Szkła metaliczne

Szkła

Grot ze szkła wulkanicznego –

obsydianu (epoka kamienia łupanego)

cdn.gemrockauctions.com/uploads/images/275000-279999/276152/276152_1338954219.jpg

Forma i odlewy ze szkła kwarcowego

wykonane w starożytnym Egipcie (około

roku 2500 p.n.e.)

American Association for the Advancement of Science

www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/louzguine_labo/Review-e.html

Pierwsze szkła metaliczne

Pierwsze szkła metaliczne

1960 – Duwez, Willens; stop Au80Si20

Strategia:

Jak najszybciej przejść przez

zakres temperatury od Tl do Tg(Tg/Tl≈0.7)

Metoda:

Szybkie chłodzenie metoda

melt-spinning

Technika melt-spinning

Szybkość chłodzenia rzędu 105 K/s

Struktura atomowa szkieł metalicznych

• Model mikrokrystaliczny

• Model DRP (J.D. Bernal)

• Gęsto upakowane tetraedry

• Gęsto upakowane klastery

Struktura atomowa szkieł metalicznych

Metal

monokrystaliczny

Metal

polikrystalicznyMetal amorficzny

(szkło metaliczne)

• W przeciwieństwie do metali krystalicznych, szkła metaliczne nie posiadają

uporządkowania dalekiego zasięgu.

• Atomy w szkle metalicznym nie są ułożone są w sposób przypadkowy.

fcc hcp

współczynnik upakowania = 74%

drp (dense random packing)

współczynnik upakowania = 64%

Zmiana objętości podczas topnienia

w metalach 6-8%

Zmiana objętości podczas topnienia

w metalicznych układach

szkłotwórczych: 0.5-3%

Mała objętość topnienia – dobra zdolność

tworzenia szkła

Struktura atomowa szkieł metalicznych

Struktura atomowa szkieł metalicznych

Współczynnik upakowania układu dwu rodzajów kul o stosunku promieni równym R

Dla stopów

metalicznych

R≈0.6-1.4

DRP – nie odzwierciedla wysokiego współczynnika upakowania

atomów w szkle metalicznym.

Upakowanie kul w 2D

Upakowanie kul w 3D

Powstawanie szkieł metalicznych wynika ze zdolności do przechłodzenia

cieczy metalicznych

Sieci Bravais’a: dozwolone osie obrotu 1-, 2-, 3-, 4-, 6-krotne

Zabroniona jest 5-krotna oś obrotu!

Dwudziestościan foremny

(ikosaedr) – 20 tetraedrów

Pięciokrotna oś symetrii

Czworościan foremny

(tetraedr) –

maksymalne lokalne

upakowanie kul

Uporządkowanie ikosaedryczne w cieczech

Uporządkowanie ikosaedryczne w cieczach

fcc:

gęste upakowanie

dalekiego zasięgu

ikosaedr:

gęste upakowanie

bliskiego zasięgu

Uporządkowanie ikosaedryczne w szkłach

metalicznych

0 2 4 6 8 10 12 14

-0.9

-0.6

-0.3

0.0

0.3

0.6

0.9

experiment

Molecular Dynamics

k2(k

)[Å

-2]

k [Å-1]

Cu65

Zr35

Cu K-edge

Struktura szkieł metalicznych

Model Miracle’a: Gęste upakowanie klasterów atomowych

klastery tworzą strukturę typu fcc lub hcp

Upakowanie atomów wewnątrz klastera - porządek bliskiego zasięgu (skala1Å )

Upakowanie klasterów atomowych – porządek średniego zasięgu (skala10Å )

Uporządkowanie średniego zasięgu

Termodynamiczny efekt gęstego upakowania

Kinetyczny efekt gęstego upakowania

critical2K/s

Krytyczna szybkość chłodzenia

Stopy szkłotwórcze - przykłady

•Fe-B, Fe-Si, Fe-Ni-B, Fe-Cu-Nb-Si-B (Finemet®)

Co-Ni-Fe-Si-B (Metglas®)

•Nb-Ni, Zr-Ni, Zr-Cu, Zr-Cu-Al, Zr-Ni-Al

•Al-RE-TM (RE=Sm, Gd, Tb, Dy; TM=Fe, Ni, Co, Cu)

•Pd-Ni-Cu-P (c=0.067 K/s)

•Zr-Ti-Cu-Ni-Be (Vitraloy®)

Masywne szkła metaliczne

Bulk Metallic Glasses (BMG’s)

3 kryteria empiryczne (A. Inoue 1997):

• co najmniej trzy składniki

• co najmniej 12% różnicy w średnicach atomowych składników

• ujemna entalpia mieszania Hmix pomiędzy składnikami

Masywne szkła metaliczne (BMG’s)

Krytyczna szybkość

chłodzenia

Masywne szkła metaliczne (BMG’s)

Własności mechaniczne

Własności mechaniczneMagazynowanie energii mechanicznej

Własności mechaniczne

Własności magnetyczne

Brak energii anizotropii – własności magnetycznie miękkie

Kształtowanie cieczy przechłodzonej

Kształtowanie cieczy przechłodzonej

Kształtowanie cieczy przechłodzonej

Metal, który można

kształtować jak plastik