👨🏻‍✈️ 🚐 🧡 Pendapat ahli: Masa depan kacamata logam 👨🏻‍💻 🤞🏼 ➿

Hari ini kami akan memberi tahu Anda tentang masa depan kacamata logam. Untuk melakukan ini, kami beralih ke ilmuwan terkemuka kami, pakar internasional di bidang kacamata logam curah, dokter ilmu teknis, profesor di Universitas Tohoku / Jepang, kepala peneliti, kepala laboratorium dari Institute for Advanced Material Research dan manajer proyek Bahan logam dua fase metastable dengan kekuatan logam tinggi khusus di NITU "MISiS" - untuk Dmitry Valentinovich Luzgin .

Proyek ini tidak memiliki analog baik di Rusia maupun di luar negeri, mengingat sifat penelitian yang luas, kisaran sifat yang dipelajari, dan jenis bahan yang digunakan. Kompetensi ilmuwan dikonfirmasi oleh artikel ilmiah di majalah sepertiAlam, Nanoscale, Acta Materialia, Material Fungsional Tingkat Lanjut, Laporan Ilmiah, Surat Fisika Terapan , serta ulasan sejawat dalam Komunikasi Alam, Acta Materialia, Surat Fisika Terapan, Jurnal Penelitian Material, Ilmu dan Teknik Bahan, Jurnal Bahan Padat Non-kristalin, Jurnal Ilmu Material.

Sebuah kisah ilmiah yang menarik tentang baja dan paduan menanti Anda! Menurut pendapat ahlinya, Dmitry Valentinovich membahas masa depan kacamata logam, aplikasinya, cara-cara untuk meningkatkan sifat mekanisnya dan prospek untuk digunakan di bidang-bidang tertentu.

Versi lengkap animasi dengan deskripsi di akhir publikasi.

... , ,
. / ,
«»

Sejak akhir abad terakhir, banyak penelitian eksperimental dan teoritis yang dilakukan oleh para ilmuwan memberikan peningkatan kecil dalam kompleks sifat mekanik paduan logam (terutama spesifik: per satuan massa) menggunakan metode klasik: pengerasan larutan padat, pengerasan, penuaan, deformasi plastik, anil, dll. . Dan jika dalam bidang teknik berat, pembuatan kapal (kecuali untuk kapal kecil), industri otomotif, baja dan aluminium paduan akan dan akan keluar dari persaingan, dalam penerbangan sipil dan peralatan olahraga, logam secara signifikan digantikan oleh bahan komposit non-logam. Sebagai contoh, Boeing 787 terutama terbuat dari komposit polimer yang diperkuat serat karbon (50% berat, dibandingkan dengan 12% dalam Boeing 777) [1].Logam tradisional secara signifikan digantikan oleh komposit dengan kekuatan spesifik yang lebih tinggi, dan pangsa paduan aluminium menurun hingga 20% (terhadap 50% di Boeing 777).
Metode fundamental baru untuk memproduksi dan memproses paduan diperlukan untuk menciptakan generasi baru bahan logam struktural dan fungsional.

Paduan logam industri mengeras untuk membentuk struktur kristal bahkan pada tingkat pendinginan yang tinggi. Pembuatan paduan logam amorf / kaca (atau gelas logam), termasuk logam murni, membutuhkan laju pendinginan yang sangat tinggi, misalnya, ketika film tipis disemprotkan ke substrat yang didinginkan dari fase gas [2]. Sputtering logam murni menjadi tetesan skala nano tidak hanya menyebabkan laju pendinginan yang tinggi, tetapi juga kemungkinan rendah munculnya inti kritis fase kristal dalam nanovolume [3].

Paduan dengan kecenderungan yang lebih tinggi untuk vitrifikasi, yang disebut kemampuan pembentukan kaca, biasanya dari komposisi eutektik, telah diperoleh sejak tahun 60an abad terakhir dengan pendinginan yang cepat dari lelehan dengan kecepatan urutan 1 MK / s per cakram tembaga yang berputar atau dengan mengompresi setetes lelehan antara dua bidang logam [ 4]. Dalam hal ini, paduan logam secara terus menerus mengalami kondisi seperti kaca pada pendinginan dan mengalami transformasi balik pada pemanasan berikutnya dengan laju pemanasan yang cukup tinggi.

Pada 70-an abad terakhir, coran makroskopik pertama dari paduan paladium amorf dengan ukuran urutan 1 mm diperoleh di masing-masing dari 3 dimensi spasial, yang kemudian disebut gelas logam massal [5]. Sampel yang lebih besar diperoleh pada tahun 80-an setelah perlakuan fluks dari lelehan, yang memungkinkan untuk menekan nukleasi heterogen kristal [6], tetapi karena biaya tinggi yang luar biasa dari komponen utama paladium, untuk waktu yang lama mereka tidak menarik bagi para ilmuwan dan insinyur.

Pada tahun 90-an, gelas logam curah (OMS) [7] dengan ukuran> 1 mm di masing-masing dari 3 dimensi spasial ( Gbr. 1 ) diperoleh berdasarkan logam yang banyak digunakan: magnesium, titanium, tembaga, besi, dll. dalam paduan ganda, rangkap tiga, empat kali lipat dan multikomponen.

Ara. 1. Sampel coran OMS (gambar optik).

Analisis statistik dari informasi yang tersedia tentang OMS menunjukkan peningkatan kemampuan pembentukan gelas mereka dari paduan ganda menjadi triple dan quadruple. Juga, ketika menganalisis basis data 95 paduan terner dengan kemampuan pembentukan gelas yang diketahui dalam bentuk diameter OMC yang kritis (paduan yang diolah dengan fluks tidak diperhitungkan), keteraturan statistik ditemukan dalam distribusi komposisi OMC ( Gbr. 2) [8]. Maksima lokal dari diameter kritis terletak di dekat komposisi A70B20C10, A65B25C10, A65B20C15, A56B32C12, A55B28C17, A44B43C13 dan A44B38C18, dan minimum lokal dekat komposisi A75B20C5, A75B15C15, A60B35C15, A35B35C15 Ini menunjukkan keteraturan dalam komposisi OMC dan nonrandomness dari rasio atom. Paduan A50B25C25 sesuai dengan senyawa A2BC, A60B35C5 ke senyawa A3 (B + C) 2, dan A75B20C5 dan A75B15C10 dekat dengan senyawa pseudo-ganda A3 (B + C).

Ara. 2. Permukaan diameter kritis (diameter maksimum dari suatu coran amorf) dibangun dengan memuluskan seperangkat data acak dari paduan rangkap tiga (95 poin dari sumber literatur).

Struktur atom gelas menunjukkan tidak adanya tatanan jangka panjang dalam pengaturan atom ( Gbr. 3) menentukan sifat mereka, khususnya mekanik. Dalam hal kekuatan dan kekuatan spesifik, mereka secara signifikan melebihi paduan kristal yang sesuai karena ketidakmungkinan menggunakan mekanisme deformasi akomodatif tipe dislokasi atau kembar. Tegangan hasil bersyarat dari OMC mencapai ~ 2 GPa untuk OMC berdasarkan Cu, Ti dan Zr, ~ 3 GPa berdasarkan Ni, ~ 4 GPa berdasarkan Fe, ~ 5 GPa berdasarkan Fe dan Co, dan 6 GPa untuk paduan kobalt. Struktur kaca logam juga menyediakan deformasi elastis hingga 2%, yang dikombinasikan dengan kekuatan luluh yang tinggi mengarah pada nilai besar energi simpanan deformasi elastis (indikator σy2 / E dan σy2 / ρ, di mana σy, ρ dan adalah kekuatan luluh, kepadatan dan modulus Young, masing-masing). Perlu dicatat bahwa penelitian terbaru menunjukkan adanya gugus atom dalam OMS [9].

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

OMS tidak hanya memiliki kekuatan tinggi, kekerasan, ketahanan aus dan nilai besar deformasi elastis sebelum timbulnya deformasi plastis, tetapi juga ketahanan korosi yang tinggi, termasuk pasifasi pasif dalam beberapa solusi. Kekerasan tinggi, ketahanan aus, kualitas permukaan OMC, serta fluiditas selama pemanasan menentukan penggunaannya dalam mesin mikro sebagai mekanisme transmisi (roda gigi), komponen sistem mekanis presisi tinggi. OMS berbasis besi dan kobalt dengan magnetisasi saturasi hingga 1,5 T memiliki nilai kekuatan koersif yang rendah kurang dari 1 A / m dan secara aktif digunakan sebagai bahan lunak magnetis. Perlu dicatat bahwa di Rusia, ilmuwan logam yang berbasis besi dan kobalt terlibat dalam ilmuwan seperti A.M. Glezer, S.D. Kaloshkin dan banyak lainnya.

