🐟 🚴🏿 👨🏻‍🍳 رأي خبير: مستقبل النظارات المعدنية 🕦 ❕ 🎮

اليوم سنخبركم عن مستقبل النظارات المعدنية. للقيام بذلك ، لجأنا إلى عالمنا الرائد ، والخبير الدولي في مجال النظارات المعدنية السائبة ، وطبيب العلوم التقنية ، وأستاذ في جامعة توهوكو / اليابان ، وكبير الباحثين ، ورئيس مختبر معهد أبحاث المواد المتقدمة ومدير المشروع مواد معدنية من مرحلتين ميتاستابل ذات قوة محددة عالية في NITU "MISiS" - إلى ديمتري Valentinovich Luzgin .

لا يحتوي هذا المشروع على نظائر سواء في روسيا أو في الخارج ، نظرًا للطبيعة الواسعة للبحوث ومجموعة الخصائص التي تمت دراستها وأنواع المواد المستخدمة. يتم تأكيد كفاءة العالم من خلال مقالات علمية في مجلات مثلالطبيعة ، مقياس النانو ، Acta Materialia ، المواد الوظيفية المتقدمة ، التقارير العلمية ، رسائل الفيزياء التطبيقية ، وكذلك مراجعات الأقران في Nature Communications ، Acta Materialia ، رسائل الفيزياء التطبيقية ، مجلة أبحاث المواد ، علوم وهندسة المواد ، مجلة المواد الصلبة غير البلورية ، مجلة علم المواد.

قصة علمية رائعة عن الفولاذ والسبائك في انتظارك! في رأيه الخبير ، يناقش دميتري فالنتينوفيتش مستقبل النظارات المعدنية وتطبيقاتها وطرق تحسين خواصها الميكانيكية وآفاق استخدامها في مجالات محددة.

النسخة الكاملة من الرسوم المتحركة مع وصف في نهاية المنشور.

... , ,
. / ,
«»

منذ نهاية القرن الماضي ، توفر العديد من الدراسات التجريبية والنظرية التي أجراها العلماء تحسينًا صغيرًا في مجمع الخصائص الميكانيكية للسبائك المعدنية (خاصةً: لكل وحدة كتلة) باستخدام الطرق الكلاسيكية: تصلب المحلول الصلب ، والتصلب ، والشيخوخة ، وتشوه البلاستيك ، والتليين ، وما إلى ذلك. . وإذا كانت الهندسة الثقيلة ، وبناء السفن (باستثناء القوارب الصغيرة) ، فإن صناعة السيارات ، وسبائك الصلب والألومنيوم ستكون خارج المنافسة ، في معدات الطيران المدني والرياضية ، يتم استبدال المعادن بشكل كبير بمواد مركبة غير معدنية. على سبيل المثال ، يتم تصنيع طائرة بوينج 787 بشكل رئيسي من مركبات البوليمر المقواة بألياف الكربون (50٪ بالوزن ، مقارنة بـ 12٪ في طائرة بوينج 777) [1].تم استبدال المعادن التقليدية بشكل كبير بمركبات ذات قوة محددة أعلى ، وانخفضت حصة سبائك الألومنيوم إلى 20 ٪ (مقابل 50 ٪ في بوينج 777).
تعد الأساليب الجديدة الأساسية لإنتاج ومعالجة السبائك ضرورية لإنشاء جيل جديد من المواد المعدنية الهيكلية والوظيفية.

تصلب سبائك المعادن الصناعية لتشكيل هيكل بلوري حتى عند معدلات تبريد عالية. يتطلب تحضير سبائك معدنية غير متبلورة / زجاجية (أو زجاج معدني) ، بما في ذلك المعادن النقية ، معدلات تبريد عالية للغاية ، على سبيل المثال ، عندما يتم رش الأغشية الرقيقة على ركيزة مبردة من المرحلة الغازية [2]. إن رش المعادن النقية في قطرات النانو لا يؤدي فقط إلى معدلات تبريد عالية ، ولكن أيضًا إلى احتمال منخفض لظهور نواة حرجة من المرحلة البلورية في حجم النانو [3].

