Introduzione: Promessa dei metalli amorfi

Per decenni, la ricerca di materiali strutturali avanzati si è concentrata sul superamento del commercio tra resistenza e resistenza.I metalli cristallini possono essere forti ma spesso fragili, mentre leghe dure possono mancare ad alta resistenza.Immettere occhiali metallici - anche conosciuti come leghe amorfe - che offrono una combinazione unica di alta resistenza, limite di sforzo elastico (circa il 2%, superando i metalli cristallini), e l'eccellente resistenza alla corrosione.

Cosa rende unici i vetri metallici?

Gli occhiali metallici sono prodotti dal raffreddamento della lega fusa a tassi superiori a 105–106 K/s, bypassando la nucleazione di cristallo. Questo processo blocca gli atomi in uno stato disordinato e vetrato, analogo alla struttura del vetro di finestra ma con lega metallica.

Il primo vetro metallico è stato sintetizzato nel 1960 da Duwez e colleghi di Caltech, utilizzando una lega di oro-silicio. Da allora, i ricercatori hanno sviluppato una vasta famiglia di composizioni, tra cui vetri metallici in massa (BMG) con diametri critici di colata che superano diversi centimetri, come quelli basati su zirconio, palladio e platino.

Proprietà chiave di occhiali metallici

  • Alta resistenza alla resa:[] Spesso 2–3 volte più forte delle corrispondenti leghe cristalline.
  • L'eccellente limite di ceppo elastico:[ ~2%, rispetto al ~0,2% per i metalli cristallini tipici.
  • Eccellente resistenza all'usura[ e alta durezza.
  • Superior corrosione resistenza[] a causa dell'omogeneità chimica e della mancanza di confini del grano.
  • Near-net-shape processing:[] può essere formato da termoplastico che forma nella regione liquida supercooled.

Nonostante questi vantaggi, molti vetri metallici mostrano duttilità limitata di trazione[[] a temperatura ambiente, con allungamento a guasto spesso inferiore allo 0,5–2%. Questa fragilità è intimamente legata alla loro resistenza alla frattura. La sfida, quindi, è quella di sviluppare composizioni di vetro metallico e microstrutture (compresi i compositi) che contemporaneamente raggiungono alta resistenza e alta resistenza—una combinazione di natura rara.

I Fondamenti della Tossezza Frattura

La resistenza del frattura (K1c) quantfica la capacità di un materiale di resistere alla crescita della crepa catastrofica. È definito come il fattore di intensità dello stress a cui una crepa preesistente inizia a propagarsi.

La struttura amorfante influenza l'iniziazione e la propagazione della crepa in modi diversi dai metalli cristallini. Nei cristalli, le punte di crepa sfumano attraverso l'emissione di dislocazione e la plasticità, assorbendo l'energia. In occhiali metallici, la deformazione si concentra in bande di taglio rapidamente, ma la banda di taglio è una sottile zona di cesoia metallica.

Bande di taglio: La chiave per la resistenza

Quando un vetro metallico è stressato, i riarrangiamenti atomici locali (STZ) percolato per formare una banda di taglio. La propagazione e l'arresto di queste bande determinano il comportamento della frattura. Fattori che promuovono la bandetura multipla e sopprimano il runaway a banda singola aumentano la durezza:

  • Volume libero:[[]] Le regioni di volume atomico in eccesso servono come siti per l'attivazione di STZ. Il volume libero più alto può promuovere la banda di taglio diffusa, ma può anche accelerare i danni se eccessiva.
  • Stato di resistenza:[ Il vincolo triassiale riduce la dimensione della zona di plastica, portando alla frattura fragile; le condizioni di stress aereo consentono zone di plastica più grandi e una maggiore resistenza.
  • Temperatura:[[] Aumentare la temperatura aumenta la mobilità atomica, incoraggiando una più estesa fasciatura delle cesoie e sfocatura, aumentando così la durezza.
  • L'eterogeneità compositiva:[] L'introduzione di precipitati duttili (formando un composito di vetro metallico) può deflettare o arrestare le bande di taglio, aumentando notevolmente la durezza.

Una svolta fondamentale è arrivata quando i ricercatori hanno scoperto che alcuni occhiali monolitici (singola fase) metallici possono mostrare sorprendentemente alta resistenza alla frattura. Ad esempio, un BMG basato su platino (Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5) ha dimostrato J)] 1c circa 107 kJ/m2, corrispondente a K[FFFFFFFFFFFFF]

Metodi per l'analisi della resistenza alla frattura

La misurazione accurata della resistenza alla frattura in vetri metallici richiede un'attenta preparazione del campione e un'attenzione alla geometria, soprattutto a causa della loro limitata duttilità e sensibilità alla tacca.

1. Test di fascio di fascio di angolazione (SENB)

Il test SENB è ampiamente utilizzato per gli occhiali metallici. Un fascio rettangolare con un pre-crack affilato (introdotto da fatica o da compressione controllata) viene caricato in flessione a tre punti o a quattro punti. La curva di spostamento del carico è registrata e K]]1c è calcolata utilizzando il carico di picco e la lunghezza di crepa, a condizione che i campioni di tensione di superficie di superficie di superficie di superficie di elaborazione

2. Tensione compatta (CT) e Tensione compatta con trasmissione disco (DCT)

Questi sono più complessi ma permettono di testare i volumi più grandi. Fatigue pre-cracking è standard. La traccia di spostamento del carico viene analizzata per determinare J1c tramite il metodo di normalizzazione. I campioni CT sono comunemente utilizzati per BMG duttili.

3. Resistenza alla frattura di inserimento

Per i piccoli esemplari o per la rapida proiezione di molte composizioni, si può usare l'indentazione Vickers. Un indentatore affilato crea un'impressione di plastica con crepe che emanano dagli angoli. La lunghezza del collo e il carico di indentazione producono una durezza apparente. Tuttavia, questo metodo è semi-empirical e può sopravvalutare la durezza per gli occhiali metallici a causa dell'assenza di un pre-crack tagliente e del campo di stress residuo.

4. In-Situ[ Frattografia e microscopia elettronica

L'esame post-mortem delle superfici fratturate mediante microscopia elettronica di scansione (SEM) rivela caratteristiche caratteristiche come i modelli di vena (indicativo di guasto duttile con instabilità meniscus fluida) e le zone a specchio lisce (caratteristico di rottura fragile).

Tecniche avanzate come synchrotron X-ray tomography[ durante il caricamento permettono ora la visualizzazione 3D della propagazione della crepa e l'evoluzione della banda di taglio in tempo reale, fornendo una visione senza precedenti [2].

Avanzamenti recenti nel migliorare la resistenza della frattura

Nel corso degli ultimi dieci anni, sono stati fatti progressi significativi nella progettazione di occhiali metallici con una resistenza eccezionale alla frattura.

Tuning compositivo basato sul rapporto di Poisson

La ricerca di Lewandowski e co-lavoratori hanno stabilito una correlazione tra il rapporto di Poisson (ν) e la resistenza alla frattura dei vetri metallici. Le composizioni con / > 0.4 tendono ad essere duttile e resistente, mentre quelle con / < 0.33 sono fragili. Questa regola empirica ha guidato lo sviluppo di nuove leghe, come ad esempio l'alta tosse Pt-based motid BMG accennato in precedenza.

Design microstrutturale: compositi in vetro metallico

Una tale tenacia di frattura è quella di introdurre una seconda fase, sia dendriti cristallini duttili che particelle ceramiche, nella matrice di vetro. Questi compositi, spesso chiamati bulk compositi di vetro (BMGCs), sfruttano l'idea di "architettura" tenacità.

Trattamenti termomeccanici

L'annealamento sotto la temperatura di transizione del vetro (rilassamento strutturale) riduce il volume libero, embritling del vetro. Al contrario, ringiovanimento—da processi come la deformazione plastica grave (ad esempio, laminazione a freddo, torsione ad alta pressione) o il ciclismo criogenico — introduce il volume libero in eccesso, promuovendo la moltiplicazione della banda di taglio e l'aumento della tenacità.

Un altro importante progresso è la scoperta di “il miglioramento della tosse mediante cristallizzazione controllata”[. Nanocrystallites (5-20 nm) dispersi nella matrice amorfa può servire come ostacoli alla propagazione della banda di taglio, molto simile ai compositi. Tuttavia, la cristallizzazione eccessiva deve essere evitata, come grandi cristalli portano all’embrittlement.

Implicazioni per applicazioni future

La capacità di ingegnere della resistenza alla frattura in vetri metallici espande il loro potenziale oltre le aree di nicchia (ad esempio, teste di golf club, casse del telefono cellulare e involucri elettronici) in ruoli strutturali esigenti:

  • Aerospaziale e difesa:[ Leggero, ad alta resistenza e anti corrosione elementi di fissaggio, molle e pannelli di armatura.
  • Biocompatibile bicchieri metallici (ad esempio, Mg- e Zr-based) per viti ossee, stenti e strumenti chirurgici, con una durezza sufficiente per evitare l'insufficienza fragile.
  • Sistemi meccanici (MEMS) e microgears: elevata resistenza alla resa e tensione elastica li rendono ideali per componenti piccoli e altamente stressati.
  • Rivestimenti di usura:[] Applicati con spray termico o sputtering, i rivestimenti di vetro metallico duro possono proteggere le pale e gli strumenti di taglio della turbina.

Ogni applicazione richiede un equilibrio specifico di tenacità e altre proprietà. Ad esempio, gli impianti biomedici richiedono una combinazione di elevata resistenza alla corrosione, e biocompatibilità, una sfida che i ricercatori stanno incontrando legando con elementi atossici come Ti, Nb, Ta e Zr.

Le attuali sfide di produzione includono la dimensione limitata di BMG (spessore critico del getto) e l'alto costo di alcuni elementi leganti. Tuttavia, il continuo progresso nei metodi di lavorazione, come additive manufacturing (fusione laser selettiva di polvere) e termoplastica formatura, promette di produrre parti di grandi dimensioni, net-shape con proprietà uniformi [5].

Conclusione: La strada principale

La resistenza alla frattura è la proprietà cardine che determinerà se i vetri metallici passano dalle curiosità di laboratorio ai materiali di ingegneria affidabili. La comprensione che le dinamiche della banda, il rapporto di Poisson, il volume libero e l'eterogeneità microstrutturale governano la tenacità ha portato allo sviluppo di composizioni e compositi che rivaleggiano con le migliori leghe cristalline.

Analizzando sistematicamente e migliorando la durezza della frattura, non stiamo solo migliorando un parametro; stiamo sbloccando il pieno potenziale di una classe rivoluzionaria di materiali.

Riferimenti e Ulteriori letture

[1] Schroers, J., & Johnson, W. L. (2004). Vetro metallico a rinfuse duttile. Lettere di revisione psichiatrica, 93(25), 255506. Link]]]

[2] Hufnagel, T. C., Schuh, C. A., & Falk, M. L. (2016). Deformazione degli occhiali metallici: recenti sviluppi in teoria, simulazioni e esperimenti. Acta Materialia[, 109, 375-393. Dò]]]

[3] Hays, C. C., Kim, C. P., & Johnson, W. L. (2000). Microstruttura controllata formazione di pattern a banda di taglio e maggiore plasticità di vetri metallici di rinfusa contenenti in situ formate dispersioni dendrite di fase duttile. Lettere di recensione psichiatrica, 84(13), 2901. Link[F][F][F]

[4] Ketov, S. V., et al. (2015). Rinunziamento di vetri metallici da ceppo termico non-affino. Comunicazioni in caratteri[, 6, 10485. Link]]

[5] Pauly, S., et al. (2013). Lavorazione di occhiali metallici mediante fusione laser selettiva. Materials Today, 16(1-2), 37-41. DOI]