Анализ жесткости трещины новых металлических очков

Оригинальное название: The Promise of Amorphous Metals

В течение десятилетий стремление к передовым конструкционным материалам было сосредоточено на преодолении компромисса между прочностью и прочностью. Кристаллические металлы могут быть сильными, но часто хрупкими, в то время как жесткие сплавы могут не иметь высокой прочности. Введите металлические стекла, также известные как аморфные сплавы, которые предлагают уникальную комбинацию высокой прочности, предела эластичного деформирования (около 2%, намного превышающего кристаллические металлы) и отличной коррозионной стойкости. Их неупорядоченная атомная структура, достигнутая быстрым затвердеванием из жидкого состояния, устраняет границы зерна и дислокации, типичные для кристаллов. Однако их применение в несущих компонентах было ограничено опасениями по поводу катастрофического отказа из-за ограниченной пластической деформации. Центральной проблемой является устойчивость к разрыву . Прочность материала к распространению трещин. Понимание и повышение прочности трещин в металлических стеклах, поэтому является критическим шагом к их широкому использованию в секторах, начиная от аэрокосмических до биомедицинских устройств и микроэлектромеханических систем

Что делает металлические очки уникальными?

Металлические стекла производятся путем охлаждения расплавленного сплава со скоростью, превышающей 105-106 К/с, в обход кристаллического зарождения. Этот процесс блокирует атомы в неупорядоченном, стеклообразном состоянии, аналогичном структуре оконного стекла, но с металлическим связыванием. Полученный материал проявляет изотропные свойства (одинаково во всех направлениях) и не имеет дефектов - дислокации, системы скольжения, границы зерна - которые доминируют при деформации в обычных сплавах. Вместо этого, деформация опосредуется зонами трансформации сдвига (STZs) и полосами сдвига, которые являются высоко локализованными областями пластического потока. Этот механизм объясняет как их впечатляющую прочность (часто превышающую 1,5 ГПа), так и их тенденцию к хрупкому отказу: как только полоса сдвига образуется, она может быстро распространяться, приводя к перелому с небольшим общим пластическим напряжением.

Первое металлическое стекло было синтезировано в 1960 году Дувезом и его коллегами из Caltech с использованием сплава золото-кремний. С тех пор исследователи разработали обширное семейство композиций, включающих объемные металлические стекла (БМГ) с диаметрами критического литья, превышающими несколько сантиметров, например, на основе циркония, палладия и платины.БМГ открыли дверь для практического применения, но их прочность на разрыв остается ключевой метрикой производительности, которую необходимо систематически понимать и проектировать.

Ключевые свойства металлических очков

  • Высокое выходное сопротивление: Часто в 2—3 раза сильнее соответствующих кристаллических сплавов.
  • Большой предел эластичного деформирования: ~2% по сравнению с ~0,2% для типичных кристаллических металлов.
  • Отличная износостойкость и высокая твёрдость.
  • Более высокая коррозионная стойкость из-за химической однородности и отсутствия границ зерен.
  • Обработка в форме ближайшего к сетке: может быть образована термопластичным образованием в области переохлажденной жидкости.

Несмотря на эти преимущества, многие металлические стекла демонстрируют ограниченную прочность на растяжение при комнатной температуре, с удлинением до отказа часто менее 0,5-2 %. Эта хрупкость тесно связана с их прочностью на разрыв. Таким образом, задача состоит в разработке композиций и микроструктур металлического стекла (включая композиты), которые одновременно достигают высокой прочности и высокой прочности - комбинация, редкая в природе.

