📛 🈴 👨🏽 Opinión experta: el futuro de las gafas de metal 🧔🏼 🎼 🤕

Hoy te contaremos sobre el futuro de las gafas de metal. Para hacer esto, recurrimos a nuestro científico líder, experto internacional en el campo de los vidrios metálicos a granel, doctor en ciencias técnicas, profesor de la Universidad de Tohoku / Japón, investigador jefe, jefe del laboratorio del Instituto de Investigación de Materiales Avanzados y gerente de proyectos Materiales metálicos de dos fases metaestables con alta resistencia específica en NITU "MISiS" - a Dmitry Valentinovich Luzgin .

Este proyecto no tiene análogos tanto en Rusia como en el extranjero, dada la extensa naturaleza de la investigación, la gama de propiedades estudiadas y los tipos de materiales utilizados. La competencia del científico está confirmada por artículos científicos en revistas comoNature, Nanoscale, Acta Materialia, Advanced Functional Materials, Scientific Reports, Applied Physics Letters , así como revisiones por pares en Nature Communications, Acta Materialia, Applied Physics Letters, Journal of Materials Research, Materials Science and Engineering, Journal of Solid-No Crystallline, Revista de Ciencia de Materiales.

¡Te espera una fascinante historia científica sobre el acero y las aleaciones! En su opinión experta, Dmitry Valentinovich analiza el futuro de los vidrios metálicos, su aplicación, las formas de mejorar sus propiedades mecánicas y las perspectivas de uso en áreas específicas.

La versión completa de la animación con una descripción al final de la publicación.

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Desde finales del siglo pasado, numerosos estudios experimentales y teóricos realizados por científicos proporcionan una pequeña mejora en el complejo de propiedades mecánicas de las aleaciones metálicas (especialmente específicas: por unidad de masa) utilizando métodos clásicos: endurecimiento de soluciones sólidas, endurecimiento, envejecimiento, deformación plástica, recocido, etc. . Y si en la ingeniería pesada, la construcción naval (excepto las embarcaciones pequeñas), la industria automotriz, las aleaciones de acero y aluminio están y estarán fuera de competencia, en la aviación civil y el equipamiento deportivo, los metales se reemplazan significativamente por materiales compuestos no metálicos. Por ejemplo, el Boeing 787 está hecho principalmente de compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono (50% en peso, en comparación con el 12% en el Boeing 777) [1].Los metales tradicionales fueron reemplazados significativamente por compuestos con mayor resistencia específica, y la proporción de aleaciones de aluminio disminuyó a 20% (contra 50% en el Boeing 777).
Se necesitan métodos fundamentalmente nuevos para producir y procesar aleaciones para crear una nueva generación de materiales metálicos estructurales y funcionales.

Las aleaciones metálicas industriales se solidifican para formar una estructura cristalina incluso a altas velocidades de enfriamiento. La preparación de aleaciones de metal amorfo / vítreo (o vidrios metálicos), incluidos los metales puros, requiere velocidades de enfriamiento ultra altas, por ejemplo, cuando se rocían películas delgadas sobre un sustrato enfriado desde la fase gaseosa [2]. La dispersión de metales puros en gotas a nanoescala conduce no solo a altas velocidades de enfriamiento, sino también a una baja probabilidad de la aparición de un núcleo crítico de una fase cristalina en un nanovolumen [3].

Las aleaciones con una mayor tendencia a la vitrificación, llamada capacidad de formación de vidrio, generalmente de composición eutéctica, se han obtenido desde los años 60 del siglo pasado mediante el enfriamiento rápido de la masa fundida con velocidades del orden de 1 MK / s en un disco giratorio de cobre o al comprimir una gota de masa fundida entre dos planos metálicos [ 4]. En este caso, las aleaciones metálicas se someten continuamente a un estado vítreo al enfriarse y experimentan una transformación inversa al calentarse posteriormente con una velocidad de calentamiento suficientemente alta.

