5. Механические свойства аморфных материалов

На примере металлических стекол (МС).

Металлические стекла также прочны, как и оксидные стекла при удовлетворительной пластичности. Наряду с высокой прочностью, которая в ряде случаев превышает прочность лучших конструкционных сталей, некоторые МС можно резать, штамповать и даже прокатывать. Поэтому МС используют в качестве армирующих элементов при создании композиционных материалов.

Большой интерес представляет пластичность МС, которая в значительной степени отличается от пластичности кристаллических материалов и непластичности оксидных стекол.

5.1 Прочность и твердость

Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов и дефектов приводит к тому, что предел прочности аморфных материалов приближается к теоретическому значению (Е/50, где Е – модуль Юнга), что существенно выше соответствующих значений для кристаллических материалов. Наряду с высокой прочностью аморфные материалы обладают высокой твердостью HV, достигающей в ряде случаев значений около 1000. В зависимости от вида деформации – одноосное растяжение, сжатие, изгиб, прокатка – проявляется разная степень макроскопической пластичности аморфных материалов. В случае одноосной деформации величина полной деформации до разрушения обычно составляет 1-2%. Величина же пластической деформации при этом мала и обычно не превышает 0,1-0,3%. Сжатие, изгиб и прокатка дают значительно большую величину пластической деформации. Так пластическая деформация сплавов на основе палладия достигает при комнатной температуре 40%.

Прочностные свойства аморфных материалов определяются содержанием как металлических, так и металлоидных атомов. Добавление хрома, ванадия, марганца и титана приводит к увеличению твердости, тогда как замена части атомов железа атомами никеля, кобальта и меди уменьшает твердость (в случае для металлических стекол).

5.2 Пластичность. Виды деформации аморфных материалов

При низких температурах (Т ‹‹ 0,7 Т_ст) пластическая деформация носит локализованный, негомогенный характер. При одноосном растяжении пластическая деформация сосредоточена в одной или нескольких полосах сдвига, возникающих на поверхности образца под углом 45º к оси растяжения. Если пластическая деформация осуществляется сжатием или изгибом, то образуется множество полос сдвига. При деформации изгибом полосы сдвига лежат параллельно оси изгиба. Ширина полос сдвига составляет 10-40 нм. Объем металла в промежутках между полосами сдвига остается недеформированным. Процесс разрушения сопровождается удлинением вдоль полос скольжения. Поэтому, скольжение осуществляется только тогда, когда приложенное напряжение достигает определенной критической величины. Особенностью негомогенной деформации является то, что в этом случае отсутствует упрочнение. При негомогенной деформации происходит значительное изменение структуры в объеме полосы и в прилегающих к ней областях. Этот объем может изменяться динамически, т.е. частично идет возврат, когда деформация прекращается. Процесс возврата заключается в общем и однородном смещении атомов в объеме полосы скольжения. Атомный объем в материале деформационной полосы увеличивается на 10%, и пластическое течение контролируется межатомными связями.

При достаточно высоких температурах (Т › 0,75 Т_ст ) меняется характер деформации: негомогенная деформация переходит в гомогенную, когда полосы сдвига в материале не образуются, а весь объем образца деформируется вязким образом. В области гомогенной деформации проявляется ярко выраженная стадия вязкого течения. Предел прочности при этом начинает сильно уменьшаться с ростом температуры. В области гомогенной деформации предел прочности увеличивается с увеличением скорости деформации, в то время как в области негомогенной деформации эта зависимость мала или противоположна.