🍎 ➖ 👨🏿‍💼 Opinião de especialistas: O futuro dos vidros metálicos 🛒 👗 💛

Hoje falaremos sobre o futuro dos vidros metálicos. Para fazer isso, nós nos voltamos para o nosso importante cientista, especialista internacional na área de óculos de metal grosso, doutor em ciências técnicas, professor da Universidade de Tohoku / Japão, pesquisador-chefe, chefe do laboratório do Instituto para Advanced Materials Research e projeto gerente Metastable materiais metálicos de duas fases com alta resistência específica em NITU "MISiS" - para Dmitry Valentinovich Luzgin .

Este projeto não possui análogos na Rússia e no exterior, dada a natureza abrangente da pesquisa, a variedade de propriedades estudadas e os tipos de materiais utilizados. A competência do cientista é confirmada por artigos científicos em revistas comoNatureza, Nanoescala, Acta Materialia, Materiais Funcionais Avançados, Relatórios Científicos, Cartas de Física Aplicada , bem como avaliações por pares em Nature Communications, Acta Materialia, Cartas de Física Aplicada, Journal of Materials Research, Ciência e Engenharia de Materiais, Journal of Solid-Non-crystalline Solids, Journal of Materials Science.

Uma história científica fascinante sobre aço e ligas espera por você! Na sua opinião de especialista, Dmitry Valentinovich discute o futuro dos vidros metálicos, sua aplicação, maneiras de melhorar suas propriedades mecânicas e perspectivas de uso em áreas específicas.

A versão completa da animação com uma descrição no final da publicação.

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Desde o final do século passado, numerosos estudos experimentais e teóricos conduzidos por cientistas fornecem uma pequena melhoria no complexo de propriedades mecânicas de ligas metálicas (especialmente específicas: por unidade de massa) usando métodos clássicos: endurecimento por solução sólida, endurecimento, envelhecimento, deformação plástica, recozimento, etc. . E se na engenharia pesada, na construção naval (exceto para pequenas embarcações), a indústria automotiva, as ligas de aço e alumínio estão e estarão fora de competição, na aviação civil e em equipamentos esportivos, os metais são significativamente substituídos por materiais compósitos não metálicos. Por exemplo, um Boeing 787 é feito principalmente de compósitos poliméricos reforçados com fibra de carbono (50% em peso, comparado a 12% em um Boeing 777) [1].Os metais tradicionais foram substituídos significativamente por compósitos com maior resistência específica, e a participação de ligas de alumínio diminuiu para 20% (contra 50% no Boeing 777).
Fundamentalmente, são necessários novos métodos para produzir e processar ligas para criar uma nova geração de materiais metálicos estruturais e funcionais.

As ligas metálicas industriais solidificam para formar uma estrutura cristalina mesmo com altas taxas de resfriamento. A preparação de ligas de metal amorfo / vítreo (ou vidros metálicos), incluindo metais puros, requer taxas de resfriamento extremamente altas, por exemplo, quando filmes finos são pulverizados sobre um substrato resfriado da fase gasosa [2]. A pulverização de metais puros em gotículas em nanoescala leva não apenas a altas taxas de resfriamento, mas também a uma baixa probabilidade do aparecimento de um núcleo crítico de uma fase cristalina em um nanovolume [3].

Ligas com maior tendência à vitrificação, chamadas de capacidade de formação de vidro, geralmente de composição eutética, são obtidas desde os anos 60 do século passado por um resfriamento rápido do derretimento com velocidades da ordem de 1 MK / s por disco de cobre rotativo ou por compressão de uma gota de derretimento entre dois planos metálicos [ 4] Nesse caso, as ligas metálicas sofrem continuamente um estado vítreo após o resfriamento e sofrem uma transformação reversa após o aquecimento subsequente com uma taxa de aquecimento suficientemente alta.

