как можно создавать сплавы нового поколения, имеющие комплекс высоких физических свойств и чем они определяются. Приведены прекрасные рисунки, иллюстрирующие структуру и свойства. Естественно, в этом достаточно кратком сообщении автор не мог, да и не претендовал на всеобъемлющее описание структуры, свойств и областей применения  аморфных сплавов, но ему удалось показать современные  направления  развития этих материалов.
    Кроме отличающихся от  кристаллических материалов структуры, свойств и принципов их определяющих, следует отметить также использование аморфных сплавов для создания сложных композиционных структур, сочетающих в себе лучшие черты кристаллических и некристаллических материалов и обладающих уникальным комплексом физических свойств. Классическим примером являются магнитно-мягкие сплавы с аморфной или аморфно-нанокристаллической  структурой в виде лент, микропроводов и др.  Недавно появился новый класс некристаллических металлических материалов – наностекла с необычной комбинацией свойств.
    Можно полностью согласиться с Д.В. Лузгиным в том, что такие материалы могут привести к появлению новых революционных технологий. Рассматриваемые материалы являются прекрасным полигоном для установления физических закономерностей создания новых материалов.
    Эту реплику поддерживают: Лузгин Дмитрий
  • Хочу искренне поблагодарить Дмитрия Валентиновича Лузгина за прекрасное эссе, посвященное настоящему и будущему аморфных сплавов. Аморфное состояние металлических сплавов – необычное и пока что малоизученное состояние твердого тела. За короткий период своего существования с середины 60-х годов прошлого столетия аморфные сплавы успели пережить два «пика популярности». Первый связан с получением длинномерных ленточных образцов толщиной 30-50 мкм и шириной до 250 мм, обладающих уникальными магнитными и механическими свойствами, в ряде случаев заметно превосходящими аналогичные характеристики кристаллов. Второй «пик популярности», о котором подробно рассказывает в своем обзоре проф.  Лузгин, связан с получением объемных аморфных сплавов с высокой стеклообразующей способностью. Сейчас, я надеюсь, благодаря пионерским работам Д.В. Лузгина, Е.А. Левашева, Д.В. Штанского, С.Д. Калошкина и других российских и зарубежных исследователей, мы находимся в начале третьего «пика популярности», связанного с созданием перспективных аморфно-кристаллических композиционных материалов.
         Я во многом согласен с идеями, высказанными Дмитрием Валентиновичем,
    но есть и ряд дискуссионных тем, которые я хотел бы обсудить. В своем эссе проф. Лузгин полагает, что аморфные сплавы обладают ограниченной пластичностью, связанной исключительно с малым числом формирующихся полос сдвига, возникающих при приложении внешней нагрузки. Это действительно так, поскольку нам удалось продеформировать при комнатной температуре аморфные сплавы на основе железа, кобальта и титана на сотни и даже тысячи процентов путем реализации мегапластической (severe) деформации в камере Бриджмена. При этом мы наблюдали эффект делокализации полос сдвига, которые на определенной стадии деформации реализовали «тонкое» скольжение по всему объему образца [1]. Но в то же время, по-моему, нельзя связывать склонность к пластическому течению только со способностью к размножению полос сдвига. Хочу напомнить о блестящем эксперименте Х.Кимуры и Т.Масумото [2], которые показали на примере палладиевого объемного аморфного сплава, что вязко – хрупкий переход релаксационной природы обусловлен резким снижением напряжения микроразрушения, то есть склонностью к образованию квазихрупких трещин.
         Важная проблема, которая была затронута проф. Лузгиным – «омолаживание» аморфных сплавов. Я бы сформулировал ее несколько иначе – продление активной «жизни» аморфных сплавов, которые, как известно, обладают сильно неравновесной структурой и, следовательно, демонстрируют нежелательное свойство деградировать при длительных температурно – временных воздействиях. В своей монографии [3] мы постарались детально затронуть эту проблему и предложили несколько возможных путей хотя бы частичного преодоления эффекта «старения» аморфных сплавов (отжиг по напряжением, закалка в область криогенных температур, обработка ультразвуком). Хотел бы обратить внимание на недавние очень интересные и весьма обнадеживающие результаты, полученные Е.А. Левашевым и Д.В. Штанским с их учениками, в которых получены устойчивые высокотемпературные покрытия, содержащие аморфную фазу на основе Si-C-N и графитоподобного углерода [4]. По всей видимости, высокая температурная стабильность этой фазы обусловлена, помимо всего прочего, ковалентным, а не металлическим, доминирующим характером межатомной связи.