En los años 70 del siglo pasado, se obtuvieron los primeros moldes macroscópicos de aleaciones de paladio amorfo con un tamaño del orden de 1 mm en cada una de las 3 dimensiones espaciales, que luego se llamaron vidrios metálicos a granel [5]. Se obtuvieron muestras más masivas en los años 80 después del tratamiento fundente de la masa fundida, lo que permitió suprimir la nucleación heterogénea de cristales [6], pero debido al alto costo excepcional del componente principal del paladio, durante mucho tiempo no fueron de particular interés para científicos e ingenieros.

En los años 90, se obtuvieron vidrios metálicos a granel (OMS) [7] con un tamaño> 1 mm en cada una de las 3 dimensiones espaciales ( Fig. 1 ) sobre la base de metales ampliamente utilizados: magnesio, titanio, cobre, hierro, etc. en aleaciones dobles, triples, cuádruples y multicomponentes.

Higo. 1. Muestras de los moldes de OMS (imagen óptica).

Un análisis estadístico de la información disponible sobre la OMS mostró un aumento en su capacidad de formación de vidrio de aleaciones dobles a triples y cuádruples. Además, al analizar una base de datos de 95 aleaciones ternarias con una capacidad conocida de formación de vidrio en forma de un diámetro de OMC crítico (no se tuvieron en cuenta las aleaciones tratadas con fundente), se encontró una regularidad estadística en la distribución de composiciones de OMC ( Fig. 2) [8]. Los máximos locales del diámetro crítico se encuentran cerca de las composiciones A70B20C10, A65B25C10, A65B20C15, A56B32C12, A55B28C17, A44B43C13 y A44B38C18, y los mínimos locales cerca de las composiciones A75B20C5, A75B15C10, A60B35C5, A55B35C15, A55B35C15, A55B35C15, A55B35C15, A55B35C15, A55B35C15, A55B35C15 Esto indica las regularidades en la composición de la OMC y la no aleatoriedad de las relaciones atómicas. La aleación A50B25C25 corresponde al compuesto A2BC, A60B35C5 al compuesto A3 (B + C) 2, y A75B20C5 y A75B15C10 están cerca del pseudo doble compuesto A3 (B + C).

Higo. 2. La superficie del diámetro crítico (el diámetro máximo de una fundición amorfa) construida alisando un conjunto arbitrario de datos de aleaciones triples (95 puntos de fuentes literarias).

La estructura atómica de los vidrios demuestra la ausencia de un orden de largo alcance en la disposición de los átomos ( Fig. 3) determinan sus propiedades, en particular mecánicas. En términos de resistencia y resistencia específica, superan significativamente las aleaciones cristalinas correspondientes debido a la imposibilidad de utilizar los mecanismos de deformación de acomodación de una dislocación o tipo gemelo. El límite de rendimiento condicional de OMS alcanza ~ 2 GPa para OMS basado en Cu, Ti y Zr, ~ 3 GPa basado en Ni, ~ 4 GPa basado en Fe, ~ 5 GPa basado en Fe y Co y 6 GPa para aleaciones de cobalto. La estructura del vidrio metálico también proporciona una deformación elástica de hasta el 2%, que en combinación con un alto límite elástico conduce a grandes valores de la energía almacenada de la deformación elástica (indicadores σy2 / E y σy2 / ρ, donde σy, ρ y son el límite elástico, la densidad y el módulo de Young, respectivamente). Cabe señalar que estudios recientes indican la presencia de grupos atómicos en la OMS [9].

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

Los OMS poseen no solo alta resistencia, dureza, resistencia al desgaste y grandes valores de deformación elástica antes del inicio de la deformación plástica, sino también alta resistencia a la corrosión, incluida la pasivación espontánea en algunas soluciones. La alta dureza, la resistencia al desgaste, la calidad de la superficie de la OMC, así como la fluidez durante el calentamiento determinan su uso en micromáquinas como mecanismos de transmisión (engranajes), componentes de sistemas mecánicos de alta precisión. Los OMS basados en hierro y cobalto con magnetización de saturación de hasta 1,5 T tienen valores bajos récord de fuerza coercitiva inferiores a 1 A / my se utilizan activamente como materiales magnéticos blandos. Cabe señalar que en Rusia, los científicos metalúrgicos a base de hierro y cobalto se dedicaron a científicos como A.M. Glezer, S.D. Kaloshkin y muchos otros.

El fenómeno de transición vítrea observado durante la transición de líquido a vidrio y la desvitrificación al calentar es uno de los problemas más importantes de la física del estado sólido que no se ha resuelto por completo. A saber, ¿son las fases amorfa y líquida la misma fase, solo se observa a diferentes temperaturas, o hay una transición de fase del estado líquido al amorfo y viceversa, y si es así, qué tipo de transición de fase es esta? Se han logrado algunos éxitos usando la simulación por computadora, pero todavía no hay una claridad completa.

Durante mucho tiempo, no estaba claro de dónde proviene tal propiedad del metal "superfluido": "fragilidad": una fuerte desviación de la dependencia de la temperatura de su viscosidad de la ley de Arrhenius, mientras que la viscosidad de un líquido de equilibrio por encima de la temperatura del líquido (Tl) sigue esta ley. El autor y sus colegas no mostraron difracción de rayos X in situ por radiación sincrotrón que la aleación Pd42.5Cu30Ni7.5P20 se formó activamente en la estructura atómica cerca de la temperatura de transición vítrea de los grupos metálicos unidos covalentemente a P, lo que se correlacionó con la dependencia de la temperatura de la viscosidad del líquido [10] al enfriarse. fundido, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 4 . Tenga en cuenta que la viscosidad del líquido cuando se enfría a Tg cambia en 10 órdenes de magnitud.

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

La OMC se deforma plástica de manera perfecta y uniforme cuando se calienta hasta el área del líquido sobreenfriado antes de la cristalización (por encima de Tg, pero por debajo de Tx, la temperatura de cristalización del líquido sobreenfriado [11,12]), y puede usarse como modelos para matrices ( Fig.5 ).

Los métodos tradicionales de conformado de metales con componentes de aleaciones de bajo costo a menudo requieren costosos pasos de procesamiento del bloque fuente para obtener el producto final. Esto conduce a una gran cantidad de material de desecho. En el caso de OMS, con la ayuda del calentamiento rápido en el área del líquido sobreenfriado, es posible obtener un producto con alta calidad superficial en una etapa como en el moldeo superplástico. Pero, debido a la ausencia de límites de grano, la OMC será preferible para los microobjetos que las aleaciones superplásticas debido a la calidad superficial extremadamente alta.

Higo. 5 . Superficie OMS después de la microformación en el área del líquido sobreenfriado.

Sin embargo, uno de los principales obstáculos para el uso más amplio de aleaciones vítreas es su ductilidad limitada a temperatura ambiente [13]. Muchos OMS se destruyen antes del inicio de la deformación macroplástica durante la formación de una banda de corte.

Esto ocurre debido al ablandamiento de la muestra en las bandas locales de deformación por corte (bandas de 10-20 nm de espesor, en las cuales el material comienza a fluir bajo la acción de altos esfuerzos locales) y una mayor localización de la deformación en estas bandas, en contraste con las aleaciones cristalinas en las que el endurecimiento por deformación conduce a Deformación más uniforme en múltiples bandas de deslizamiento. Sin embargo, si surgen varias bandas de corte con localización alterna de deformación ( Fig. 6), hasta cierto punto, puede producirse una deformación macroscópicamente uniforme de la muestra, que es preferible para obtener más OMCs de plástico [14]. En este sentido, el estudio del proceso de nucleación y propagación de bandas de corte en la OMC es de gran interés. Como resultado de composiciones mejoradas, se obtuvieron valores récord de tenacidad a la fractura del orden de 100 MPa √m para los Zr61Ti2Cu25Al12 [15] y Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 OMSs [16], así como aleaciones de composiciones hipereutécticas que no se fragilizan durante la relajación estructural [17]. El método recientemente propuesto de tratamiento cíclico en nitrógeno líquido, debido a la diferencia en los coeficientes de expansión térmica de los grupos atómicos con alta y baja densidad, conduce al "rejuvenecimiento" del vidrio metálico (su transición a un estado de energía incrementada) y su plasticidad [18].El método de mantenimiento de la temperatura criogénica se utilizó para modificar las propiedades magnéticas de las aleaciones a base de hierro [19].

. 6. () . .

Hoy en día, los materiales de dos fases (tipo compuesto) se están generalizando, ya que pueden combinar, en una proporción óptima, el conjunto requerido de propiedades operativas. Los OMS tienen indicadores únicos de alta resistencia, pero, por regla general, la falta de ductilidad, especialmente la tensión. Las aleaciones cristalinas tienen una alta ductilidad, y los materiales poliméricos también tienen baja densidad. Por lo tanto, la creación de una nueva clase de materiales de dos fases ligeros y fuertes basados en vidrio metálico y un cristal (o polímero) ayuda a resolver el problema asociado con la mejora de los materiales estructurales mecánicos, es decir. para obtener un material con una resistencia y ductilidad específicas excepcionalmente altas.Los materiales de dos fases de metal ligero como el vidrio / cristal de metal, que combinan la resistencia de las aleaciones vítreas de metal a granel basadas en Ti o Mg, y la alta ductilidad de las fases cristalinas se desarrollan en NUST MISiS en el marco del proyecto 5-100 en el Departamento de Metales No Ferrosos en colaboración con el Centro de Materiales Compuestos [ veinte] (Higo. 7 )

Higo. 7 . Imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (dos regiones) y patrones de difracción de una región seleccionada de tamaño submicroscópico (los puntos brillantes son visibles desde la fase cristalina y el halo desde el amorfo).

Los materiales prometedores son vidrios metálicos nanoestructurados recientemente obtenidos en colaboración con el Departamento de ICM ( Fig. 8 ), que pueden usarse como materiales para medicina (alta resistencia a la corrosión y buena adhesión celular) y catálisis (superficie desarrollada) [21].

Higo. 8 . La superficie del vidrio metálico nanoestructurado Zr-Pd (SEM) como un inserto en el espectro de rayos X obtenido de la muestra.

Recientemente se demostró que los óxidos amorfos homogéneos formados en la superficie del Ni-Nb OMC tienen una estructura amorfa sin defectos en forma de límites de grano inherentes a los cristales, a través de los cuales puede pasar una fuga de corriente eléctrica. Demuestran las propiedades de los semiconductores, y su conductividad cambia de electrón a agujero después del recocido [22]. Este material corresponde a un diodo Schottky con una corriente inversa muy baja, cuya conductividad puede controlarse mediante recocido en oxígeno ( Fig. 9 ).

Higo. 9 . Volt-amperios característicos del óxido amorfo natural en la superficie de la OMC Ni-Nb (curva azul) y óxido cultivado al recocido a 300 C (curva roja).

En conclusión, debe tenerse en cuenta que los vidrios metálicos después de medio siglo de historia siguen siendo de gran interés para estudiar sus propiedades y estructura inusuales, y los materiales bifásicos de cristal de vidrio son muy prometedores para su uso práctico como materiales estructurales de alta resistencia en áreas donde el costo es ligeramente mayor El material no importa mucho. Por supuesto, uno no debería esperar que la OMC y los materiales de dos fases, incluso cuando las composiciones son más baratas, reemplacen los aceros estructurales o las aleaciones de aluminio en la construcción y la ingeniería pesada. Sin embargo, ellos y los materiales de dos fases, como el cristal de vidrio, ya están encontrando una aplicación más amplia en ciertas áreas donde son superiores a los competidores: tornillos ortopédicos en medicina (biocompatibilidad), micromáquinas (conformabilidad, resistencia al desgaste)equipo deportivo (flexibilidad, resistencia, gran cantidad de energía elástica almacenada (Fig. 10)), sensores de presión (flexibilidad sin deformación permanente), microestampados (formabilidad, resistencia al desgaste), etc. Estos materiales pueden conducir a la invención de tecnologías revolucionarias, que potencialmente desplazan a los tradicionales Procesamiento de metales para aplicaciones innovadoras.

Higo. 10 Este ejemplo ilustra la alta capacidad de la OMC para almacenar la energía de la deformación elástica cuando el lingote cae desde cierta altura en el tubo hasta el yunque.

Fuentes literarias

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.

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