Nos anos 70 do século passado, as primeiras fundições macroscópicas de ligas amorfas de paládio com um tamanho da ordem de 1 mm foram obtidas em cada uma das três dimensões espaciais, que mais tarde foram chamadas de vidros metálicos a granel [5]. Amostras mais maciças foram obtidas nos anos 80 após o tratamento de fluxo do fundido, o que tornou possível suprimir a nucleação heterogênea de cristais [6], mas devido ao alto custo excepcional do componente principal do paládio, por um longo tempo eles não interessaram particularmente a cientistas e engenheiros.

Nos anos 90, vidros metálicos a granel (OMS) [7], com tamanho> 1 mm em cada uma das três dimensões espaciais ( Fig. 1 ), foram obtidos com base em metais amplamente utilizados: magnésio, titânio, cobre, ferro, etc. em ligas duplas, triplas, quádruplas e multicomponentes.

FIG. 1. Amostras das peças vazadas do OMS (imagem óptica).

Uma análise estatística das informações disponíveis no OMS mostrou um aumento na capacidade de formação de vidro de ligas duplas para triplas e quádruplas. Além disso, ao analisar um banco de dados de 95 ligas ternárias com capacidade conhecida de formação de vidro na forma de um diâmetro crítico de OMC (as ligas tratadas com fluxo não foram levadas em consideração), foi encontrada regularidade estatística na distribuição das composições de OMC ( Fig. 2) [8] Os máximos locais do diâmetro crítico estão localizados próximo às composições A70B20C10, A65B25C10, A65B20C15, A56B32C12, A55B28C17, A44B43C13 e A44B38C18 e os mínimos locais próximos às composições A75B20C5, A75B15C10, A60B35C5, A55B35C15, A55B35C15, A55B35C15, Isso indica as regularidades na composição do OMC e a não aleatoriedade das relações atômicas. A liga A50B25C25 corresponde ao composto A2BC, A60B35C5 ao composto A3 (B + C) 2 e A75B20C5 e A75B15C10 estão próximos do composto pseudo-duplo A3 (B + C).

FIG. 2. A superfície do diâmetro crítico (o diâmetro máximo de uma fundição amorfa) construída suavizando um conjunto de dados arbitrário de ligas triplas (95 pontos de fontes literárias).

A estrutura atômica dos vidros demonstrando a ausência de ordem de longo alcance no arranjo dos átomos ( Fig. 3) determinam suas propriedades, em particular mecânicas. Em termos de resistência e resistência específica, elas excedem significativamente as ligas cristalinas correspondentes, devido à impossibilidade de usar os mecanismos de deformação acomodacional de um deslocamento ou tipo gêmeo. O estresse de rendimento condicional do OMC atinge ~ 2 GPa para OMC com base em Cu, Ti e Zr, ~ 3 GPa com base em Ni, ~ 4 GPa com base em Fe, ~ 5 GPa com base em Fe e Co e 6 GPa para ligas de cobalto. A estrutura do vidro metálico também fornece deformação elástica de até 2%, que em combinação com uma alta resistência ao escoamento leva a grandes valores da energia armazenada da deformação elástica (indicadores σy2 / E e σy2 / ρ, onde σy, ρ e são a resistência ao escoamento, densidade e módulo de Young, respectivamente). Deve-se notar que estudos recentes indicam a presença de aglomerados atômicos no OMS [9].

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

Os OMSs possuem não apenas alta resistência, dureza, resistência ao desgaste e grandes valores de deformação elástica antes do início da deformação plástica, mas também alta resistência à corrosão, incluindo passivação espontânea em algumas soluções. Alta dureza, resistência ao desgaste, qualidade da superfície do OMC e fluidez durante o aquecimento determinam seu uso em micro-máquinas como mecanismos de transmissão (engrenagens), componentes de sistemas mecânicos de alta precisão. Os OMSs baseados em ferro e cobalto com magnetização de saturação de até 1,5 T apresentam baixos valores de força coercitiva inferiores a 1 A / m e são usados ativamente como materiais magneticamente macios. Deve-se notar que, na Rússia, cientistas de metais baseados em ferro e cobalto estavam envolvidos em cientistas como a A.M. Glezer, S.D. Kaloshkin e muitos outros.

O fenômeno de transição vítrea observado durante a transição do líquido para o vidro e a destitrificação após o aquecimento é um dos problemas mais importantes da física do estado sólido que não foram completamente resolvidos. Ou seja, as fases amorfa e líquida são a mesma fase, apenas observadas em temperaturas diferentes, ou existe uma transição de fase do estado líquido para o estado amorfo e vice-versa? Em caso afirmativo, que tipo de transição de fase é essa? Alguns sucessos foram alcançados usando simulação por computador, mas ainda não há clareza completa.

Durante muito tempo, não ficou claro de onde vem essa propriedade do metal "superfluido": "fragilidade": um forte desvio da dependência da temperatura de sua viscosidade da lei de Arrhenius, enquanto a viscosidade de um líquido de equilíbrio acima da temperatura liquida (Tl) segue essa lei. O autor e os colegas não mostraram difração de raios-X in situ por radiação síncrotron de que a liga Pd42.5Cu30Ni7.5P20 foi ativamente formada na estrutura atômica perto da temperatura de transição vítrea de aglomerados de metal ligados covalentemente a P, o que se correlacionou com a dependência de temperatura da viscosidade do líquido [10] após o resfriamento derreter, como mostrado esquematicamente na Fig. 4 . Observe que a viscosidade do líquido quando resfriado para Tg muda em 10 ordens de magnitude.

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

O OMC se deforma perfeita e uniformemente de maneira plástica quando aquecido na área do líquido super-resfriado antes da cristalização (acima de Tg, mas abaixo de Tx - a temperatura de cristalização do líquido super-resfriado [11,12]) e pode ser usado como modelo para matrizes ( Fig. 5 ).

Os métodos tradicionais de moldagem de metal com componentes de ligas de baixo custo geralmente exigem etapas de processamento caras do bloco de origem para obter o produto final. Isso leva a uma grande quantidade de resíduos. No caso do OMS, com a ajuda de aquecimento rápido para a área de líquido super-resfriado, é possível obter um produto com alta qualidade superficial em uma etapa, como na moldagem superplástica. Porém, devido à ausência de limites de grão, o OMC será preferível para microobjetos do que ligas superplásticas devido à qualidade extremamente alta da superfície.

FIG. 5 . Superfície OMS após microformação na área de líquido super-resfriado.

No entanto, um dos principais obstáculos ao uso mais amplo de ligas vítreas é sua ductilidade limitada à temperatura ambiente [13]. Muitos OMS são destruídos antes do início da deformação macroplástica durante a formação de uma banda de cisalhamento.

Isso ocorre devido ao amolecimento da amostra em bandas de deformação de cisalhamento local (bandas de 10 a 20 nm de espessura, nas quais o material começa a fluir sob a ação de altas tensões locais) e posterior localização da deformação nessas bandas, em contraste com as ligas cristalinas nas quais o endurecimento por deformação leva a deformação mais uniforme em várias faixas de deslizamento. Entretanto, se várias bandas de cisalhamento com localização alternada de deformação surgirem ( Fig. 6), até certo ponto, pode ocorrer uma deformação macroscopicamente uniforme da amostra, o que é preferível para obter mais OMCs de plástico [14]. Nesse sentido, o estudo do processo de nucleação e propagação de bandas de cisalhamento no MAC é de grande interesse. Como resultado da melhoria da composição, foram obtidos altos valores de tenacidade à fratura da ordem de 100 MPa √ m para o Zr61Ti2Cu25Al12 [15] e Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 OMS [16], bem como ligas de composições hipereutéticas que não são quebradiças durante o relaxamento estrutural [17]. O método recentemente proposto de tratamento cíclico em nitrogênio líquido, devido à diferença nos coeficientes de expansão térmica de aglomerados atômicos de alta e baixa densidade, leva ao "rejuvenescimento" do vidro metálico (traduzindo-o em um estado energético aumentado) e aumentando sua plasticidade [18].O método de retenção da temperatura criogênica foi utilizado para modificar as propriedades magnéticas das ligas à base de ferro [19].

. 6. () . .

Hoje, os materiais bifásicos (tipo composto) estão se tornando mais difundidos, pois são capazes de combinar, em uma proporção ideal, o conjunto necessário de propriedades operacionais. OMS possui indicadores de força excepcionalmente altos, mas, como regra, a falta de ductilidade, especialmente de tração. Ligas cristalinas têm alta ductilidade e materiais poliméricos também possuem baixa densidade. Portanto, a criação de uma nova classe de materiais bifásicos leves e fortes à base de vidro de metal e um cristal (ou polímero) ajuda a resolver o problema associado à melhoria de materiais estruturais mecânicos, ou seja, para obter um material com resistência e ductilidade específicas excepcionalmente altas.Materiais bifásicos de metal leve, como vidro / cristal metálico, combinando a resistência das ligas vítreas de metais a granel com base em Ti ou Mg e a alta ductilidade das fases cristalinas são desenvolvidos na NUST MISiS, no âmbito do projeto 5-100 do Departamento de Metais Não Ferrosos, em colaboração com o Center for Composite Materials [ vinte] (FIG. 7 )

FIG. 7 . Imagem da microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (duas regiões) e padrões de difração de uma região selecionada de tamanho submicroscópico (pontos brilhantes são visíveis na fase cristalina e halo no amorfo).

Os materiais promissores são os vidros metálicos nanoestruturados ( Fig. 8 ), obtidos recentemente em colaboração com o Departamento ICM, que podem ser usados como materiais para medicina (alta resistência à corrosão e boa adesão celular) e para catálise (superfície desenvolvida) [21].

FIG. 8 . A superfície do vidro de metal nanoestruturado (SEM) de Zr-Pd como uma inserção no espectro de raios-X obtido a partir da amostra.

Foi recentemente demonstrado que os óxidos amorfos homogêneos formados na superfície do Ni-Nb OMC têm uma estrutura amorfa sem defeitos na forma de limites de grãos inerentes aos cristais pelos quais a corrente elétrica pode passar. Eles demonstram propriedades de semicondutores e sua condutividade muda de elétron para buraco após o recozimento [22]. Esse material corresponde a um diodo Schottky com uma corrente reversa muito baixa, cuja condutividade pode ser controlada pelo recozimento no oxigênio ( Fig. 9 ).

FIG. 9 . Característica volt-ampère do óxido amorfo natural na superfície do OMC Ni-Nb (curva azul) e óxido crescido após o recozimento a 300 ° C (curva vermelha).

Concluindo, deve-se notar que, depois de meio século de história, os vidros metálicos ainda são de grande interesse para estudar suas propriedades e estrutura incomuns, e os materiais de cristal de vidro bifásico são muito promissores para uso prático como materiais estruturais de alta resistência em áreas onde o custo é um pouco mais alto material não importa muito. Obviamente, não se deve esperar que o OMC e os materiais bifásicos, mesmo que as composições sejam mais baratas, substituam o aço estrutural ou as ligas de alumínio na construção e na engenharia pesada. No entanto, eles e materiais bifásicos, como cristal de vidro, já estão encontrando uma aplicação mais ampla em certas áreas onde são superiores aos concorrentes: parafusos ortopédicos na medicina (biocompatibilidade), micro-máquinas (conformabilidade, resistência ao desgaste),equipamentos esportivos (flexibilidade, força, grande quantidade de energia elástica armazenada (Fig. 10)), sensores de pressão (flexibilidade sem deformação permanente), microstamps (formabilidade, resistência ao desgaste), etc. Esses materiais podem levar à invenção de tecnologias revolucionárias, potencialmente impedindo a tradicional processamento de metais para aplicações inovadoras.

FIG. 10 Este exemplo ilustra a alta capacidade do OMC de armazenar a energia da deformação elástica quando o lingote cai de uma certa altura no tubo até a bigorna.

Fontes literárias

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