крайней мере в первой координационной сфере, неодинако&ы для разных атомов, потенциальная энергия по отношению к окружению также различна для каждого конкретного атома. Следовательно, способность к перемещению тоже не является одинаковой для всех атомов. Однако, в целом, за счет различных уравновешивающих процессов макроскопические свойства получаются изотропными. Поэтому в отношении свойств, отражающих маироскопиче-ское строение вещества аморфные металлы должны вести себя как изотропные тела.

Возникает вопрос, какие особенности характерны для упругих постоянных аморфных металлов и в чем состоит их отличие от упругих постоянных кристаллических металлов? Для ответа на этот вопрос прежде всего рассмотрим некоторые экспериментально определенные упругие постоянные кристаллических и аморфных металлов, приведенные в табл. 8.1, К сожалению, из-за того, что аморфные металлы обычно получаются только в виде тонкой ленты, проведено довольно мало экспериментов по определению упругих постоянных аморфных металлов, а поскольку точность этих экспериментов низка, можно лишь качественно судить об их величине. Все же из таблицы видно, что модуль сдвига G аморфного сплава меньше на 30% и более, чем модуль сдвига того кристаллического металла, который является основой сплава. Такая же закономерность наблюдается и в отношении модуля Юнга. Во всех случаях модуль Юнга Е, модуль сдвига G, модуль объемной упругости В аморфных сплавов на 30-50% меньше, чем аналогичные величины для кристаллических металлов, входящих в соответствующий сплав в качестве его основы.

Таблица 8.1. Упругие постоянные кристаллических и аморфных материалов

Материал

Аморфные сплавы:

PosoSijo......

PdjgSiieCug . . . .

NivePw ......

О374ревВ20.....

FegoBjo ......

Кристаллические металлы:

Pd ... .....

Ni ........

Со ........

Fe ........

Силикатное стекло (SiOj)

Л s

us Ш

11 >

&0

* Изменение при кристаллизации.

Известно, что для твердого тела, в котором учитываются только силы кулоновского взаимодействия между атомами (твердое тело Коши), величина B/G должна составлять 1,7. Согласно табл. 8.1 для аморфных металлов B/G больше чем 1,7. Это обстоятельство отражает тот факт, что для аморфных металлов характерна межатомная связь некулоновской природы, а именно, металлическая связь. То, что упругие постоянные аморфных металлов меньше соответствующих упругих постоянных кристаллических металлов, можно объяснить, на основе схемы, приведенной на рис. 8.1, из которой видно, что средняя сила межатомного взаимодействия в аморфном состоянии меньше, чем в кристаллическом.

Однако одна характеристика упругого поведения аморфных металлов, а именно, неупругость, довольно велика [2]. Это вызвано отсутствием регулярности в расположении атомов. Как видно из рис. 8.1, атомы, находящиеся в неустойчивых положениях, могут сравнительно легко смещаться под действием внешних напряжений, в результате чего приложенное к аморфному металлу напряжение может частично релаксировать, а удлинение образца может оказаться не прямопропорцйональным приложенному напряжению. Такое явление неупругости может быть выявлено по диаграммам деформации, т. е. по кривым растягивающее напряжение - удлинение [4, 5] или в экспериментах по внутреннему трению [6, 7].

На рис. 8.2 показана связь между растягивающей нагрузкой и удлинением при деформации образцов аморфного сплава Pd8oSi2o при комнатных температурах. Для абсолютно упругих тел удлинение линейно зависит от напряжения. В случае же аморфных сплавов эта зависимость при больших напрузках отклоняется от линейного закона. При снятии нагрузки форма образца не восстанавливается и при этом возникает так называемая петля механического гистерезиса. Энергия, соответствующая площади этой петли, необратимо расходу-. ется на смещение атомов, находящихся в неустойчивых положениях. Величина таких смещений в аморфных металлах, как правило, примерно на порядок больше, чем в кристаллических металлах, а полная деформация при этом составляет 1-2%. Неупругость аморфных металлов связана со свободным объемом в их структуре: если свободный объем мал, то мала и неупругая деформация. Следовательно, неупругость связана также и с плотностью сплава: неупругая деформация аморфных сплавов снижается после отжига, вызывающего структурную релаксацию

Удмнете

Рнс. 8.2. Диаграммы растяжения в координатах нагрузка - удлинение и неупругость аморфного сплава PdsoSi при комнатных температурах

И Кристаллизацию, и, наоборот, возрастает после облучения.

8.2. ТВЕРДОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ

Важными особенностями аморфных металлов являются их высокие твердость и прочность. В табл. 8.2 приведены типичные значения этих величин для различных аморфных сплавов. Как твердость, так и прочность сильно изменяются в зависимости от химического состава сплава. Например, в сплавах на основе элементов подгруппы железа (Fe, Со, Ni) твердость HV может достигать значений >1000, а прочность - выше 4,0 ГН/м. Эти значения больше, чем максимальные значения прочности и твердости используемых в настоящее время металлических материалов. Так, прочность проволоки из некоторых аморфных сплавов на железной основе примерно на 1,0 ГН/м выще прочности так называемой рояльной проволоки, что видно по диаграммам деформации, представленным на рис. 8.3. Значения <jfE для аморфных сплавов равны 0,02-0,03, что составляет почти половину от значения ia/£ = 0,05, отвечающего теоретической прочности. Это существенно выше, чем для наиболее прочных из используемых ныне металлических материалов, для которых составляет всего лишь Ю--Ю-. Например,

прочность рояльной проволоки, как наиболее прочного из известных в настоящее время стальных изделий, приближается к 3,0 ГН/м. Поскольку ее модуль Юнга равен 210 ГН/м, то получается, что о1Е составляет не более 0,015. Далее, как видно из табл. 8.2, отношение твердости к прочности HVM составляет 2,5-3,0, что близ-Таблица 8.2. Твердость и прочность некоторых аморфных сплавов

ко К теоретической величине 2,9 для идеально пластичных тел, не претерпевающих деформационного упрочнения. Таким образом, все сказанное выше с полным правом позволяет назвать аморфные металлы высокопрочными материалами.

Важным фактором, влияющим на прочностные характеристики аморфных сплавов, является их химический состав. В сплавах с одинаковыми основными металлическими элементами прочностные свой-

Рис. 8.3. Сравнение диаграмм деформации аморфного сплава FersSiioBis и рояльной проволоки (скорость деформации 8=4,17-10- с-)-

1 - рояльная проволока 0 0,18 мм; 2 -аморфный снлав после волочения R = = 85%; 3 -то же, R=36%; 4 - аморфный сплав (проволока 0 0,18 мм), не подвергнутый волочению

О f,0 Zfl J,0. itfl 5,0

ства меняются в зависимости от сорта и количества атомов металлоидов, облегчающих аморфизацию. Так, на рис. 8.4 приведена зависимость твердости бинарного сплава Fe-В от содержания бора [12]. Из этого рисунка следует, что с увеличением концентрации бо-ратвердость сплава возрастает практически линейно. На рис. 8.5 показано, как изменяется твердость при добавлении второго металлоида (М) в сплавы FesoBM и РевоРм- При постоянном суммарном содержании металлоидов 2070 (ат.) твердость сплава сильно зависит от сорта атомов второго металлоида. Видно, что твердость сплава РевоРго увеличивается при добавлении В, С и Si и снижается при добавлении Ge; в случае же сплава РевоВго твердость всегда снижается при добавлении С, Si, Р и Ge. Можно считать, что с изменением содержания М твердость меняется линейно.

Поскольку сплавы Рево-го (М-С, Si, Ge) не аморфизируются при быстром охлаждении, значения твердости этих сплавов показаны на рис. 8.5 как результат линейной экстраполяции до концентрации М, равной 20% (ат.). Если сравнить твердость сплавов, содержащих одинаковые суммарные количества металлоидов [20% (ат.)], то можно заметить, что она

15 го X, % (т.)

Рис. 8.4. Твердость аморфных сплавов Feioo-xBx

N(FeeoGea)

Л7 л;

уменьшается в ряду составов РсвоВго, FegoCa, Fe8oSi2o, FesoPzo. FegoGeao. Таким образом, чем выше по периодической системе порядковый номер группы и периода данного метиллоида, тем ниже твердость сплава на основе железа.

Однако, если в аморфном сплаве тип и концентрация металлоидных атомов неизменны, то как будут меняться твердость и прочность при дополнительном легировании металлами? Чтобы дать представление о характере таких изменений, на рис. 8.6 приведены зависимости твердости HV, модуля Юнга £ и предела текучести сгу от среднего числа внешних s- и -электро-нов, приходящихся на один атом металла (е/а), при частичной замене никеля в сплаве NiysSigBn на другие 3d-переходные металлы [13]. Видно, что каждая из выше указан-. ных механических характеристик существенно изменяется при увеличении концентрации М. Так, при замещении никеля любым переходным металлом с меньшим порядковым номером HV, Е п Оу возрастают; напротив, при замене никеля на переходный металл с большим порядковым но.мером эти величины проявляют тенденцию к снижению.

В верхней части рис. 8.6 показано изменение параметра е/а. Отчетливо видна взаимосвязь между всеми тремя меха1ническими характеристиками (HV, £ и Оу), с одной стороны, и величиной е/а с другой: если среднее число электронов в сплаве снижается, то HV, Е и Оу повышаются. Это обстоятельство наводит на мысль о том, что изменения твердости и прочности аморфных сплавов отражают изменения в химической связи между металлическими и металлоидными атомами. При этом предполагается, что в результате заполнения электронами атомов металлоидов валентных уровней атомов переходных металлов, входящих в состав сплава, возникает частичная связанность электронных состояний за счет sd-ти-бридизации в атомах металлов и sp-гибридизации в атомах металлоидов. Эти процессы, вероятно, и определяют твердость и прочность аморфных сплавов.

8.3. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ ПРИ КОМНАТНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

При одноосном растяжении аморфные металлы проявляют все признаки хрупкого разрушения: с ростом напряжения образец почти не удлиняется пластически, а при достижении определенной

Рис. 8.5. Влияние концентрации металлоидов М на твердость HV аморфных сплавов на основе железа FegoBjo-xAfi и FegoPzo-iMx (в скобках указаны составы сплавов, значения твердости которых получены экстраполяцией)

m, % (am.)

Рис. 8.6. Влияние легирования Зй(-переходными металлами (At) иа твердость HV, модуль Юнга Е и предел текучести а аморфных сплавов (Ni-Af)75SiigBi7

нагрузки он внезапно разрушается. На рис. 8.2 приведены диаграммы деформации при комнатной температуре тонких лент из аморфного сплава МвоЗго в координатах растягивающее усилие - удлинение . Можно считать, что такие диаграммы, получаемые с помощью обычных разрывных машин, характеризуют механическое состояние аморфных сплавов. Как видно из этих диаграмм, упругая деформация довольно велика - около 2%, а пластическая деформация составляет не более 0,1 %. Однако, как мы увидим ниже, аморфные металлы все же нельзя считать хрупкими материалами, поскольку они хорошо поддаются такой обработке, как прокатка. Поэтому, с первого взгляда, не ясно, отчего в экспериментах по растяжению не наблюдается сколько-нибудь значительная пластическая деформация.

Для выяснения этого необходимо рассмотреть особенности строения аморфных металлов. Качественная двумерная схема деформации кристалла приведена на рис. 8.7,а, а аморфного твердого тела- на рис. 8.7,6. В кристалле при приложении касательного напряжения деформация происходит вследствие того, что дислокация, изображенная в центре рисунка, при своем движении смещает одну часть кристалла относительно другой. Поэтому прочность кристалла определяется подвижностью дислокаций. Напротив, поскольку в аморфном твердом теле не существует кристаллографических плоскостей, при приложении касательного напряжения к группе