Министерство  науки и образования  Украины

Приазовский государственный  технический университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат 
 

По  дисциплине «Материалловедение»

на  тему «Общие сведения об аморфных металлах» 
 
 
 
 
 

                                           Выполнил:

                                                                             Студент гр

                                           Проверила:

                                                             

                                           .

                                             
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Мариуполь, 2006

 

Содержание

 

Введение

       В последнее время об аморфных металлах много говорят как о совершенно новых материалах, причем это касается не только их уникальных свойств, ио и возможностей для практического приложения этих свойств. Следует, однако, прежде всего подчеркнуть, что аморфные материалы вообще известны очень давно. С древнейших времен человечество использует силикатное стекло. Известны также многие органические аморфные соединения и полимеры. Изуче-, ние этих веществ в основном завершено. Почему же в последние годы так резко возрос интерес к аморфным материалам? Это объясняется главным образом появлением в 70-х годах нашего столетия двух новых классов материалов —аморфных полупроводников и аморфных металлов, вызванных к жизни .самими потребностями современного технического тарогресса.

 

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  ОБ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛАХ

Рис. 1.1. Рост ежегодного числа иаучных    публикаций,      посвященных аморфным металлам: 1 — открытие сплавов золото — кремний; 2 — открытие высокой прочности и вязкости аморфных металлов; 3- разработка технологии непрерывной закалки лент; 4 — открытие высокой коррозионной стойкости и высокой      магнитной      проницаемости

       Исследования  аморфных полупроводников начались в 1968 г., когда Овшинский [1] впервые получил подобное вещество. Оказалось, и это вызвало серьезный интерес, что аморфные полупроводники могут с успехом заменить и даже превзойти обычный аморфный   диоксид   кремния в таких важных   на    сегодняшний    день конструкциях, как солнечные батареи.    Изучение   же аморфных металлов интенсивно развивается с 1970 г., когда масумото и Мад-дин [2] получили аморфную ленту из палладиевого .сплава и обнаружили, что эта лента имеет высокие прочность и пластичность. Вскоре были обнаружены такие замечательные свойства   аморфных металлов, как высокая коррозионная    'стойкость,    высокая магнитная проницаемость  и ряд других.    На рис. 1.1    приведена диаграмма,        иллюстрирующая рост числа иаучных публикаций, посвященных    аморфным   металлам.

       То, что металлы могут существовать в аморфном состоянии — факт далеко не новый. Уже в 40-х годах было известно, что полученные лри вакуумном низкотемпературном напылении пленки не имеют  кристаллического    строе ния. Здесь можно назвать полученные металлизацией пленки Ni— Р и висмутовые плевки, полученные вакуумным напылением. В 1960 г. профессор Дювез с группой сотрудников Калифорнийского технологического института наблюдали аморфное состояние в закаленном из расплава эвтектическом сплаве Au—Si, что положило начало изучению аморфных металлов, получаемых ,по технологии закалки из жидкого состояния. Однако, как видно из рис. 1.1, в течение десяти лет здесь практически не было никакого прогресса. Это время в шутку иногда называют инкубационным периодом в исследовании аморфных металлов. А примерно в 1970 г. начался бум: число научных публикаций по этому вопросу стало расти по экспоненте. Косвенными причинами столь бурного развития исследований, с одной стороны, явилась сама новизна проблемы, а с другой—страстное стремление к получению новых материалов. Непосредственная же и основная причина состоит в разработке методов изготовления непрерывных тонких аморфных лент и в возможности применения этих методов ко_: многим системам сплавов, в частности, к уже реально используемым на практике сплавам на основе железа, .кобальта ,и никеля.

      Полученные  в ходе многих успешных экспериментов  характеристики свойств аморфных металлов обусловили повышенный интерес к практическому применению этих материалов. Это видно по табл. 1.1, где сделана попытка проследить историю развития исследований аморфных металлов. В 1970 г. появилась основная технология получения непрерывных аморфных металлических лент: методы центробежной закалки [2, 4] и закалки в валках (прокатки расплава) [5]. До этого удавалось получать лишь небольшие аморфные пластинки. Именно тогда, с появлением возможности изготовления лент, было установлено, что сплавы, хрупкие в кристаллическом состоянии, при аморфизации приобретают высокую пластичность и прочность [2, 6]. То, что до тех пор интересовало лишь экспериментаторов-одиночек, вдруг оказалось в центре всеобщего внимания. После 1970 г. появились многочисленные разработки аморфных сплавов, были открыты многие другие их интересные свойства. Так, в 1974 г. были обнаружены сверхвысокая коррозионная стойкость [7] и высокая магнитная проницаемость [8, 9] аморфных сплавов. Сегодня эти новые материалы из мечты превратились • в  реальность.

      Нужно отметить, что исследования аморфных металлов вносят большой вклад в науку о металлах вообще. Сегодня уже оформилась своеобразная отрасль исследований — металлургия аморфных металлов. Это отражено на рис. 1.1., где видно, что с 1975 г. наблюдается значительный рост числа научных публикаций. Вначале эти исследования были сосредоточены в США и Японии, затем они распространились на Великобританию и другие страны Европы, Советский Союз, КНР, и в настоящее время практически во всех передовых странах энергично ведутся работы по изучению аморфных металлов. В августе 1981 г. в Японии (Сендай) проходила IV международная конференция по быстрозакаленным металлам,    в которой приняли участие ученые из 25 стран. Было сделано 416 докладов. Тематика этих докладов в процентном отношении приведена ниже, %:

Магнитные   свойства 25,2

Стабильность  и кристаллизация      18,5

Технология  получения  (14,9%) 14,

Структура   .   .   -.  13,0

Электрические свойства  8,2

Быстрозакалеииые  кристаллические фазы    ... 7,2

Механические   свойства  5,0

Абсорбция водорода  4,0

.Химические свойства    ,  4,0

  Видно, что исследования аморфных металлов охватывают широкий круг проблем; структуру, механизмы образования, стабильность структуры, механизмы диффузии и кристаллизации, электрические, магнитные, механические, химические свойства, технологию получения и применение аморфных металлов.

      В табл. 1.2 приведены области практического  приложения тех свойств аморфных металлов, которые изучены уже  достаточно подробно. Наибольшее внимание здесь привлекают магнитные сплавы как материалы для сердечников трансформаторов, магнитных, головок, линий задержки, магнитных фильтров и т. д. Некоторые из этих материалов еще находятся в стадии разработки, другие уже активно используются. 

Таблица 1.2. Свойства аморфных   металлических материалов   и их значение

2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И   УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ АМОРФНЫХ СТРУКТУР

2.1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ  И ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛОВ

       В настоящее время известно довольно большое число способов, позволяющих получать аморфные металлы и сплавы [1—5]. Основные процессы получения аморфного (стеклообразного) состояния металлов можно описать схемой, приведенной на рис. 2.1. Равновесные обратимые процессы изменения состояния металлов, показаны сплошными стрелками. Получение аморфного состояния связано с неравновесными процессами. Эти изменения состояния металлов даны на рисунке штриховыми стрелками. Таким образом методы получения аморфных структур могут быть отнесены к одной из следующих трех групп: 1) осаждение металла из газовой фазы; 2) затвердевание жидкого металла; 3) введение дефектов ©  металлический   кристалл.

Рис. 2.1. Методы получения аморфных металлов

       Например, в качестве методов, относимых к первой группе, можно назвать следующие: вакуумное напыление, распыление и химические реакции в газовой фазе. Ко второй группе относятся различные методы закалки из жидкого состояния. К третьей группе можно отнести методы облучения частицами поверхности кристалла, воздействия ударной волной и ряд других. Имеется также еще одна особая группа методов, которые можно было бы с известными оговорками отнести к первой группе. Речь идет о методах электролитического осаждения аморфных пленок из растворов электролитов, главным образом водных растворов. Характеристики различных методов получения аморфных структур представлены в табл. 2.1. Ниже мы в общих чертах дадим описание этих методов.

Таблица 2.1. Методы получения аморфных металлов

2.1.1. Метод вакуумного  напыления

      Метод вакуумного напыления  уже довольно давно используется для изготовления аморфных пленок простых металлов и некоторых сплавов. Суть метода состоит в следующем. Металл или сплав нагревают в вакууме (обычно¹ 10^-3—10^-4 Па), при этом с его поверхности испаряются (сублимируются) атомы, которые затем осаждаются на массивную охлаждаемую плиту-подложку. Для нагрева образца применяются печи сопротивления, высокочастот-ные индукционные печи, электронный луч, а в качестве подложки используют стекло или сапфир. Напыляемые атомы металла в вакууме движутся прямолинейно, сталкиваются с подложкой и «прилипают» к ней. При этом, однако, на подложку попадают и атомы газа (например, кислорода), которые неизбежно присутствуют в вакууме, в результате эти атомы будут присутствовать и в напыляемой пленке, поэтому ее свойства оказываются существенно зависящими от степени вакуумирования и наличия остаточного газа того или иного сорта.

      При изготовлении аморфных пленок методом вакуумного напыления обычно необходимо поддерживать температуры ниже комнатных. В частности, в случае напыления чистых металлов подложка должна быть охлаждена до температур порядка температуры жидкого гелия. Если температура недостаточно низка и лежит выше температуры Т_х напыляемого металла, получаемая пленка не аморфизируется. Например, в случае полупроводников—кремния и германия, у которых Т_х выше комнатной температуры, можно использовать подложку и при комнатной температуре, а в случае таких переходных металлов, как железо, кобальт и никель, у которых Т_х очень низкая (у железа 4 К, у кобальта 33 К и у никеля ~70 К) должна быть низкой и температура подложки¹.

      При изготовлении пленок из сплавов обычно используется одновременное напыление нескольких элементов. В основе метода лежит различие в упругости паров элементов, входящих в состав сплава. Однако регулировать состав получаемой пленки довольно трудно. Поскольку обычно температура 7_Х у сплавов сравнительно высока, то легко добиться, чтобы температура подложки была ниже Т_х, что и делают, например, в случае получения сплава железа с 10% (ат.) германия, у которого Т_х=130 К- Все же для получения аморфных сплавов этот метод можно применять лишь ограниченно. В частности, при изготовлении аморфных сплавов, состоящих из элементов с сильно различающейся упругостью паров, необходимо тщательно регулировать скорость напыления разных элементов. При этом нужно поддерживать постоянство количественных соотношений между элементами, осаждаемыми на подложку. Здесь в последнее время начинают применяться методы машинного контроля. Скорость напыления определяется сортом элементов, уровнем вакуума, структурой подложки и обычно составляет 0,5— 1,0 нм/с.