🙎🏿 🛀🏽 🏧 Avis d'expert: L'avenir des verres métalliques 🧜 🚿 💮

Aujourd'hui, nous vous parlerons de l'avenir des verres en métal. Pour ce faire, nous nous sommes tournés vers notre principal scientifique, expert international dans le domaine des verres en métal en vrac, docteur en sciences techniques, professeur à l'Université de Tohoku / Japon, chercheur en chef, chef du laboratoire de l'Institut de recherche sur les matériaux avancés et chef de projet Matériaux métalliques biphasés métastables à haute résistance spécifique au NITU «MISiS» - à Dmitry Valentinovich Luzgin .

Ce projet n'a pas d'analogue en Russie et à l'étranger, compte tenu de la nature approfondie de la recherche, de la gamme des propriétés étudiées et des types de matériaux utilisés. La compétence du scientifique est confirmée par des articles scientifiques dans des magazines tels queNature, Nanoscale, Acta Materialia, Advanced Functional Materials, Rapports scientifiques, Applied Physics Letters , ainsi que des revues de pairs dans Nature Communications, Acta Materialia, Applied Physics Letters, Journal of Materials Research, Materials Science and Engineering, Journal of Non-cristalline Solids, Journal of Materials Science.

Vous trouverez une histoire scientifique fascinante sur l'acier et les alliages! Dans son avis d'expert, Dmitry Valentinovich discute de l'avenir des verres métalliques, de leur application, des moyens d'améliorer leurs propriétés mécaniques et des perspectives d'utilisation dans des domaines spécifiques.

Animation complète avec description à la fin de la publication.

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Depuis la fin du siècle dernier, de nombreuses études expérimentales et théoriques menées par des scientifiques apportent une petite amélioration dans le complexe des propriétés mécaniques des alliages métalliques (notamment spécifiques: par unité de masse) en utilisant des méthodes classiques: durcissement en solution solide, durcissement, vieillissement, déformation plastique, recuit, etc. . Et si dans l'ingénierie lourde, la construction navale (sauf pour les petits bateaux), l'industrie automobile, les alliages d'acier et d'aluminium sont et seront hors compétition, dans l'aviation civile et les équipements sportifs, les métaux sont largement remplacés par des matériaux composites non métalliques. Par exemple, le Boeing 787 est principalement constitué de composites polymères renforcés de fibre de carbone (50% en poids, contre 12% dans le Boeing 777) [1].Les métaux traditionnels ont été sensiblement remplacés par des composites à résistance spécifique plus élevée, et la part des alliages d'aluminium a diminué à 20% (contre 50% dans le Boeing 777).
Fondamentalement, de nouvelles méthodes de production et de traitement des alliages sont nécessaires pour créer une nouvelle génération de matériaux métalliques structurels et fonctionnels.

Les alliages métalliques industriels se solidifient pour former une structure cristalline même à des vitesses de refroidissement élevées. La préparation d'alliages métalliques amorphes / vitreux (ou verres métalliques), y compris des métaux purs, nécessite des vitesses de refroidissement ultra élevées, par exemple, lorsque des films minces sont pulvérisés sur un substrat refroidi à partir de la phase gazeuse [2]. La pulvérisation de métaux purs en gouttelettes nanométriques conduit non seulement à des vitesses de refroidissement élevées, mais également à une faible probabilité d'apparition d'un noyau critique d'une phase cristalline dans un nanovolume [3].

Les alliages ayant une tendance plus élevée à la vitrification, appelés en règle générale la capacité eutectique de formation de verre, sont obtenus à partir des années 60 du siècle dernier par refroidissement rapide de la masse fondue à des vitesses de l'ordre de 1 MK / s par disque de cuivre rotatif ou par compression d'une goutte de matière fondue entre deux plans métalliques [ 4]. Dans ce cas, les alliages métalliques subissent en continu un état vitreux lors du refroidissement et subissent une transformation inverse lors d'un chauffage ultérieur avec une vitesse de chauffage suffisamment élevée.

Dans les années 70 du siècle dernier, les premières pièces coulées macroscopiques d'alliages de palladium amorphe d'une taille de l'ordre de 1 mm ont été obtenues dans chacune des 3 dimensions spatiales, appelées plus tard verres métalliques en vrac [5]. Des échantillons plus massifs ont été obtenus dans les années 80 après traitement de flux de la masse fondue, ce qui a permis de supprimer la nucléation hétérogène des cristaux [6], mais en raison du coût exceptionnellement élevé du composant principal du palladium, pendant longtemps ils n'ont pas particulièrement intéressé les scientifiques et les ingénieurs.

Dans les années 90, des verres métalliques en vrac (OMS) [7] d'une taille> 1 mm dans chacune des 3 dimensions spatiales ( Fig. 1 ) ont été obtenus à partir de métaux largement utilisés: magnésium, titane, cuivre, fer, etc. en alliages doubles, triples, quadruples et multicomposants.

Figure. 1. Échantillons des pièces moulées OMS (image optique).

Une analyse statistique des informations disponibles sur OMS a montré une augmentation de leur capacité de formation de verre d'alliages doubles à triples et quadruples. De plus, lors de l'analyse d'une base de données de 95 alliages ternaires ayant une capacité connue de formation de verre sous la forme d'un diamètre OMC critique (les alliages traités par flux n'ont pas été pris en compte), une régularité statistique a été trouvée dans la distribution des compositions OMC ( Fig.2) [8]. Les maxima locaux du diamètre critique sont situés près des compositions A70B20C10, A65B25C10, A65B20C15, A56B32C12, A55B28C17, A44B43C13 et A44B38C18, et les minima locaux près des compositions A75B20C5, A75B15C10, A60B35C5, A55B35C15, A55B35C15 Cela indique les régularités dans la composition de la MOC et le caractère non aléatoire des rapports atomiques. L'alliage A50B25C25 correspond au composé A2BC, A60B35C5 au composé A3 (B + C) 2, et A75B20C5 et A75B15C10 sont proches du pseudo-double composé A3 (B + C).

Figure. 2. La surface du diamètre critique (le diamètre maximal d'une pièce coulée amorphe) construite en lissant un ensemble de données arbitraires d'alliages triples (95 points provenant de sources littéraires).

La structure atomique des verres démontrant l'absence d'ordre à longue portée dans l'arrangement des atomes ( Fig.3) déterminent leurs propriétés, notamment mécaniques. En termes de résistance et de résistance spécifique, ils dépassent significativement les alliages cristallins correspondants en raison de l'impossibilité d'utiliser les mécanismes de déformation accommodative de type dislocation ou jumelé. La limite d'élasticité conditionnelle de OMC atteint ~ 2 GPa pour OMC à base de Cu, Ti et Zr, ~ 3 GPa à base de Ni, ~ 4 GPa à base de Fe, ~ 5 GPa à base de Fe et Co et 6 GPa pour les alliages de cobalt. La structure du verre métallique fournit également une déformation élastique allant jusqu'à 2%, ce qui en combinaison avec une limite d'élasticité élevée conduit à de grandes valeurs de l'énergie stockée de déformation élastique (indicateurs σy2 / E et σy2 / ρ, où σy, ρ et sont la limite d'élasticité, la densité et le module d'Young, respectivement). Il est à noter que des études récentes indiquent la présence d'amas atomiques dans OMS [9].

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

Les OMS possèdent non seulement une résistance élevée, une dureté, une résistance à l'usure et de grandes valeurs de déformation élastique avant le début de la déformation plastique, mais également une résistance élevée à la corrosion, y compris la passivation spontanée dans certaines solutions. La dureté élevée, la résistance à l'usure, la qualité de surface de l'OMC, ainsi que la fluidité pendant le chauffage déterminent leur utilisation dans les micromachines comme mécanismes de transmission (engrenages), composants de systèmes mécaniques de haute précision. Les OMS à base de fer et de cobalt avec une aimantation à saturation jusqu'à 1,5 T ont des valeurs record de force coercitive inférieures à 1 A / m et sont activement utilisés comme matériaux magnétiquement doux. Il convient de noter qu'en Russie, des scientifiques des métaux à base de fer et de cobalt étaient engagés dans des scientifiques tels que A.M. Glezer, S.D. Kaloshkin et bien d'autres.

Le phénomène de transition vitreuse observé lors de la transition du liquide au verre et de la dévitrification lors du chauffage est l'un des problèmes les plus importants de la physique du solide qui n'a pas été complètement résolu. À savoir, les phases amorphe et liquide sont-elles la même phase, observée uniquement à des températures différentes, ou y a-t-il une transition de phase du liquide à l'état amorphe et vice versa, et si oui, de quel type de transition de phase s'agit-il? Certains succès ont été obtenus grâce à la simulation informatique, mais il n'y a toujours pas de clarté complète.

Pendant longtemps, on ne savait pas d'où provenait une telle propriété du métal «superfluide»: «fragilité»: une forte déviation de la dépendance en température de sa viscosité par rapport à la loi d'Arrhenius, tandis que la viscosité d'un liquide d'équilibre au-dessus de la température du liquidus (Tl) suit cette loi. L'auteur et ses collègues n'ont pas montré de diffraction des rayons X in situ par rayonnement synchrotron que l'alliage Pd42.5Cu30Ni7.5P20 était activement formé dans la structure atomique près de la température de transition vitreuse des amas métalliques liés de manière covalente à P, ce qui était en corrélation avec la dépendance à la température de la viscosité du liquide [10] lors du refroidissement fondre, comme schématisé sur la Fig. 4 . Notez que la viscosité du liquide lorsqu'il est refroidi à Tg change de 10 ordres de grandeur.

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

L'OMC se déforme parfaitement et uniformément plastiquement lorsqu'il est chauffé dans la zone du liquide surfondu avant la cristallisation (au-dessus de Tg, mais en dessous de Tx - la température de cristallisation du liquide surfondu [11,12]), et peut être utilisé comme modèle pour les matrices ( Fig. 5 ).

Les méthodes traditionnelles de traitement des métaux par pression à faible coût des composants en alliage nécessitent souvent des étapes de traitement coûteuses du bloc source pour obtenir le produit final. Cela conduit à une grande quantité de déchets. Dans le cas d'OMS, à l'aide d'un chauffage rapide dans la zone du liquide surfondu, il est possible d'obtenir un produit avec une qualité de surface élevée en une seule étape, comme dans le moulage superplastique. Mais, en raison de l'absence de joints de grains, la MOC sera préférable pour les micro-objets que pour les alliages superplastiques en raison de la qualité de surface extrêmement élevée.

Figure. 5 . Surface OMS après microformage dans la zone du liquide surfondu.

Néanmoins, l'un des principaux obstacles à une utilisation plus large des alliages vitreux est leur ductilité limitée à température ambiante [13]. De nombreux OMS sont détruits avant le début de la déformation macroplastique lors de la formation d'une bande de cisaillement.

Cela se produit en raison du ramollissement de l'échantillon dans des bandes de déformation par cisaillement locales (bandes de 10 à 20 nm d'épaisseur, dans lesquelles le matériau commence à couler sous l'action de contraintes locales élevées) et d'une localisation supplémentaire de la déformation dans ces bandes, contrairement aux alliages cristallins dans lesquels le durcissement par déformation conduit à déformation plus uniforme dans plusieurs bandes de glissement. Cependant, si plusieurs bandes de cisaillement avec une localisation alternée de la déformation apparaissent ( Fig.6), puis jusqu'à un certain point, une déformation macroscopiquement uniforme de l'échantillon peut se produire, ce qui est préférable pour obtenir des OMC plus plastiques [14]. À cet égard, l'étude du processus de nucléation et de propagation des bandes de cisaillement dans la MOC présente un grand intérêt. Grâce à l'amélioration de la composition, des valeurs record de ténacité à la rupture de l'ordre de 100 MPa √ m ont été obtenues pour les OMS Zr61Ti2Cu25Al12 [15] et Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 [16], ainsi que des alliages de compositions hypereutectiques qui ne sont pas fragiles lors de la relaxation structurelle [17]. La méthode récemment proposée de traitement cyclique dans l'azote liquide, du fait de la différence des coefficients de dilatation thermique des amas atomiques à haute et basse densité, conduit au «rajeunissement» du verre métallique (sa transition vers un état énergétique accru) et à sa plasticité [18].La méthode cryogénique de maintien en température a été utilisée pour modifier les propriétés magnétiques des alliages à base de fer [19].