Fenomena transisi kaca yang diamati selama transisi dari cair ke gelas dan devitrifikasi pada pemanasan adalah salah satu masalah terpenting dari fisika keadaan padat yang belum sepenuhnya terselesaikan. Yaitu, apakah fase amorf dan cair fase yang sama, hanya diamati pada suhu yang berbeda, atau adakah transisi fase dari cairan ke keadaan amorf dan sebaliknya, dan jika demikian, transisi fase seperti apa ini? Beberapa keberhasilan telah dicapai dengan menggunakan simulasi komputer, tetapi masih belum ada kejelasan lengkap.

Untuk waktu yang lama, tidak jelas dari mana sifat logam "superfluid" tersebut berasal: "kerapuhan": penyimpangan yang kuat dari ketergantungan suhu viskositasnya dari hukum Arrhenius, sementara viskositas cairan kesetimbangan di atas suhu liquidus (Tl) mengikuti hukum ini. Penulis dan rekannya tidak menunjukkan difraksi sinar-X in-situ oleh radiasi synchrotron bahwa paduan Pd42.5Cu30Ni7.5P20 secara aktif dibentuk dalam struktur atom dekat suhu transisi kaca dari gugus logam yang terikat secara kovalen ke P, yang berkorelasi dengan ketergantungan suhu viskositas cairan [10] pada pendinginan. meleleh, seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 4 . Perhatikan bahwa viskositas cairan ketika didinginkan ke Tg berubah sebesar 10 kali lipat.

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

OMC secara sempurna dan seragam berubah bentuk secara plastis ketika dipanaskan ke area cairan pendingin sebelum kristalisasi (di atas Tg, tetapi di bawah Tx - suhu kristalisasi cairan pendingin [11,12]), dan dapat digunakan sebagai model untuk cetakan ( Gbr. 5 ).

Metode tradisional untuk memproses logam dengan tekanan dengan biaya rendah pada komponen paduan sering kali memerlukan langkah-langkah pemrosesan yang mahal dari blok sumber untuk mendapatkan produk akhir. Ini menyebabkan sejumlah besar bahan limbah. Dalam kasus OMS, dengan bantuan pemanasan cepat ke area cairan pendingin, dimungkinkan untuk mendapatkan produk dengan kualitas permukaan tinggi dalam satu tahap, seperti pada cetakan superplastik. Tetapi, karena tidak adanya batas butir, OMC akan lebih disukai untuk mikroobjek daripada paduan superplastik karena kualitas permukaan yang sangat tinggi.

Ara. 5 . Permukaan OMS setelah microforming di bidang cairan super dingin.

Namun demikian, salah satu hambatan utama untuk penggunaan yang lebih luas dari paduan kaca adalah keuletan terbatas pada suhu kamar [13]. Banyak OMS dihancurkan sebelum timbulnya deformasi makroplastik selama pembentukan satu pita geser.

Hal ini terjadi karena pelunakan sampel dalam pita deformasi geser lokal (tebal 10-20 nm, di mana material mulai mengalir di bawah aksi tekanan lokal yang tinggi) dan lokalisasi deformasi lebih lanjut pada pita-pita ini, berbeda dengan paduan kristal di mana pengerasan regangan menyebabkan deformasi lebih seragam dalam beberapa slip band. Namun, jika beberapa pita geser dengan lokalisasi deformasi yang timbul muncul ( Gbr. 6), kemudian sampai pada titik tertentu, dapat terjadi deformasi yang seragam secara makroskopis, yang lebih disukai untuk mendapatkan lebih banyak OMC plastik [14]. Dalam hal ini, studi tentang proses nukleasi dan perambatan pita geser dalam OMC sangat menarik. Sebagai hasil dari perbaikan komposisi, rekam nilai ketangguhan rekahan tinggi dari urutan 100 MPa obtained m diperoleh untuk Zr61Ti2Cu25Al12 [15] dan Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 OMS [16], serta paduan komposisi hipereutektik yang tidak memperkeruh selama relaksasi struktural [17]. Metode pengobatan siklik yang baru-baru ini diusulkan dalam nitrogen cair, karena perbedaan dalam koefisien ekspansi gugus atom dengan kerapatan tinggi dan rendah, mengarah ke "peremajaan" gelas logam (menerjemahkannya menjadi peningkatan energi) dan meningkatkan plastisitasnya [18].Metode suhu memegang cryogenic digunakan untuk memodifikasi sifat magnetik paduan berbasis besi [19].

. 6. () . .

