Полученное при помощи просвечивающего электронного микроскопа изображение разных уровней кристаллизованности аморфного металла
Инженеры из Университета Южной Калифорнии получили новый вид металлического стекла, отличающийся повышенной упругостью. Материал сочетает в себе, кажется, несочетаемые свойства – твёрдость, прочность и эластичность. Материал, получивший технологическое название SAM2X5-630, обладает наивысшей ударной прочностью из всех известных металлических стёкол.
Металлические стёкла, или аморфные металлы — класс металлических твердых тел с аморфной структурой. В отличие от металлов с их кристаллической структурой, таковая у аморфных металлов аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов.
Слева прыгает шарик из нового металлического стекла, справа – из обычной стали
Материал способен выдерживать сильные удары, при этом он не крошится и не ломается, а возвращает первоначальную форму. Потенциал его применения практически безграничен – начиная от свёрл и бронежилетов и заканчивая имплантатами для укрепления костей и защитой космических спутников.
Обычно аморфные металлы получают нагреванием до 630 °C, а затем очень быстрым (порядка градуса в секунду) охлаждением. Материал SAM2X5-630 был получен нагреванием порошкообразного состава на основе железа (Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4).
Уникальные свойства металла происходят из удачной находки сочетания температуры нагревания и скорости охлаждения – именно такие условия, которые испытал полученный состав, приводят к образованию локальных очагов слабо выраженной кристаллической структуры. Другие условия нагрева или охлаждения приводят к получению полностью аморфных металлов со случайным расположением атомов.
«У него почти нет внутренней структуры, и в этом он похож на стекло, но при этом встречаются регионы с кристаллизацией,- говорит Вероника Эльясон [Veronica Eliasson], ассистент-профессор из Инженерной школы им.Витерби при университете, и ведущий автор работы. – Мы пока понятия не имеем, почему небольшое количество кристаллизировавшихся участков в металлических стёклах приводят к таким сильным различиям в реакциях на удар».
Динамический предел упругости Гюгонио (максимальное воздействие, которое материал выдерживает без необратимой деформации), был определён для SAM2X5-630 в районе 12 ГПа. У нержавеющей стали этот показатель равен 0,2 ГПа, у карбида вольфрама (используемого для создания твёрдых инструментов и сердечников бронебойных пуль) – 4,5 ГПа, у алмазов – до 60 ГПа.
Изучение аморфных металлов началось в 1960 году в Калифорнийском технологическом институте – группой учёных было получено первое металлическое стекло Au75Si25. С тех пор было получено множество подобных материалов с интересными свойствами, однако пока область их практического применения нельзя назвать широкой из-за их высокой стоимости.
Например, полученный недавно в Японии Ti40Cu36Pd14Zr10 — неканцерогенный, в три раза прочнее титана, мало изнашивается, при трении не образует порошок, а по модулю продольной упругости практически совпадает с человеческими костями – в потенциале его можно будет использовать как прекрасную искусственную замену суставов.
Комментарии (47)
click0
06.04.2016 13:49+1А почему число атомов в соединение указано как дробное число?
jaiprakash
06.04.2016 14:07+2Это не соединение, это — сплав. Указан молярный состав по сути, вместо обычного массового.
darkfrei
06.04.2016 23:07+3Инженерная традиция записывать процентное соотношение химических веществ сталей и сплавов.
APLe
06.04.2016 14:11+3Это нормально для сплавов и вообще веществ, не имеющих чёткой молекулярной структуры.
Простейший пример: формула воды — однозначно H2O, спирта — однозначно C2H5OH, а формула водки — примерно C(2*0,4)H(6*0,4+2*0,6)O(0,4+0,6)=C0,8H3,6O
Можно, конечно, домножить на 5 и написать С4H18O5 — но для смесей с более сложными общими множителями это будет неудобно.click0
06.04.2016 14:45Вы уверены, что не путаете сплав, раствор и химическое соединение?
APLe
06.04.2016 14:54+2Не путаю. Сплав и раствор — разные вещи, но отсутствие однозначной структури и, соответственно, непостоянство состава — их общее свойство.
А стёкла, о которых речь идёт в статье, — они вообще ближе к раствору.click0
06.04.2016 15:56Тогда откройте любой учебник химии и посмотрите, как там растворы записываются.
И вообще, водка, это — раствор (химических) соединений C2H5OH и H20, из который C2H5OH занимает 40—45, 50 либо 56 % объема (в зависимости от страны, стандарта или рецептуры). Ну, и остальные малозначащие присадки.APLe
06.04.2016 22:35+2Я не пойму, вы мне что, пытаетесь доказать?
Что C0,8H3,6O — это неканоническая форма записи состава водки? Так я не спорю, я состав на этикетке читал.
В той форме, которую мы тут обсуждаем, обычно записывается состав твёрдых веществ (в том числе твёрдых растворов, то есть стёкол) — но, согласитесь, было бы глупо в качестве объяснения непонятной формулы состава одного стекла приводить такую же непонятную формулу другого стекла.
ksr123
08.04.2016 06:43Однако для растворов такая запись не используется, поэтому пример некорректен.
APLe
08.04.2016 14:06Какая форма записи используется — вопрос традиции, в основном.
Мне кажется, в качестве примера «откуда могут взяться дробные коэффициенты в формулах» — сойдёт. Потому что формулы с дробными коэффициентами обычно используются в химии керамик, которые слишком сложны, чтобы использовать их как пример.
APLe
06.04.2016 22:45-1А, да, единственное что, я не учёл, что в водке 40% спирта по массе или по объёму, а не по молям. Так что та формула, которая я привёл, соответствует раствору 0,4*46/(0,4*46+0,6*18)=63% спирта по массе.
Jamato
06.04.2016 14:10+1У меня вопрос, и это лёгкий оффтоп, навеянный третьим абзацем с конца: не лучше ли пули делать из алмазов?
kefirfromperm
06.04.2016 14:32+15Было бы лучше. Тогда перед каждым выстрелом люди будут думать, а надо оно вообще?
DagothNik
06.04.2016 15:05+3Тогда надо, что б они пули на свои деньги покупали. А так -«казенное же, не жалко».
SvSh123
06.04.2016 14:25+2С тех пор было получено множество подобных материалов с интересными свойствами, однако пока область их практического применения нельзя назвать широкой из-за их высокой стоимости.
Дело не в стоимости, а в том, что эти материалы крайне неудобно обрабатывать. Малейший локальный перегрев — и здравствуй, рекристаллизация, прощайте, уникальные свойства… :)
Так что применяют их в основном в виде лент, например для намотки сердечников трансформаторов.
KoValery
06.04.2016 15:23+3Инженеры создали твёрдое и упругое металлическое стекло, но к сожалению непрозрачное.
FuzzyWorm
06.04.2016 16:09+5получают нагреванием до 630 °C, а затем очень быстрым (порядка градуса в секунду) охлаждением
Градус в секунду — весьма небыстрое охлаждение. Для получения аморфных металлов скорость охлаждения обычно составляет от сотен тысяч до миллионов градусов в секунду.
Rikkitik
07.04.2016 01:58В оригинале про скорость охлаждения ничего нет:
The material was produced at UC San Diego using a spark-plasma sintering process in which the iron compound is powdered, placed in a dye, and then zapped with a current — superheating it to the point of binding without ever liquefying it.
В Nature чуть подробнее, но в том же ключе описано.
Похоже, про скорость тут было «для красного словца».
OnelaW
06.04.2016 16:32Где-то читал или по тв был репортаж. Как раз про то, что сплавы металлов имеют свойства отличные от самих металлов входящие в состав. Думаю ничего удивительного нет. Хотя сплав железа, хрома, марганца, молебдена, вольфрама, углерода, кремния и бора, это звучит конечно фантастически само по себе, нежели какие физическими свойствами сплав обладает.
beliakov
06.04.2016 18:40+3сплавы металлов имеют свойства отличные от самих металлов входящие в состав.
Интересно что сплав может иметь температуру плавления ниже чем у любого из металлов в его составе. Например индий и галлий при комнатной температуре твердые, но их сплав имеет температуру плавления 15°С. Если потереть друг о друга кусочек индия и галлия, в точке их соприкосновения будет образовываться жидкий сплав. Показано на этом видео с 0:50.
Zenitchik
06.04.2016 19:11«сплав железа, хрома, марганца, молебдена, вольфрама, углерода» — стали, представляющие собой подобный сплав, вы встречаете если не повсеместно, то достаточно часто. На счёт кремния и бора не скажу.
На счёт свойств — гуглить «диаграмма состояния». Много нового узнаете.
Так же можно погуглить что-то типа «влияние <химический элемент> на свойства <название группы сплавов>»
Например, «влияние кремния на свойства сталей» — сразу много интересного нашлось.
darkfrei
06.04.2016 23:03Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4
Это стеклянный чугун?
Сейчас одна фирма, которая производит большие телефоны запатентует экран или корпус их этого материала, а остальные будут кусать локти?
gwathedhel
08.04.2016 16:35Грубо говоря, да — чугун. Но метод порошковой металлургии позволяет сгладить эту проблему и образовать цельный металлический сплав без крупного и хрупкого зерна.
ZlobniyShurik
07.04.2016 18:50«Составляющие» сплава достаточно недороги. Весь вопрос — какова стоимость получения и объем конечного материала? Если максимальные габариты слитка сопоставимы с размерами того прыгающего шарика на видеоролике, то технологическая революция откладывается.
vitalybogryashov
08.04.2016 16:35Как всегда ученые пользуются красивым названием для 90% успеха и финансирования. В статье не хватает примеров применения и улучшения которые ожидаются в сравнении с текущим использованием.
the_headcrab
08.04.2016 16:36Автор, охлаждение со скоростью порядка 1 градус в секунду не даст аморфный металл, не говоря уже о начальной температуры «630». Металлические стекла получают из расплава (более 1000 градусов) охлаждая со скоростями более 100 градусов в секунду.
Rikkitik
08.04.2016 23:36Если вы почитаете английский текст, то узнаете, что низкотемпературное спекание порошков — это и есть отличие этого эксперимента от других, которое позволило создать уникальную «промежуточную» структуру материала. Расплава там не было ни на одной стадии, это подчёркивается отдельно.
alcheorg
08.04.2016 16:37Материал не однородный, не думаю что его правильно называть металлическим стеклом. Частичная кристаллизация — давно известный метод изменения свойств металлического стекла.
«Обычно аморфные металлы получают нагреванием до 630 °C, а затем очень быстрым (порядка градуса в секунду) охлаждением»
При этой температуре у подобных материалов наступает кристаллизация, а не плавление, думаю это описание процесса создания частичной кристаллизации.
impetus
И хотя «металлическое стекло» — терминологически правильно, но воспринимается обывателем именно как стекло (нечто твёрдое и прозрачное), сделанное из металла (в плюс к привычным силикатному, акриловому и т.п.). С «аморфным металлом» такой путаницы не происходит.
APLe
Да, я было полез искать полосу пропускания в оптическом диапазоне.
jar_ohty
Разница между «аморфным металлом» и «металлическим стеклом» та же самая, что разница между аморфным и стеклообразным состоянием. Последнее входит как подмножество в первое, но не идентично ему. Иначе говоря — любое стекло аморфно, но не всякое аморфное вещество — стекло.
impetus
Тут надо различать точный физичекий термин «стекло» и его обывательский упрощённый вариант. Напр плоский прозрачный (поли)кристалл (напр сапфир, гранат) — тоже будет «стеклом», хотя физически это и неверно.
IRI
Что же тогда вы скажете насчёт спиновых стёкол? :-)