. 6. () . .

Aujourd'hui, les matériaux diphasiques (type composite) se répandent, car ils sont capables de combiner, dans un rapport optimal, l'ensemble requis de propriétés opérationnelles. Les OMS ont des indicateurs de résistance exceptionnellement élevés, mais, en règle générale, le manque de ductilité, en particulier en traction. Les alliages cristallins ont une ductilité élevée et les matériaux polymères ont également une faible densité. Par conséquent, la création d'une nouvelle classe de matériaux biphasés légers et solides à base de verre métallique et d'un cristal (ou polymère) aide à résoudre le problème associé à l'amélioration des matériaux de structure mécaniques, à savoir pour obtenir un matériau ayant une résistance spécifique et une ductilité particulièrement élevées.Des matériaux à deux phases en métal léger tels que le verre / cristal métallique, combinant la résistance des alliages vitreux métalliques à base de Ti ou Mg, et la haute ductilité des phases cristallines sont développés chez NUST MISiS dans le cadre du projet 5-100 au Département des métaux non ferreux en collaboration avec le Center for Composite Materials [ vingt] (Figure. 7 ).

Figure. 7 . Image de microscopie électronique à transmission à haute résolution (deux régions) et de diagrammes de diffraction d'une région sélectionnée de taille submicroscopique (des taches lumineuses sont visibles depuis la phase cristalline et un halo depuis amorphe).

Les matériaux prometteurs sont les verres métalliques nanostructurés ( Fig. 8 ) récemment obtenus en collaboration avec le Département ICM qui peuvent être utilisés comme matériaux pour la médecine (haute résistance à la corrosion et bonne adhérence cellulaire) et pour la catalyse (surface développée) [21].

Figure. 8 . La surface du verre métallique nanostructuré Zr-Pd (SEM) en tant qu'insert dans le spectre de rayons X obtenu à partir de l'échantillon.

Il a été récemment montré que les oxydes amorphes homogènes formés à la surface du OMC Ni-Nb ont une structure amorphe sans défauts sous forme de joints de grains inhérents aux cristaux, à travers lesquels une fuite de courant électrique peut passer. Ils démontrent les propriétés des semi-conducteurs et leur conductivité change d'électron en trou après recuit [22]. Ce matériau correspond à une diode Schottky à très faible courant inverse, dont la conductivité peut être contrôlée par recuit à l'oxygène ( Fig.9 ).

Figure. 9 . La caractéristique en volt-ampère de l'oxyde amorphe naturel à la surface du OMC Ni-Nb (courbe bleue) et de l'oxyde cultivé pendant le recuit à 300 C (courbe rouge).

En conclusion, il convient de noter que les verres métalliques après un demi-siècle d'histoire sont toujours d'un grand intérêt pour étudier leurs propriétés et leur structure inhabituelles, et les matériaux en cristal de verre biphasique sont très prometteurs pour une utilisation pratique en tant que matériaux structurels à haute résistance dans les zones où le coût est légèrement plus élevé le matériel n'a pas beaucoup d'importance. Bien sûr, il ne faut pas s'attendre à ce que la MOC et les matériaux à deux phases, même si les compositions sont moins chères, remplacent l'acier de construction ou les alliages d'aluminium dans la construction et l'ingénierie lourde. Cependant, eux et les matériaux à deux phases tels que le cristal de verre trouvent déjà une application plus large dans certains domaines où ils sont supérieurs à leurs concurrents: vis orthopédiques en médecine (biocompatibilité), micromachines (formabilité, résistance à l'usure),équipements sportifs (flexibilité, résistance, grande quantité d'énergie élastique stockée (Fig.10)), capteurs de pression (flexibilité sans déformation permanente), microstamps (formabilité, résistance à l'usure), etc. Ces matériaux peuvent conduire à l'invention de technologies révolutionnaires, évincant potentiellement les traditionnels traitement des métaux pour des applications innovantes.

Figure. dix Cet exemple illustre la grande capacité de l'OMC à stocker l'énergie de déformation élastique lorsque le lingot tombe d'une certaine hauteur dans le tube vers l'enclume.

Sources littéraires

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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