РОЗДІЛ 2
ФОРМУВАННЯ ОПТИМАЛЬНИХ ДЛЯ ТЕРМОМЕТРІЇ
ПАРАМЕТРІВ МЕТАЛЕВИХ ШКЕЛ
Кристалічний та аморфний стани - граничні іпостасі структури, зокрема, для металевих матеріалів. Для переходу з рідкого стану в твердий потрібен певний проміжок часу, а в разі тверднення розтопу в коротшому часовому інтервалі - є імовірність реалізації невпорядкованої (аморфної) структури, оскільки при швидкому застиганні "заморожується" конфігурація атомів розтопу.
На противагу кристалічним, аморфні матеріали не посідають дальнього порядку в розташуванні атомів. Їм властивий лише ближній порядок в межах мікрообластей, розміри котрих не перевищують кількох міжатомних віддалей.
Незважаючи на те, що аморфні металеві матеріали вже давно вийшли за межі лабораторій, їх широке технічне освоєння потребує ще додаткового вивчення умов та критеріїв утворення і способів виробництва.
2.1. Основні засади швидкісного охолодження і аморфізації розтопів
Незважаючи на велику кількість теоретичних та експериментальних робіт, до сього часу невідомо як саме встановлюється розподіл розчинених атомів в швидкозагартованому із розтопу кристалічному стопі. З метою вивчення цієї проблеми проаналізуємо головні критерії, що описують розмаїті умови тверднення розтопів без розділення компонентів.
Термодинамічний критерій полягає у визначенні певної температури Т0, значення котрої залежить від складу, при якій тверда та рідка фази одного і того ж складу мають однакову вільну енергію. Температура Т0, фактично, - максимальна температура межі розділу розтоп - твердий стан, при якій можливе тверднення без будь-якої сеґреґації розчиненого елемента у твердій фазі. Таким чином, лише нижче Т0 існує термодинамічна рушійна сила для переходу рідини у твердий стан того ж складу. Однак, як видно з експериментальних досліджень, на практиці необхідно переохолодити розтоп дещо нижче рекомендованої термодинамікою температури Т0.
Бездифузійного тверднення критерій визначає, при яких швидкостях руху межі розділу та градієнтах температури поверхня розділу є морфологічно стабільною і має місце бездифузійне тверднення. В розбавлених твердих розчинах тверднення з пласкою поверхнею розділу відбувається як при низьких, так і при високих швидкостях руху межі розділу. У випадку низьких швидкостей має місце рівноважна сегрегація, а при високих (0.1 ... 1.0 м/с) - захоплення розчиненого елемента. Якщо в зразку, завдяки примусовому відведенню тепла, вдається перевищити максимально можливу швидкість, то утворюватиметься або метастабільний твердий розчин, або ж - шкло. Отже, швидкісне охолоджування сприяє гомогенізації структурного стану гартованого зразка.
Тепловий критерій. Навіть якщо, у відповідності із сказаним вище, досягається захоплення розчиненого елемента, а переохолодження недостатнє - твердий розчин буде сеґреґувати. В першому наближенні переохолодження, що необхідне для уникнення залишкової сеґреґації, орієнтовно визначається як: L/С, де L та С - відповідно, скрита теплота тверднення і теплоємність розтопу.
Які ж умови необхідні для подавлення кристалізації взагалі, та утворення шкла, зокрема? Яка швидкість охолодження необхідна для попередження утворення зародків кристалізації, з огляду на кінетичні міркування, а також, які ж топологічні та хемічні чинники спричиняються до аморфізації розтопів металів?
Для вияснення цих питань розглянемо головні критерії аморфізації.
Критичної швидкості охолодження критерій. Для успішного відвернення кристалізації необхідно, щоб в процесі охолодження не було зародків кристалізації. Загальноприйнятим є факт, що при повному охолодженні об'ємна доля кристалічної фракції не повинна перевищувати 10-6. Розглядаючи випадок неізотермічних умов, та використовуючи поняття критичної швидкості охолодження Vk, встановлено, що вона залежить від співвідношення двох характеристичних температур: температури шклотворення Тш, та температури топлення Тт. Так, експериментально підтверджено, що чим більше відношення Тш/Тт, тим легше отримати аморфну структуру. Оскільки значення Тш меншою мірою залежні від складу, ніж Тт, особливо для глибокої евтектики, то зрозуміло, що цей випадок є сприятливим для утворення аморфних структур при малих значеннях Vk. Дуже важливими чинниками, що великою мірою впливають на процес аморфізації розтопів, є висока в'язкість та низька температура тверднення, які й спричиняють сповільнення утворення зародків кристалізації. Проведений аналіз оцінки критичних швидкостей гартування низки стопів, що схильні до аморфізації, в залежності від відношення Тш/Тт та відповідних для їх граничних параметрів товщин аморфних стрічок (рис. 2.1), показав, що критерій критичної швидкості охолодження, котрий передбачає легке шклотворення поблизу глибоких евтектик, не цілком адекватно дозволяє спрогнозувати системи, що підлягають аморфізації.
Топологічні критерії. На сьогоднішній день вже отримано тисячі розмаїтих складів подвійних, потрійних, полікомпонентних стопів, а, навіть і чистих елементів, в аморфному стані. Для багатьох із них встановлено концентраційні межі областей шклотворення, точні значення яких залежать від ефективності гартування, зокрема, від товщини матеріалу, а також від неідентичності умов продукування, що їх застосовують окремі виробники та дослідники. Велетенська маса емпіричної інформації з цього питання змусила автора зробити спробу її впорядкування та узгодження результатів досліджень різних авторів шляхом розробки і запровадження основних технологічних критеріїв виготовлення, а також стандартизації характеристичних параметрів та сертифікації досліджуваних матеріалів.
Розмірної невідповідності критерій. Експериментально підтверджено, що для досягнення задовільної шклотворної здатності необхідною є наявність невідповідності атомних радіусів (?15 ... 20%) компонентів, що утворюють стоп. Наявні дані підтверджують, що невідповідність розмірів відіграє суттєвішу роль, ніж сила зв'язку. З цим критерієм добре узгоджується група