Saat ini, bahan dua fase (tipe komposit) menjadi lebih luas, karena mereka dapat menggabungkan, dalam rasio optimal, set properti operasional yang diperlukan. OMS memiliki indikator kekuatan tinggi yang unik, tetapi, sebagai suatu peraturan, kurangnya keuletan, terutama daya tarik. Paduan kristal memiliki keuletan yang tinggi, dan bahan polimer juga memiliki kepadatan yang rendah. Oleh karena itu, penciptaan kelas baru material dua fasa yang kuat dan ringan yang didasarkan pada kaca logam dan kristal (atau polimer) membantu memecahkan masalah yang terkait dengan peningkatan material struktural mekanik, yaitu. untuk mendapatkan material dengan kekuatan dan keuletan spesifik yang tinggi dan unik.Bahan dua fase logam ringan seperti logam kaca / kristal, menggabungkan kekuatan logam campuran logam curah berdasarkan Ti atau Mg, dan daktilitas tinggi fase kristal dikembangkan di NUST MISiS dalam kerangka proyek 5-100 di Departemen Logam Non-Ferrous bekerja sama dengan Pusat Bahan Komposit [ dua puluh] (Ara. 7 ).

Ara. 7 . Gambar mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (dua daerah) dan pola difraksi dari daerah terpilih ukuran submikroskopik (bintik-bintik cerah terlihat dari fase kristal dan halo dari amorf).

Bahan yang menjanjikan adalah gelas logam berstruktur nano ( Gbr. 8 ) baru-baru ini diperoleh bekerja sama dengan Departemen ICM yang dapat digunakan sebagai bahan untuk obat (ketahanan korosi tinggi dan adhesi sel yang baik) dan untuk katalisis (permukaan yang dikembangkan) [21].

Ara. 8 . Permukaan kaca logam Zr-Pd berstruktur nano (SEM) sebagai sisipan dalam spektrum sinar-X yang diperoleh dari sampel.

Baru-baru ini ditunjukkan bahwa oksida amorf homogen yang terbentuk pada permukaan OMC Ni-Nb memiliki struktur amorf tanpa cacat dalam bentuk batas butir yang melekat pada kristal yang melaluinya arus listrik dapat mengalir. Mereka menunjukkan sifat semikonduktor, dan konduktivitasnya berubah dari elektron ke lubang setelah anil [22]. Bahan ini sesuai dengan dioda Schottky dengan arus balik yang sangat rendah, konduktivitasnya dapat dikontrol dengan anil dalam oksigen ( Gbr. 9 ).

Ara. 9 . Karakteristik volt-ampere oksida amorf alami pada permukaan OMC Ni-Nb (kurva biru) dan oksida tumbuh selama anil pada 300 C (kurva merah).

Sebagai kesimpulan, harus dicatat bahwa, setelah sejarah setengah abad, kacamata logam masih sangat menarik untuk mempelajari sifat dan struktur mereka yang tidak biasa, dan bahan kristal kaca dua fase sangat menjanjikan untuk penggunaan praktis sebagai bahan struktural kekuatan tinggi di daerah di mana biayanya sedikit lebih tinggi. materi tidak terlalu penting. Tentu saja, orang tidak boleh berharap bahwa OMC dan bahan dua fase, bahkan jika komposisinya lebih murah, akan menggantikan baja struktural atau paduan aluminium dalam konstruksi dan teknik berat. Namun, mereka, dan bahan dua-fase seperti kaca-kristal, sudah menemukan aplikasi yang lebih luas di daerah-daerah tertentu di mana mereka lebih unggul dari pesaing: sekrup ortopedi dalam kedokteran (biokompatibilitas), mikromisin (kemampuan bentuk, ketahanan aus),peralatan olah raga (fleksibilitas, kekuatan, sejumlah besar energi elastis yang disimpan (Gbr. 10)), sensor tekanan (fleksibilitas tanpa deformasi permanen), mikrostamp (sifat mampu bentuk, ketahanan aus), dll. Bahan-bahan ini dapat mengarah pada penemuan teknologi revolusioner, yang berpotensi memadatkan tradisi pemrosesan logam untuk aplikasi inovatif.

Ara. 10 Contoh ini menggambarkan kemampuan tinggi OMC untuk menyimpan energi deformasi elastis ketika ingot jatuh dari ketinggian tertentu dalam tabung ke landasan.

Sumber sastra

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.

Pendapat ahli: Masa depan kacamata logam

More articles: