Introducción: La promesa de los metales amorfos

Por décadas, la búsqueda de materiales estructurales avanzados se ha centrado en superar el intercambio entre fuerza y resistencia. Los metales cristalinos pueden ser fuertes pero a menudo frágiles, mientras que las aleaciones duras pueden carecer de alta resistencia.Introduzca gafas metálicas, también conocidas como aleaciones amorfos, que ofrecen una combinación única de alta resistencia, límite de tensión elástica (alrededor del 2%, mucho más que los metales cristalinos), y una resistencia a la corrosión.

¿Qué hace que los cristales metálicos sean únicos?

Los vidrios metálicos se producen por la aleación fundida en frío a velocidades superiores a 105-106 K/s, superando la nucleación de cristal. Este proceso bloquea los átomos en un estado desordenado y cristalino, a la estructura de vidrio de ventana pero con unión metálica.

El primer cristal metálico fue sintetizado en 1960 por Duwez y colegas de Caltech, utilizando una aleación de oro-silicon. Desde entonces, los investigadores han desarrollado una vasta familia de composiciones, incluyendo vasos metálicos masivos (BMGs) con diámetros críticos de fundición superiores a varios centímetros, como los basados en zirconio, palladio y platino. Los BMGs han abierto sistemáticamente la puerta a aplicaciones prácticas,

Propiedades clave de los cristales metálicos

  • La fuerza de alto rendimiento: A menudo 2-3 veces más fuerte que las aleaciones cristalinas correspondientes.
  • Large elastic strain limit:] ~2%, comparado con ~0.2% para metales cristalinos típicos.
  • Excelente resistencia al desgaste] y alta dureza.
  • Resistencia de corrosión superior debido a la homogeneidad química y la falta de límites de grano.
  • Proceso de forma de red cercana: puede ser formado por termoplástico formando en la región líquida supercoolida.

A pesar de estas ventajas, muchas gafas metálicas exhiben ductil de tracción limitada] a temperatura ambiente, con elongación al fracaso a menudo menos de 0,5–2%. Esta fragilidad está íntimamente vinculada a su dureza de fractura.El reto, entonces, es desarrollar composiciones de vidrio metálico y microestructuras (incluyendo composites) que simultáneamente logran alta resistencia y alta naturaleza rara.

Los fundamentos de la tosicidad de la fractura

La resistencia a la fractura de metales ()K1c) cuantifica la capacidad de un material para resistir el crecimiento de la grieta catastrófica. Se define como el factor de intensidad del estrés en el que comienza a propagarse una grieta preexistente. Para los materiales elásticos lineales, K

La estructura multimorfo influye en la iniciación de la grieta y la propagación de los metales cristalinos. En los cristales, puntas de grieta rotundas por la dislocación de la emisión y la plasticidad, absorbiendo la energía. En las gafas metálicas, la deformación plástica se concentra en banda de grieta fuerte, pero sin una correa de rendimiento.

Bandas de ojera: La clave para la tosicidad

El acoplamiento de las ojeras es el mecanismo de deformación dominante. Cuando se estrese un cristal metálico, los reordenamientos atómicos locales (STZs) se percolan para formar una banda de ojeras. La propagación y el arresto de estas bandas determinan el comportamiento de fractura. Factores que promueven la unión de múltiples olas y suprimen el husillo de banda de una sola ola aumentarán la dureza:

  • Grado libre: Las regiones de volumen atómico excesivo sirven como sitios para la activación STZ. El volumen libre más alto puede promover el acoplamiento de lana difusa, pero también puede acelerar el daño si es excesivo.
  • Estado del estrés: La restricción triaxial reduce el tamaño de la zona de plástico, lo que conduce a una fractura frágil; las condiciones de estrés del avión permiten zonas de plástico más grandes y mayor dureza.
  • Temperatura: El aumento de la temperatura aumenta la movilidad atómica, fomentando un corte más extenso y el rebote, elevando así la dureza. Algunos BMGs muestran una transición dúctil a frágil al enfriamiento.
  • Heterogeneidad convencional: La introducción de precipitados dúctiles (formando un compuesto de vidrio metálico) puede desviar o detener bandas de esquila, aumentando enormemente la resistencia.

Un avance fundamental llegó cuando los investigadores encontraron que algunos vasos metálicos monolíticos (esinglé-fase) pueden mostrar una resistencia a la fractura sorprendentemente alta.Por ejemplo, un BMG basado en platino (Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5) demostrado J1c alrededor de 107 kJ/m2, correspondiente a K

Métodos para analizar la tosicidad de la fractura

La medición precisa de la dureza de fractura en vasos metálicos exige una cuidadosa preparación de especímenes y atención a la geometría, especialmente debido a su limitada ductilidad y sensibilidad de las muescas.

1. Prueba de haz de un solo paso (SENB)

Para la cerámica de hervidor, la prueba SENB es ampliamente utilizada para vasos metálicos. Un haz rectangular con un pre-crack agudo (introducido por fatiga o por compresión controlada) se carga en curvatura de tres puntos o cuatro puntos. La curva de desplazamiento de carga se registra, y K]1c se calcula utilizando la carga máxima y la longitud de grieta, siempre que el tamaño de espécimens

2. Tensión compacta (TC) y Tensión compacta descomposición (DCT)

Estos son más complejos pero permiten la prueba de volúmenes más grandes. La fatiga pre-lavado es estándar. Se analiza el rastro de la carga-desplazamiento para determinar J1c a través del método de normalización. Los especímenes de TC son utilizados comúnmente para los BMGs dútiles.

3. Tosura de fractura de la indentación

Para pequeños especímenes o rápidamente se pueden utilizar muchas composiciones, la indentación de Vickers. Un indenter agudo crea una impresión plástica con grietas que emanan de los rincones. La longitud de la cerradura y la carga de la indentación producen una aparente dureza. Sin embargo, este método es semi-empírico y puede sobreestimar la dureza de los vasos metálicos debido a la ausencia de un pre-crack agudo y el campo residual de estrés.

4. In-Situ] Fractografía y microscopía electrónica

El examen post-mortem de las superficies de fractura mediante la microscopía electrónica de escaneo (SEM) revela características tales como patrones venosos (indicativo de falla dúctil con inestabilidad de meniscos similar a fluido) y zonas de espejo liso (característica de falla de brittle). Espectroscopía de rayos X dispersiva energética (EDS) puede evaluar efectos de la interacción de la punta de alta resolución.

Técnicas avanzadas como synchrotron X-ray tomography] durante la carga ahora permiten la visualización 3D de la propagación de crack y la evolución de la banda de corte en tiempo real, proporcionando una visión sin precedentes [2].

Avances recientes en aumentar la tosicidad de la fractura

Durante la última década, se han logrado avances significativos en el diseño de gafas metálicas con una resistencia excepcional a la fractura.

Tuning Compositional Basado en la relación de Poisson

La investigación de Lewandowski y los colaboradores establecieron una correlación entre la relación de Poisson (ν) y la dureza de fractura de los vasos metálicos. Las composiciones con ν √ √ ¢n 0.4 tienden a ser dúctil y duro, mientras que los que tienen ν ν н н н н н н н н н дерен ненененененененененененен нененененененененен неннннннннн ннннненененененен н нененененененннененннннененененннннн нннн н ннненененененннннннннннненннненннннне

Diseño microestructural: Composites de vidrio metálico

Un ejemplo de la avenida de la fractura de la β2 es introducir una segunda fase, ya sea dendritos cristalinos o partículas cerámicas, en la matriz de vidrio. Estos compuestos, a menudo llamados compuestos de vidrio metálico de la β (BMGCs), explotan la idea de la resistencia a la arquitectura.

Tratamientos termomecánicos

La extracción por debajo de la temperatura de transición de vidrio (la relajación estructural) reduce el volumen libre, la integración del vidrio. Por el contrario, la rejuvenecimiento —por procesos como la deformación plástica severa (por ejemplo, la onda fría, la torsión de alta presión) o el ciclismo criogénico— introduce el exceso de volumen libre, la multiplicación de la banda de corte y la creciente dureza.

Otro avance notable es el descubrimiento de "aumento de la tosicidad mediante cristalización controlada". Nanocrystallites (5–20 nm) dispersados en la matriz amorfa puede servir como obstáculos para la propagación de la banda de de desgarrar, mucho como los compuestos. Sin embargo, la cristalización excesiva debe ser evitada, ya que los cristales grandes conducen a la embrittlement.

Implications for Future Applications

La capacidad de ingeniería de fractura de las gafas metálicas amplía su potencial más allá de las zonas de nicho (por ejemplo, cabezas de club de golf, cajas de teléfono celular y casquillos electrónicos) en papeles estructurales exigentes:

  • Aeroespacial y defensa: Acoplamientos resistentes a la corrosión, manantiales y paneles de armadura.
  • Biomédico:] Gafas metálicas biocompatibles (por ejemplo, Mg- y Zr-basadas) para tornillos óseos, stents e instrumentos quirúrgicos, con la dureza suficiente para evitar el fracaso frágil.
  • Sistemas microelectromecánicos (MEMS)] y microgears: La resistencia al alto rendimiento y la tensión elástica los hacen ideales para componentes pequeños y muy estresados.
  • Recubrimientos de desgaste: Aplicados por rociado térmico o recubrimiento de vidrio metálico resistente pueden proteger las cuchillas de turbina y las herramientas de corte.

Cada aplicación requiere un equilibrio específico de la dureza y otras propiedades. Por ejemplo, los implantes biomédicos requieren una combinación de alta resistencia, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad, un desafío que los investigadores están encontrando al aleación con elementos no tóxicos como Ti, Nb, Ta y Zr.

Los desafíos actuales de fabricación incluyen el tamaño limitado de los BMG (espeso crítico de fundición) y el alto costo de ciertos elementos de aleación. Sin embargo, el progreso continuo en los métodos de procesamiento, como la fabricación aditiva (relanzamiento láser selectivo de polvo) y la formación termoplástica, promesas de producir piezas grandes y de forma neta con propiedades uniformes [5].

Conclusión: La carretera de cabeza

La dureza de la estructura de la estructura de la estructura de la estructura de la banda es fundamental para determinar si las gafas metálicas pasan de las curiosidades del laboratorio a materiales de ingeniería fiables. La comprensión de que la dinámica de la banda de la corteza, la relación de Poisson, el volumen libre y la heterogeneidad microestructural gobiernan la dureza ha llevado al desarrollo de composiciones y composites que rivalizan con las mejores aleciones cristalinas.

Analizando y mejorando sistemáticamente la dureza de las fracturas, no estamos mejorando un parámetro; estamos desbloqueando todo el potencial de una clase revolucionaria de materiales.

Referencias y lectura posterior

[1] Schroers, J., " Johnson, W. L. (2004). Cristal metálico dúctil a granel. Cartas de revisión física, 93(25), 255506. Link]

[2] Hufnagel, T. C., Schuh, C. A., " Falk, M. L. (2016). Deformación de las gafas metálicas: Novedades recientes en teoría, simulaciones y experimentos. Acta Materialia], 109, 375-393. ]DOI]]

[3] Hays, C. C., Kim, C. P., " Johnson, W. L. (2000). Formación de patrones de banda de corte controlado por microestructura y plasticidad mejorada de vasos metálicos a granel que contienen dispersores de fase dúctil in situ. Cartas de revisión física, 84(13), 2901. Link

[4] Ketov, S. V., et al. (2015). Rejuvenecimiento de vasos metálicos por cepa térmica no fina. Natural Communications, 6, 10485. Link]

[5] Pauly, S., et al. (2013). Procesando vasos metálicos por la fusión selectiva del láser. Materials Today, 16(1-2), 37-41. DOI]