        Я полностью согласен с утверждением Д.В. Лузгина о том, что будущее эффективное использование аморфного состояния заключается в создании аморфно – кристаллических композитов. Эти две фазы, во многом различные по своей природе и по своим свойствам, могут создать и уже создают уникальное сочетание физико-механических свойств [5]. Достаточно напомнить, что широко востребованный промышленностью магнитно-мягкий сплав «Файнмет», не имеющий кристаллических аналогов, является по существу аморфно - нанокристаллическим (80 об.% нанокристаллов и 20 об.% аморфной фазы). Во истину, как у А.С.Пушкина в «Евгении Онегине»: «Они сошлись. Волна и камень, стихи и проза, лед и пламень…».
         И еще одно соображение. Многочисленные новые структурные состояния, включая аморфные, могут быть созданы при экстремальных воздействиях: закалка из расплава, мегапластическая деформация, лазерная обработка и т.п. У нас возникла идея объединить вышеупомянутые (и ряд других) экстремальные воздействия и «выстроить» их в единую технологическую цепочку, что должно привести к качественно иным структурным состояниям и, следовательно, к новым функциональным свойствам металлических материалов. Отдельные двойные, тройные и даже четверные звенья этой цепочки уже были нами реализованы [6]. Так, например, сочетание закалки из расплава и мегапластической деформации привело к созданию многофункциональных высокопрочных магнитно-мягких аморфных сплавов нового поколения. Мы назвали такой подход «методом комплексных экстремальных воздействий» и полагаем, что он весьма перспективен для многих задач. В частности для создания уникальных градиентных материалов.
        Еще раз благодарю проф. Д.В. Лузгина за блестящий обзор и надеюсь на продолжение этой весьма плодотворной дискуссии.

    1. Глезер А.М., Плотникова М.Р., Сундеев Р.В. Самоблокировка полос сдвига и делокализация пластического течения в аморфных сплавах при мегапластической деформации.// Известия РАН, сер. физич. 2013. Т. 77. № 11. С. 1687-1692.
    2.  Кимура Х., Масумото Т. Прочность, пластичность и вязкость – рассмотрение в рамках механики деформации и разрушения.// В кн.: Аморфные металлические сплавы. – М.: Металлургия, 1987. С.183-221.
    3. Глезер А.М., Потекаев А.И., Черетаева А.О. Температурно-временная стабильность аморфных сплавов.- Томск: НТЛ, 2015. 192 с.
    4.  Shtansky D.V., Kuptsov K.A. et.al.// High thermal stability of Ti-Al-Si-C-N coatings with “comb” like nanocomposite structure // Surface and Coatings Technology. 2012. V.206. No 23. P. 4840-4849.
    5.  Глезер А.М., Шурыгина Н.А. Аморфно – нанокристаллические сплавы. – М.: Физматлит, 2013. 450 с.
    6.  Глезер А.М. Принципы создания многофункциональных конструкционных материалов нового поколения.// Успехи Физических Наук. 2012. Т. 182. № 5. С. 559-566.
    Эту реплику поддерживают: Лузгин Дмитрий, Сергей Дмитриевич Калошкин , Уваров Роман
  • Я премного благодарен всем коллегам, кто откликнулся комментариями на данную публикацию за слова поддержки и полезные критические замечания.
    Согласен с замечанием Др-а Петржика о высокой роли российских ученых в создании ОМС на основе циркония и их совместных работах с Евгением Александровичем.
    По поводу размножения полос сдвига в ОМС, как правильно заметил Александр Маркович, да это легко достигается в случае деформации образцов с низким соотношением их высоты к основанию, когда активно подавляется переход к стадии скольжения в доминантной полосе сдвига. К сожалению, подавить такой переход при деформации ОМС от развития множественных полос сдвига к доминантной полосе в случае стандартных образцов уже сложнее, и тем более сложно при испытаниях на растяжение. Однако, это может быть достигнуто с использованием кристаллических включений с достаточно высокой объемной долей. Очень интересным представляется объединение экстремальных (и не только) методов воздействия в единую технологическую цепочку. Можно также использовать и классические методы обработки в сочетании.
    На хорошее замечание и вопрос Андрея могу ответить, что по таким параметрам как пластичность при комнатной температуре, модуль Вейбулла для распределения условного предела текучести, а также вязкости разрушения ОМС находятся между кристаллическими сплавами обладающими высокой вязкостью с хорошей пластичностью и керамиками значительно ближе к первым, чем к последним. Это действительно допускает использование большого количества концентраторов напряжений, например, в пористых образцах или при пескоструйной обработке поверхности. Однако важно подавить образование трещин при деформации на растяжение.
    Эту реплику поддерживают: Уваров Роман, Сергей Дмитриевич Калошкин
  • С момента открытия аморфных металлических сплавов[1] прошло более 50 лет. За эти годы было много сделано, обдумано, написано научных статей и книг, сформировались устойчивые области применения и организовано производство аморфных сплавов. Сегодня в мире производится более 100 тыс. тонн аморфных металлических материалов, и это, главным образом, магнитные материалы. Однако интерес к металлическим материалам с аморфной структурой не угасает, появляются новые области возможного применения, остаются нерешенными фундаментальные проблемы. Трудно не согласиться с автором статьи Д.В. Лузгинымо том, что интересной и перспективной областью развития исследований будут так называемые объемные аморфные сплавы (ОМС). Сегодня ясно, что аморфизация металлических систем из явления на первых порах редкого и курьезного, превращается в одно из самых закономерных, а аморфная структура вещества является одной из разновидностей твердотельного состояния, в том числе и для металлов. 
    Насколько будут востребованы уникальные механические свойства ОМС в будущем, чему уделяется большое внимание в статье, сейчас сказать трудно. Несомненно, решение проблемы хрупкости ОМС путем «омолаживания» термоциклированием [2] или предотвращением развития катострофических полос сдвига, будет этому способствовать. С точки зрения создания новых материалов на основе аморфных фаз представляется интересным использование функциональных свойств аморфных фаз, обусловленных их аморфной структурой. Это и магнитные, и особые трибологические и сверхупругие свойства, повышенная коррозионная стойкость, и, наоборот, высокая химическая каталитическая активность. Отсутствие границ зерен и возможность аморфизироваться или кристаллизоваться под действием тепловых импульсов разной интенсивности, открывает возможности использования аморфных сплавов в устройствах высокоплотной записи информации. Следующий этап развития аморфных сплавов, о чем пишет автор статьи – это применение их в качестве составных элементов функциональных композитов. Можно спроектировать материалы, для которых уже не будет так критична хрупкость аморфных фаз, их термическая нестабильность. 
    Я полностью согласен с Проф. Лузгиным в том, что тематика аморфных сплавов еще далеко не исчерпала себя, появляются новые направления, открываются новые возможности и перспективы. Период проведения широкомасштабных исследований явления аморфизации металлических систем как такового, сейчас сменился периодом детальных исследований специальных фундаментальных вопросов свойств и поведения аморфных фаз и поиском новых возможных областей их применения. 

    1. W. Klement, R. H. Willens, P. Duwez, Nature 187, (1960) 869 – 870 
    2. 2. S. V. Ketov, Y. H. Sun, S. Nachum, Z. Lu, A. Checchi, A. R. Beraldin, H. Y. Bai, W. H. Wang, D. V. Louzguine-Luzgin, M. A. Carpenter & A. L. Greer, Nature, 524, (2015) 200–203.
    Эту реплику поддерживают: Дмитрий Московских, Уваров Роман, Лузгин Дмитрий
    • Абсолютно верно. Особенно, если учитывать не только объемные образцы, то металлические стекла имеют куда более широкие области потенциального применения и как катализаторы, и как химически активные, но достаточно коррозионно устойчивые материалы: J.-Q. Wang, Y.-H. Liu, M.-W. Chen, G.-Q. Xie, D. V. Louzguine-Luzgin, A. Inoue, and J. H. Perepezko, Rapid Degradation of Azo Dye by Fe-Based Metallic Glass Powder, Advanced Functional Materials, 22, (2012), 2567. Область применения ферромагнитных металлических стекол на тонких образцах широко исследована еще с конца 80х годов прошлого века, а в настоящее время получены ферромагнитные ОМС.
  • На сегодняшний день одним из важный направлений  в области материаловедения  является разработка новых  композиционных материалов.  В работе проф. Д.В. Лузгина  кратко рассматривается возможность получения двухфазных материалов типа металлическое стекло/кристалл. По всей видимости, основным способом получения таких материалов является аморфизация сплавов с последующим выделением кристаллических фаз. Однако,  данный метод ограничивает возможность использования разрабатываемых композиционных материалов небольшими размерами получаемых аморфных заготовок.  Возможно ли использование принципиально отличных методов, таких как, например, порошковая металлургия, для получения материалов типа стекло/кристалл (например, кристаллических материалов дисперсно-упрочненных металлическими стеклами)? Способны ли металлические стекла сохранять аморфную структуру после измельчения до нано- , микро-размеров?
    • Лузгин Дмитрий Андрей Мочуговский 20.11.2015 19:18:20 Ссылка
      Да, конечно, возможно. В случае металлических стекол, с точки зрения выборки составов, значительно проще получать дисперсные порошки, чем ОМС. Многие аморфные сплавы можно получить в виде тонких лент или порошков, тогда как только отдельные составы позволяют получать толстостенные отливки типа ОМС. В последствии эти порошки можно смешивать и формовать с другими ингредиентами.
  • В обзоре Дмитрия Валентиновича представлены основные направления исследований металлических стекол, кратко и емко описаны результаты последних исследований в данной области.  В начале статьи сказано, что в определенных отраслях промышленности стали и алюминиевые сплавы вне конкуренции, но, известно, что металлические стекла на основе железа нашли свою нишу в промышленности в силу хороших магнитных свойств и высокой прочности. Могут ли металлические стекла из сплавов на основе алюминия так же производиться в промышленных масштабах? если нет, то почему?
    • Лузгин Дмитрий Эржена Занаева 20.11.2015 19:11:21 Ссылка
      К сожалению, ОМС на основе алюминия пока получено не было, если не считать отдельных образцов толщиной порядка 1 мм. К сожалению, это связано с формированием тугоплавких соединений с редкоземельными металлами, которые, тем не менее, являются одними из лучших стеклообразователей для алюминия (в области малых концентраций до 10 at.%). В то же время, отсутствие тугоплавких соединений магния с редкоземельными металлами позволило получить ОМС Mg-Y-Cu. И тем не менее история науки учит нас, что невозможное вчера становится реальным сегодня при использовании нестандартных подходов и новаторских идей молодого поколения.
      Кстати, Эржена является автором видеоролика с «прыгающим слитком», за что я выражаю ей свою благодарность.
  • Хочется поблагодарить проф. Д.В. Лузгина за представленную работу. Известно, что выше температуры расстеклования аморфные стекла могут проявлять повышенную пластичность. Однако, при повышенных температурах стекла могут окисляться, что может быть принципиально важно для тонких аморфных металлических лент. Какие добавки в металлических стеклах замедляют процесс окисления? И какие стекла наименее подвержены окислению?
    • Следует отметить, что наименее подвержены окислению металлические стекла содержащие благородные металлы и те, что имеют стойкие защитные оксидные пленки. И тем не менее желательно (хотя и необязательно) использовать защитную атмосферу при формовке в области переохлажденной жидкости.
  • Присоединяюсь ко всем участникам дискуссии с  благодарностью  Дмитрию Лузгину за его экспертное мнение по объемным металлическим стеклам. Было интересно прочитать комментарии таких экспертов как Евгений Александрович Левашов, Михаил Петржик, Александр Аронин, Александр Маркович Глезер, Сергей Дмитриевич Калошкин, также приятно удивил тот факт, что в дискуссии принимали участие молодые исследователи, это, безусловно,характеризует тему как актуальную и перспективную. Интерес к теме металлических стекол у молодых исследователей является качественным отражением эффективной научной деятельности Дмитрия Лузгина в НИТУ «МИСиС». 
    Тема формирования объемных металлических стекол является достаточно дискуссионной, и я, в свою очередь, имею собственное мнение по ряду вопросов, так что дискуссию с Дмитрием Лузгиным мы продолжим при личной встрече.
Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика