Физико-химические условия образования АМС. Проведенные исследования АМС привели к получению новых фундаментальных сведений о строении и свойствах металлов и сплавов. Сейчас ясно, что аморфное состояние в металлических системах представляет собой одну из закономерных разновидностей существования вещества и занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим состояниями в последовательности газ - жидкость - твердое тело. В первых исследованиях аморфное состояние в металлических сплавах рассматривали как абсолютно неустойчивое, лабильное, но в настоящее время имеется все больше оснований рассматривать его как метастабильное. В пользу этого указывает ряд надежно установленных фактов:

- АМС, полученные в различных условиях и различными методами, имеют практически одинаковые физические свойства;

- экспериментально определенные значения энтальпии кристаллизации АМС, полученные в различных лабораториях, сходятся между собой и дают общую зависимость от химического состава. Это же относится и к температурам начала кристаллизации и ее максимальной скорости;

- АМС, полученные закалкой из расплава и методом механос.плав-ления из чистых компонентов в высокоэнергетических шаровых мельницах, имеют одни и те же параметры кристаллизации;

- в ряде систем полученные при закалке кристаллические пересыщенные твердые растворы при их нагревании переходят в аморфное состояние (так называемое инверсное плавление ). Это обусловлено тем, что распад закаленного сплава требует большого перераспределения концентраций, переход в аморфное состояние такого перераспределения не требует, но сопровождается уменьшением энергии Гиббса;

- прямые экспериментальные определения энтальпии образования ряда аморфных сплавов показали, что эта величина закономерно зависит от химического состава и близка к энтальпии образования расплава при температуре Т.

Первые попытки анализа причин, приводящих к образованию аморфного состояния в металлических системах, были связаны с установлением некоторых общих корреляций. Так, отмечалось, что АМС преимущественно образуются в области составов, соответствующих глубоким эвтектикам. Однако АМС были получены и в области составов, соответствующих интерметаллическим соединениям. Рассматривали корреляции между склонностью к аморфизации и электронным строением сплавов, а также и некоторые другие. Однако отмеченные выше опре-

деления энтальпии образования АМС прямыми калориметрическими методами показали, что ее зависимость от концентрации может быть хорошо описана в рамках теории ассоциированных растворов. Сами значения энтальпии образования АМС близки к энтальпии образования интерметаллидов. Образование малых группировок, ассоциатов, разнородных атомов в расплаве, обусловленное их сильным химическим взаимодействием, приводит к повышению его вязкости, что способствует переохлаждению жидкого состояния и переходу его при быстром охлаждении в аморфное состояние. Существенно, что один из основателей современной теории кристаллизации Г. Тамман указывал, что образование различного типа стекол наблюдается при быстром охлаждении так называемых ассоциированных жидкостей. АМС, по существу, представляют собой металлические стекла и их физико-химическая природа, в этом смысле, не отличается от других органических и неорганических стекол.

Практическое применение АМС. Благодаря уникальному сочетанию свойств аморфные и нанокристаллические материалы нашли в настоящее время широкое промышленное применение. На рис. 5.33 показан внешний вид некоторых деталей, изготовленных из аморфных сплавов [33].

Аморфные магнитные сплавы успешно конкурируют с такими кристаллическими материалами, как высоконикелевые пермалои и Fe-Si-электротехнические стали. Продолжается поиск различных областей их применения, таких как использование высокоомных сплавов для электронагревателей, высокопрочных и коррозионностойких сплавов для армирования композитов и режущего инструмента, высококоэрцитивных сплавов на основе систем Fe-Nd-В и Fe-Сг-Со для постоянных магнитов, в качестве чувствительных элементов - датчиков с использованием гальваномагнитных, магнитоупругих, магнитострикционных, магнитоэлектрических, магнитоакустических и других свойств, аномально высоких для этих материалов.

Подробный анализ промышленного использования АМС содержится в обзорах [34]. Подавляющая масса промышленно выпускаемых АМС относится к магнитомягким. Годовые объемы их производства достигают десятков тысяч тонн. В настоящее время в мире эксплуатируется более 100 тыс. трансформаторов с магнитопроводами из АМС. Изготовлен и работает трансформатор мощностью 1600 кВ-А. В России ЦНИИчермет и ВНИИметмаш разработали технологию и оборудование для производства магнитомягких аморфных сталей в объеме около 3,5 тыс. т в год. Экономические оценки показывают, что использование АМС для из-

Рис. 5.33. Внешний вад деталей, изготовленных из аморфных сплавов-штампов? Р* : А1 з№,Мтз5 (Мт-мишметшит) путем экструзии, стГпп. полировки; 6 ~ микрошестерня, изготовленная непосред-

ственно прессованием из расплава (33]

готовления трансформаторов становится выгодным при их цене менее 3,5 долл. США за 1 кг. Разработанная технология позволяет при указанных объемах производства выдержать эти рамки.

Возможности практического использования аморфных металлических сплавов еше далеко не исчерпаны, так же как и возможности их теоретического изучения, которые могут привести к обнаружению новых композиций с новыми свойствами.

мёГЛЩплав1пециальными свойствами

СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Интерес к проблеме сверхпластичности объясняется удачным комплексом технологических характеристик сверхпластичных материалов: ресурс деформационной способности их в десятки раз больше, а сопротивление деформации в несколько раз меньше аналогичных характеристик тех же материалов в пластическом состоянии. В результате использование состояния сверхпластичности, например при штамповке, позволяет получить на прессах относительно небольшой мощности крупногабаритные изделия сложной формы {35].

В реологическом отношении сверхпластическое поведение металлов и других материалов, а также преимущества практического использования сверхпластр1ческой деформации (малые напряжения течения, исключительно высокая пластичность и способность к образованию сложных форм под действием малых давлений) можно объяснить способностью соответствующих материалов к вязкому течению. Все физические и реологические модели сверхпластической деформации (СПД) базируются на зависимости напряжения от скорости деформации [35-36], которая, как известно, является принципиальной характеристикой вязких дматериалов. Уровень сверхпластичности количественно оценивается показателем чувствительности напряжения течения к скорости деформации т в уравнении = Л , где - интенсивность напряжения течения; - интенсивность скорости деформации; Л - коэффиииеш. Простой анализ показывает, что чем выше показатель скоростной чувствительности напряжения течения, тем сильнее проявляются отмеченные выше преимущества СПД. Для обычных металов и сплавов при горячей деформации т < 0,2, в то время как сверхпластичные материалы в оптимальных условиях показывают w>0,3. Некоторые материалы ведут себя как линейно вязкие (ньютоновские) жидкости, при этом т достигает значения 1,0. Коэффициент К в приведенном выше уравнении является структурно-чувствительным и термоактивируемым параметром, связанным со сдвиговой вязкостью материата (ri = ст/З) следующим уравнением:

(5.4)

Из уравнения (5.4) видно, что сдвиговая вязкость уменьшается с увеличением скорости деформации, если испытуемый материал демонстрирует нелинейную вязкость (т < 1), и становится независимой от скорости деформации, если материал ведет себя как линейно вязкая жидкость {т = 1).

Течение материалов в процессе сверхпластической деформации реологически сходно с течением кристаллизующихся металлических расплавов в процессах жидкой штамповки, термопластов при их деформировании в нагретом состоянии, а также с поведением ряда природных материалов (материалы, входяшие в состав геологических слоев поверхности и мантии Земли, ледниковый лед и т. д.), демонстрирующих ква-зисверхтщастическое течение.

Феноменология сверхпластической деформации

Сверхпластическое состояние материалов: признаки и условия существования сверхпластичности

Сверхпластичные материалы в реологическом отношении могут быть отнесены к классу вязкопластических сред. К этому же классу обычно относятся металлы и сплавы, деформируемые в горячем состоянии, однако в отличие от них сверхпластичные материалы имеют более развитую вязкую компоненту течения.

Накопленный экспериментальный материал [35] позволяет выделить три основных признака, сочетание которых характеризует состояние сверхпластичности.

1. Повышенная (по сравнению с пластическим состоянием) чувствительность напряжения течения сверхпластичных материалов (термин сверхпластичные материалы используем здесь и далее условно как сокрашенный вариант термина металлические материалы, находяшиеся в состоянии сверхпластичности по аналогии с сокращенными терминами пластичные материалы , хрупкие материалы ) к изменению скорости деформации или, иными словами, повышенная склонность сверхпластичных материалов к скоростному упрочнению.

2. Чрезвычайно большой ресурс деформационной способности, особенно наглядно проявляющийся в возможности деформировать сверхпластичные материалы при растяжении равномерно, без заметной локализации, до нескольких сотен и даже тысяч процентов.

3. Напряжение течения материалов в состоянии сверхпластичности значительно меньше (в большинстве случаев в несколько раз) предела текучести, характеризующего тот же материал в пластическом состоянии.

Наиболее существенным из перечисленных признаков состояния сверхпластичности является первый, а два других можно рассматривать как его следствия. В самом деле, способность сверхпластичных материалов к большим равномерным деформациям обусловлена, как известно,

сильной зависимостью напряжения течения указанных материалов от скорости деформации, приближающей их по реологическим признакам к вязким жидкостям. Именно вязким поведением сверхпластичных материалов объясняется также и их способность течь под действием напряжений, которые значительно меньше табличного предела текучести.

Указанные признаки состояния сверхпластичности проявляются, как показывают многочисленные экспериментальные данные, в определенных условиях [35]; из них принципиальное значение имеют структурное состояние деформируемого материала, температурные условия деформации и скорость деформации.

Структурное состояние. По этому признаку принято различать два типа сверхпластичности:

Структурная сверхпластичность (ССП), т.е. проявляющаяся в зависимости от исходного состояния структуры материала. Этот тип сверхпластичности демонстрируют металлические и керамические материалы, интерметаллиды и композиты с особо мелкими зернами {L < 10 мкм). При этом, чем меньше размер зерен, тем сильнее проявляются указанные выше признаки сверхпластичности.

Сверхпластичность фазовых превращений (ФПСП), проявление которой не зависит от исходного состояния структуры материала. Эта разновидность сверхпластичности проявляется у полиморфных металлов и сплавов при их деформировании в процессе фазовых превращений.

Температурные условия. Температурный интервал существования структурной сверхпластичности довольно широк. Различный для разных материалов, он может находиться в пределах от температуры начала рекристаллизации, равной 0,4 rj до температур, близких к температуре плавления. Нижняя фаница температурного интервала обусловлена ролью диффузионных процессов в механизме сверхпластической деформации, верхняя фаница соответствует температуре начала собирательной рекристаллизации, в результате которой начинается интенсивный рост зерен. Однако какой бы ни была температура структурной сверхпластичности, она должна поддерживаться постоянной по объему деформируемого объекта в течение всего периода деформации для равномерного течения материала. Поэтому структурную сверхпластичность иногда называют изотермической.

Сверхпластичность, связанная с превращением, может быть реализована при различных температурных режимах; в процессе монотонно изменяющейся температуры, проходящей через интервал прямого (при нагреве) или обратного (при охлаждении) превращения; при термоцик-