Основы жесткости перелома

Прочность на разрыв (]K1c) количественно определяет способность материала противостоять катастрофическому росту трещин. Он определяется как фактор интенсивности напряжения, при котором начинает распространяться ранее существовавшая трещина. K1c является не зависящим от геометрии свойством. Для металлических стекол, которые часто проявляют некоторую пластичность вблизи наконечника трещины, иногда используются параметры механики упругих пластических трещин, такие как J1c (J-интегральное) или смещение открывания трещины (CTOD). Прочность на разрыв металлических стекол может широко варьироваться от значений до 2 МПаГм (для очень хрупких композиций) до более 100 МПаГм (для некоторых пластичных композитов BMG), конкурируя с высокопроизводительными кристаллическими сплавами, такими как высокопрочные алюминиевые и титановые сплавы.

Аморфная структура влияет на инициирование и распространение трещин способами, отличными от кристаллических металлов. В кристаллах кончики трещины тупеют через дислокационное излучение и пластичность, поглощая энергию. В металлических стеклах пластическая деформация концентрируется в полосах сдвига полосы сдвига . Полоса сдвига представляет собой тонкую (10-100 нм) зону интенсивного сдвига, эквивалентную поверхности сдвига, но без упрочнения работы. Если полоса сдвига может распространяться устойчиво, она может вместить существенный пластический штамм до разрушения; если она быстро локализуется в трещину, жесткость слома низкая. Прочность слома металлических стекол, следовательно, регулируется конкуренцией между умножением полосы сдвига или разветвлением и нестабильностью полосы сдвига.

Оригинальное название: Shear Bands: The Key to Toughness

При ударе металлического стекла локальные атомные перегруппировки (STZ) просачиваются, образуя полосу сдвига. Распространение и остановка этих полос определяют поведение перелома. Факторы, способствующие множественной полосе сдвига и подавляющие бегство в одну полосу сдвига, усиливают прочность:

  • Свободный объем: Области избыточного атомного объема служат площадками для активации STZ. Более высокий свободный объем может способствовать диффузному сдвиганию, но также может ускорить повреждение, если он чрезмерный.
  • Стрессовое состояние: Трехосное ограничение уменьшает размер пластиковой зоны, что приводит к хрупкому перелому; условия плоского напряжения позволяют увеличить пластиковые зоны и повысить вязкость.
  • Температура: Повышение температуры повышает подвижность атомов, поощряя более обширную полосу сдвига и притупление, тем самым повышая вязкость. Некоторые БМГ демонстрируют переход от пластичной к хрупкой при охлаждении.
  • Композиционная неоднородность: Введение проходимых осадков (формирование металлического стеклянного композита) может отклонять или задерживать полосы сдвига, значительно увеличивая прочность.

Фундаментальный прорыв произошел, когда исследователи обнаружили, что некоторые монолитные (однофазные) металлические стекла могут демонстрировать удивительно высокую прочность на разрыв. Например, BMG на основе платины (Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5) продемонстрировал J1c около 107 кДж/м2, что соответствует K1c, превышающий 80 МПа√м. Это было связано с высоким соотношением Пуассона (ν > 0,4) и сильной склонностью к умножению полосы сдвига, а не перелома [1]. Такие открытия стимулировали новые стратегии проектирования.

Методы анализа жесткости перелома

Точные измерения прочности на разрыв в металлических стеклах требуют тщательной подготовки образца и внимания к геометрии, особенно из-за их ограниченной пластичности и чувствительности к выемке. Общие стандартизированные тесты включают:

1. Испытание одногранного засечённого луча (SENB)

Первоначальный для хрупкой керамики тест SENB широко используется для металлических стекол. Прямоугольный луч с резким претреском (введенный усталостью или контролируемым сжатием) загружается в трехточечном или четырехточечном изгибе. Записывается кривая смещения нагрузки и K1c рассчитывается с использованием пиковой нагрузки и длины трещины при условии, что образец удовлетворяет требованиям к размеру для условий деформации плоскости. Для металлических стекол с высокой прочностью необходимы более крупные образцы для поддержания действительного деформации плоскости; в противном случае результаты отражают напряжение плоскости или поведение смешанного режима.

2. Компактное напряжение (КТ) и дискообразное компактное напряжение (ДКТ)

Они более сложны, но позволяют проводить испытания больших объемов. Усталость предварительного взлома является стандартной. След перемещения нагрузки анализируется для определения J1c с помощью метода нормализации. КТ-образцы обычно используются для пластичных БМГ.

3. Жесткость разрыва углубления

Для мелких экземпляров или быстрого скрининга многих композиций может использоваться викерсная вмятина. Резкий вмятин создает пластиковое впечатление с трещинами, исходящими из углов. Длина крэка и вдавленная нагрузка дают кажущуюся прочность. Однако этот способ полуэмпиричен и может переоценивать прочность металлических стекол из-за отсутствия резкого претрека и поля остаточного напряжения. Тем не менее, он является полезным сравнительным инструментом.

4. In-Situ Фрактография и электронная микроскопия

Послесмертное исследование поверхностей переломов с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) выявляет характерные особенности, такие как паттерны вен (свидетельствующие о проходимом отказе с жидкостной нестабильностью мениска) и зоны гладкого зеркала (характерные для хрупкого отказа). Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) может оценивать композиционные эффекты. Передающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM) вблизи наконечника трещины может выявлять нанопустое образование и взаимодействия сдвига.

Передовые методы, такие как синхротронная рентгеновская томография во время загрузки, теперь позволяют визуализировать 3D распространение трещин и эволюцию полосы сдвига в реальном времени, обеспечивая беспрецедентное понимание [2].

Последние достижения в повышении жесткости перелома

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в разработке металлических стекол с исключительной прочностью на разрыв. Доминируют три стратегии:

Композиционная настройка на основе соотношения Пуассона

Исследования Левандовского и его коллег установили корреляцию между отношением Пуассона (ν) и прочностью на разрыв металлических стекол. Композиции с ν > 0,4 имеют тенденцию быть пластичными и жесткими, в то время как композиции с ν < 0,33 являются хрупкими. Это эмпирическое правило привело к разработке новых сплавов, таких как высокопрочный Pt-базированный BMG, упомянутый ранее. Легирующие элементы, которые уменьшают модуль сдвига относительно модуля объема, способствуют высокому соотношению Пуассона. Например, добавление благородных металлов (Pt, Pd, Au) или некоторых переходных металлов может повысить прочность, хотя и по более высокой цене.

Микроструктурный дизайн: композиты из металлического стекла

Один из наиболее эффективных способов повышения прочности на разрыв - ввести вторую фазу - либо ковкие кристаллические дендриты, либо керамические частицы - в стеклянную матрицу. Эти композиты, часто называемые , целлюлозные металлические стеклянные композиты (BMGCs) , используют идею «архитектурной» прочности. Кристаллическая фаза останавливает полосы сдвига, вынуждая разветвляющиеся и делокализующие пластические деформации. Классическим примером является BMG-композит на основе Zr (Vitreloy 1 + β-фазные дендриты), разработанный Хейсом, Кимом и Джонсоном, который показал растягивающую пластичность до 10% и J 1c, превосходящий 100 кДж / м2 [3]. Такие композиты теперь достигают прочности на разрыв, сравнимой с коваными алюминиевыми сплавами, открывая проспекты для структурных применений.

Термомеханические обработки

Отжиг ниже температуры стеклования (структурная релаксация) уменьшает свободный объем, оживляя стекло. И наоборот, омоложение - посредством таких процессов, как тяжелая пластическая деформация (например, холодная прокатка, кручение под высоким давлением) или криогенная езда на велосипеде - вводит избыточный свободный объем, способствуя размножению полосы сдвига и увеличению вязкости. Исследования показали, что криогенная тепловая езда на велосипеде (попеременное погружение в жидкий азот и воду) может повысить вязкость переломов некоторых БМГ до 40% [4]. Это многообещающий, недорогой маршрут.

Другим заметным достижением является открытие «усиления жесткости путем контролируемой кристаллизации» . Нанокристаллиты (5-20 нм), диспергированные в аморфной матрице, могут служить препятствиями для распространения полос сдвига, как и композиты. Однако следует избегать чрезмерной кристаллизации, поскольку большие кристаллы приводят к хрупкости.

Последствия для будущих приложений

Способность создавать прочность на разрыв в металлических очках расширяет их потенциал за пределами нишевых областей (например, головок гольф-клубов, корпусов мобильных телефонов и электронных корпусов) в требовательных структурных ролях:

  • Аэрокосмическая и оборонная: Легкие, высокопрочные и коррозионно-стойкие крепежи, пружины и панели брони.
  • Биомедицинские: Биосовместимые металлические стекла (например, на основе Mg- и Zr) для костных винтов, стентов и хирургических инструментов, с достаточной прочностью, чтобы избежать хрупкого отказа.
  • Микроэлектромеханические системы (MEMS) и микронагрузки: высокая прочность на выходе и эластичность делают их идеальными для крошечных, сильно напряженных компонентов.
  • Носить покрытия: Применяемые термическим распылением или распылением, жесткие металлические стеклянные покрытия могут защитить лопасти турбины и режущие инструменты.

Каждое приложение требует определенного баланса прочности и других свойств. Например, биомедицинские имплантаты требуют сочетания высокой прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости — проблема, с которой сталкиваются исследователи, легируя нетоксичными элементами, такими как Ti, Nb, Ta и Zr.

Текущие производственные проблемы включают ограниченный размер БМГ (критическая толщина литья) и высокую стоимость некоторых легирующих элементов. Однако непрерывный прогресс в методах обработки, таких как аддитивное производство (селективное лазерное плавление порошка) и термопластичное образование, обещает производить большие детали нетто-формы с однородными свойствами [5].

Оригинальное название: The Road Ahead

Прочность разрыва является ключевым свойством, которое определит, будет ли переход металлических стекол от лабораторных любопытств к надежным инженерным материалам. Понимание того, что динамика полосы сдвига, соотношение Пуассона, свободный объем и микроструктурная неоднородность управляют жесткостью, привело к разработке композиций и композитов, которые конкурируют с лучшими кристаллическими сплавами. Продолжение исследований, особенно в атомных механизмах остановки полосы сдвига, роль порядка короткого расстояния и эффекты истории обработки, еще больше расширит пространство проектирования. С передовыми инструментами характеристики и вычислительным моделированием (например, молекулярная динамика и машинное обучение), будущее обещает металлические стекла, адаптированные для экстремальной прочности, что позволяет легковесные, прочные и коррозионно-стойкие структуры, которые когда-то считались невозможными.

Систематически анализируя и усиливая прочность трещин, мы не просто улучшаем параметр, мы раскрываем весь потенциал революционного класса материалов.

Ссылки и дальнейшее чтение

[1] Schroers, J., & Johnson, W. L. (2004). Дюктильное объемное металлическое стекло. Письма по физике, 93(25), 255506. Ссылка

[2] Hufnagel, T.C., Schuh, C.A., & Falk, M.L. (2016). Деформация металлических стекол: Последние разработки в теории, моделирования и экспериментов. Acta Materialia, 109, 375-393. DOI

[3] Hays, C.C., Kim, C.P., & Johnson, W.L. (2000). Микроструктура контролировала формирование рисунка сдвига и повышенную пластичность объемных металлических стекол, содержащих in situ образованные пластичные дисперсии фазового дендрита. Письма к физическому обзору , 84(13), 2901. Ссылка

[4] Ketov, S.V., et al. (2015). Омоложение металлических стекол неаффинным термическим напряжением. Nature Communications, 6, 10485. Link

[5] Pauly, S., et al. (2013). Обработка металлических стекол селективным лазерным плавлением. Materials Today, 16(1-2), 37-41. DOI