تم الحصول على سبائك ذات ميل أعلى إلى التزجيج ، تسمى قدرة تشكيل الزجاج ، عادة من تكوين eutectic ، منذ الستينيات من القرن الماضي عن طريق التبريد السريع للذوبان بسرعات تصل إلى 1 MK / s لكل قرص نحاسي دوار أو عن طريق ضغط قطرة من الذوبان بين طائرتين معدنيتين [ 4]. في هذه الحالة ، تخضع السبائك المعدنية باستمرار لحالة زجاجية عند التبريد وتخضع للتحول العكسي عند التسخين اللاحق بمعدل تسخين مرتفع بما فيه الكفاية.

في السبعينيات من القرن الماضي ، تم الحصول على أول المسبوكات الماكروسكوبية لسبائك البلاديوم غير المتبلور بحجم يصل إلى 1 مم في كل من الأبعاد المكانية الثلاثة ، والتي سميت فيما بعد بالكؤوس المعدنية السائبة [5]. تم الحصول على عينات أكثر ضخامة في الثمانينيات بعد معالجة الانصهار للذوبان ، مما جعل من الممكن قمع التنوي غير المتجانسة للبلورات [6] ، ولكن بسبب التكلفة العالية الاستثنائية للمكون الرئيسي من البلاديوم ، لفترة طويلة لم تكن ذات أهمية خاصة للعلماء والمهندسين.

في التسعينات ، تم الحصول على نظارات معدنية سائبة (OMS) [7] بحجم> 1 مم في كل من الأبعاد المكانية الثلاثة ( الشكل 1 ) على أساس المعادن المستخدمة على نطاق واسع: المغنيسيوم والتيتانيوم والنحاس والحديد ، إلخ. في سبائك مزدوجة وثلاثية ورباعية ومتعددة المكونات.

تين. 1. عينات مصبوبات OMS (صورة بصرية).

أظهر التحليل الإحصائي للمعلومات المتاحة على OMS زيادة في قدرتها على تشكيل الزجاج من سبائك مزدوجة إلى ثلاثية وثلاثية. أيضًا ، عند تحليل قاعدة بيانات من 95 سبيكة ثلاثية ذات قدرة معروفة على تشكيل الزجاج في شكل قطر حرج OMC (لم تؤخذ سبائك معالجة التدفق في الاعتبار) ، تم العثور على انتظام إحصائي في توزيع تركيبات OMC ( الشكل 2)) [8]. توجد الحد الأقصى المحلي للقطر الحرج بالقرب من التراكيب A70B20C10 و A65B25C10 و A65B20C15 و A56B32C12 و A55B28C17 و A44B43C13 و A44B38C18 ، والحد الأدنى المحلي بالقرب من التراكيب A75B20C5 و A75B15C15 و A60B35C15 و A60B35C15 و A60B35C15 و هذا يشير إلى الانتظام في تكوين OMC وعدم عشوائية النسب الذرية. السبيكة A50B25C25 تقابل المركب A2BC ، A60B35C5 للمركب A3 (B + C) 2 ، و A75B20C5 و A75B15C10 قريبين من المركب شبه المزدوج A3 (B + C).

تين. 2. سطح القطر الحرج (القطر الأقصى لصب غير متبلور) الذي تم إنشاؤه عن طريق تمهيد مجموعة بيانات عشوائية من سبائك ثلاثية (95 نقطة من مصادر أدبية).

التركيب الذري للنظارات يوضح عدم وجود ترتيب طويل المدى في ترتيب الذرات ( الشكل 3) تحديد خصائصها ، وخاصة الميكانيكية. من حيث القوة والقوة المحددة ، فإنها تتجاوز بشكل كبير السبائك البلورية المقابلة بسبب استحالة استخدام آليات تشوه التكييف من خلع أو نوع توأم. يصل ضغط الإنتاجية المشروط لـ OMC إلى ~ 2 GPa لـ OMC استنادًا إلى Cu و Ti و Zr ، ~ 3 GPa بناءً على Ni ، ~ 4 GPa على أساس Fe ، ~ 5 GPa بناءً على Fe and Co ، و 6 GPa لسبائك الكوبالت. يوفر هيكل الزجاج المعدني أيضًا تشوهًا مرنًا يصل إلى 2 ٪ ، والذي بالاشتراك مع قوة الخضوع العالية يؤدي إلى قيم كبيرة للطاقة المخزنة للتشوه المرن (المؤشرات σy2 / E و σy2 / ρ ، حيث σy و ρ و هي قوة الخضوع والكثافة ومعامل Young ، على التوالي). وتجدر الإشارة إلى أن الدراسات الحديثة تشير إلى وجود العناقيد الذرية في OMS [9].

. 3. (SAED) (NBD). . . ( , , .. .. ).

لا تمتلك OMSs فقط قوة عالية وصلابة ومقاومة للتآكل وقيم كبيرة للتشوه المرن قبل ظهور التشوه البلاستيكي ، ولكن أيضًا مقاومة عالية للتآكل ، بما في ذلك التخميل التلقائي في بعض الحلول. إن الصلابة العالية ، ومقاومة التآكل ، وجودة سطح OMC ، وكذلك السيولة أثناء التسخين تحدد استخدامها في الآلات الصغيرة كآليات نقل (التروس) ، ومكونات الأنظمة الميكانيكية عالية الدقة. OMSs القائمة على الحديد والكوبالت مع مغنطة التشبع حتى 1.5 T لها قيم منخفضة للقوة القسرية أقل من 1 A / m وتستخدم بنشاط كمواد مغناطيسية لينة. وتجدر الإشارة إلى أن علماء المعادن في روسيا الذين يعتمدون على الحديد والكوبالت كانوا منخرطين في علماء مثل A.M. جليزر ، د. كالوشكين وغيرهم الكثير.

تعتبر ظاهرة التزجج التي لوحظت خلال الانتقال من السائل إلى الزجاج وإزالة النتروجين عند التسخين واحدة من أهم مشكلات فيزياء الحالة الصلبة التي لم يتم حلها بالكامل. وبالتحديد ، هل الطوران غير المتبلور والسوائل في نفس الطور ، ولا يُلاحظان إلا في درجات حرارة مختلفة ، أم أن هناك مرحلة انتقالية من السائل إلى الحالة غير المتبلورة والعكس بالعكس ، وإذا كان الأمر كذلك ، ما هو نوع المرحلة الانتقالية؟ تم تحقيق بعض النجاحات باستخدام محاكاة الكمبيوتر ، ولكن لا يوجد حتى الآن وضوح كامل.

لفترة طويلة ، لم يكن من الواضح من أين تأتي مثل هذه الخاصية من معدن "فائق السوائل": "هشاشة": انحراف قوي لاعتماد درجة الحرارة على لزوجته من قانون Arrhenius ، في حين أن لزوجة سائل التوازن فوق درجة حرارة السائل (Tl) يتبع هذا القانون. لم يُظهر المؤلف وزملاؤه حيود الأشعة السينية في الموقع عن طريق إشعاع السنكروترون أن سبائك Pd42.5Cu30Ni7.5P20 تم تشكيلها بشكل نشط في البنية الذرية بالقرب من درجة حرارة التزجج للمجموعات المعدنية المرتبطة تساهميًا بـ P ، والتي ترتبط باعتماد درجة حرارة لزوجة السائل [10] عند التبريد تذوب ، كما هو موضح تخطيطي في الشكل. 4 . لاحظ أن لزوجة السائل عند تبريده إلى Tg تتغير بمقدار 10 درجات من الحجم.

. 4. () Ni,Cu-P (P1/P2) Tg, Tg Tl. . Tg: 0.7 ( ), Tg/=1 ( ), .

يتشوه OMC بشكل مثالي وموحد في شكل بلاستيكي عند تسخينه إلى منطقة السائل الفائق التبريد قبل التبلور (فوق Tg ، ولكن أقل من Tx - درجة حرارة التبلور للسائل الفائق التبريد [11،12]) ، ويمكن استخدامه كنماذج للقوالب ( الشكل 5 ).

غالبًا ما تتطلب الطرق التقليدية لمعالجة المعادن عن طريق الضغط بتكلفة منخفضة لمكونات السبائك خطوات معالجة باهظة الثمن لكتلة المصدر للحصول على المنتج النهائي. هذا يؤدي إلى كمية كبيرة من النفايات. في حالة OMS ، بمساعدة التسخين السريع لمنطقة السائل فائق التبريد ، من الممكن الحصول على منتج بجودة سطح عالية في مرحلة واحدة ، كما هو الحال في قولبة البلاستيك الفائق. ولكن ، نظرًا لغياب حدود الحبوب ، سيكون OMS مفضلًا للكائنات الدقيقة على السبائك فائقة المرونة نظرًا لجودة السطح العالية للغاية.

تين. 5 . سطح OMS بعد التشكيل الدقيق في منطقة السائل المبرد.

ومع ذلك ، فإن إحدى العقبات الرئيسية التي تحول دون الاستخدام الواسع للسبائك الزجاجية هي ليونيتها المحدودة في درجة حرارة الغرفة [13]. يتم تدمير العديد من OMS قبل ظهور تشوه اللدائن الكبيرة أثناء تشكيل شريط القص.

يحدث هذا بسبب تليين العينة في نطاقات تشوه القص المحلية (نطاقات 10-20 نانومتر ، حيث تبدأ المادة بالتدفق تحت تأثير الضغوط المحلية العالية) وزيادة توطين التشوه في هذه النطاقات ، على النقيض من السبائك البلورية التي يؤدي فيها التصلب إلى تشوه أكثر انتظامًا في نطاقات الانزلاق المتعددة. ومع ذلك ، إذا نشأت العديد من نطاقات القص مع توطين متناوب للتشوه ( الشكل 6) ، ثم إلى نقطة معينة ، يمكن أن يحدث تشوه موحد للعين المجهرية للعينة ، وهو الأمر المفضل للحصول على المزيد من OMCs البلاستيكية [14]. في هذا الصدد ، دراسة عملية التنوي وانتشار عصابات القص في OMC ذات أهمية كبيرة. نتيجة لتحسين التركيب ، تم الحصول على قيم متانة عالية للكسر من أجل 100 MPa √ m لـ Zr61Ti2Cu25Al12 [15] و Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 OMS [16] ، بالإضافة إلى خلائط من التركيبات شديدة الحساسية التي لا تنقص أثناء الاسترخاء الهيكلي [17]. الطريقة الحديثة المقترحة للمعالجة الدورية في النيتروجين السائل ، بسبب الاختلاف في معاملات التمدد الحراري للمجموعات الذرية ذات الكثافة العالية والمنخفضة ، تؤدي إلى "تجديد" الزجاج المعدني (ترجمته إلى حالة طاقة متزايدة) وزيادة اللدونة [18].تم استخدام طريقة حفظ درجة الحرارة المبردة لتعديل الخواص المغناطيسية للسبائك الحديدية [19].

. 6. () . .

اليوم ، أصبحت المواد المكونة من مرحلتين (النوع المركب) أكثر انتشارًا ، لأنها قادرة على الجمع ، في النسبة المثلى ، بين مجموعة الخصائص التشغيلية المطلوبة. يحتوي OMS على مؤشرات قوة عالية بشكل فريد ، ولكن ، كقاعدة عامة ، عدم وجود ليونة ، وخاصة الشد. تتميز السبائك البلورية بالليونة العالية ، كما أن المواد البوليمرية ذات كثافة منخفضة. لذلك ، يساعد إنشاء فئة جديدة من مواد خفيفة وقوية ذات مرحلتين تعتمد على الزجاج المعدني والكريستال (أو البوليمر) على حل المشكلة المرتبطة بتحسين المواد الإنشائية الميكانيكية ، أي للحصول على مادة ذات قوة وليونة عالية بشكل فريد.يتم تطوير المواد المعدنية ثنائية الطور مثل الزجاج المعدني / الكريستال ، والتي تجمع بين قوة السبائك الزجاجية المعدنية السائبة على أساس Ti أو Mg ، ويتم تطوير ليونة عالية من المراحل البلورية في NUST MISiS في إطار المشروع 5-100 في قسم المعادن غير الحديدية بالتعاون مع مركز المواد المركبة [ عشرون] (تين. 7 ).

تين. 7 . صورة الفحص المجهري الإلكتروني عالي الدقة (منطقتان) وأنماط الحيود من منطقة مختارة من الحجم دون المجهري (تظهر بقع ساطعة من المرحلة البلورية وهالة من غير متبلور).

المواد الواعدة هي نظارات معدنية ذات بنية نانوية ( الشكل 8 ) تم الحصول عليها مؤخرًا بالتعاون مع قسم ICM والتي يمكن استخدامها كمواد للطب (مقاومة عالية للتآكل ولصق جيد للخلية) ولحفز (سطح مطور) [21].

تين. 8 . سطح الزجاج المعدني النانوي Zr-Pd (SEM) كمدخل في طيف الأشعة السينية الذي تم الحصول عليه من العينة.

وقد ظهر مؤخرًا أن أكاسيد غير متبلورة متجانسة تكونت على سطح Ni-Nb OMC لها هيكل غير متبلور بدون عيوب في شكل حدود الحبوب الكامنة في البلورات التي يمكن أن يمر خلالها التيار الكهربائي. يظهرون خصائص أشباه الموصلات ، وتغير الموصلية من الإلكترون إلى الثقب بعد التلدين [22]. تتوافق هذه المادة مع الصمام الثنائي Schottky بتيار عكسي منخفض جدًا ، يمكن التحكم في توصيله عن طريق التلدين في الأكسجين ( الشكل 9 ).

تين. 9 . خاصية فولت أمبير لأكسيد غير متبلور طبيعي على سطح OMC Ni-Nb (منحنى أزرق) وأكسيد ينمو عند التلدين عند 300 درجة مئوية (منحنى أحمر).

في الختام ، تجدر الإشارة إلى أنه بعد نصف قرن من الزمان ، لا تزال النظارات المعدنية ذات أهمية كبيرة لدراسة خصائصها وهيكلها غير المعتاد ، وأن المواد المصنوعة من الكريستال والزجاج على مرحلتين واعدة للغاية للاستخدام العملي كمواد هيكلية عالية القوة في المناطق التي تكون فيها التكلفة أعلى قليلاً المواد لا يهم كثيرا. بالطبع ، لا ينبغي للمرء أن يتوقع أن OMC والمواد ذات المرحلتين ، حتى إذا كانت التركيبات أرخص ، ستحل محل الفولاذ الإنشائي أو سبائك الألومنيوم في البناء والهندسة الثقيلة. ومع ذلك ، فإنهم ، والمواد المكونة من مرحلتين مثل الزجاج البلوري ، يجدون بالفعل تطبيقًا أوسع في مجالات معينة حيث يتفوقون على المنافسين: مسامير العظام في الطب (التوافق الحيوي) ، والآلات الدقيقة (قابلية التشكيل ، ومقاومة التآكل) ،المعدات الرياضية (المرونة ، القوة ، كمية كبيرة من الطاقة المرنة المخزنة (الشكل 10)) ، مستشعرات الضغط (المرونة بدون تشوه دائم) ، المخيمات الدقيقة (القابلية للتشكيل ، مقاومة التآكل) ، إلخ. يمكن أن تؤدي هذه المواد إلى اختراع التقنيات الثورية ، ومن المحتمل أن تزاحم التقليدية معالجة المعادن لتطبيقات مبتكرة.

تين. 10 يوضح هذا المثال القدرة العالية لـ OMC على تخزين طاقة التشوه المرن عندما تسقط السبيكة من ارتفاع معين في الأنبوب إلى السندان.

مصادر أدبية

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. .. , .. , .. , 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.

رأي خبير: مستقبل النظارات المعدنية

More articles: