4.3 Структура аморфных сплавов
В аморфных материалах существует только ближний порядок расположения атомов в пространстве.
Модельные представления структуры аморфных материалов.
Структурные модели служат для определения пространственного расположения атомов в твердых телах. Также они служат для понимания физических свойств и получения аморфных материалов с определенными свойствами. Трудности создания таких моделей связаны с тем, что аморфные тела не имеют периодичности в расположении атомов. Большинство таких моделей построено на использовании физической интуиции в сочетании с информацией о структурном состоянии аморфных материалов. По построенным моделям рассчитывают плотность, функцию радиального распределения и др. характеристики аморфных материалов.
В аморфных материалах имеется более или менее четко определяемый на расстоянии 2-3 соседних атомов ближний порядок. Однако корреляция между атомами по их расположению быстро затухает с увеличением расстояния от выбранного за точку отсчета атома. Несмотря на отсутствие пространственного порядка, измерения плотности показали, что атомы упакованы достаточно плотно и их плотность меньше плотности кристаллических материалов не более чем на 1-2%.
Прототипом структурных моделей служит модель случайной плотной упаковки жестких сфер (СПУЖС), рассмотренной Берналом для объяснения простых жидкостей. В неупорядоченной упаковке были выделены структурные элементы, состоящие из нескольких сфер и внутренних пустот, которые можно представить в виде полиэдров. Существует только 5 полиэдров для построения структуры: тетраэдр, полуоктаэдр, тригональная призма, антипризма Архимеда и тетрагональный додекаэдр. Полиэдры Бернала занимают соответственно следующие доли объема: 48,4%, 26,9; 7,8; 2,1; 14,8. Такого рода многогранники в кристаллографии называют ячейками Вигнера-Зейтца, однако лишь тетраэдр и полуоктаэдр представляют собой элементы, наблюдаемые в кристаллах. Остальные полиэдры не имеют аналогов в кристаллах.
Структурные модели описывают случайную плотную упаковку, которая имеет хорошо развитый ближний порядок.
Другой класс структурных моделей основывается на представлении о сохранении в аморфных металлах областей с кристаллической упаковкой атомов в «ближайшем» ближнем порядке. В качестве структурной единицы предложена ячейка в виде тригональной призмы. Преимуществом микрокристаллических моделей является то, что имеется значительное многообразие вариантов координационного строения объектов. Недостаток таких моделей – они предусматривают существование разрыхленных (типа границ зерен) промежуточных областей между кристаллами, которые существенно снижают расчетную плотность аморфных материалов.
Структурные дефекты в аморфных материалах:
Термообработка, деформирование и т.д. влияют на внутреннюю структуру аморфных материалов. Сплавы, получаемы путем охлаждения из жидкого состояния или конденсацией пара на охлажденных подложках, не являются термодинамически стабильными и последующий отжиг, не приводящий к кристаллизации, сопровождается изменениями в структуре, в результате которых происходит уплотнение, увеличение модуля Юнга, охрупчивание, подавление диффузионных процессов, уменьшение внутреннего трения, изменение магнитных свойств и т.д.
В аморфных материалах отсутствуют в значительном количестве локализованные вакансионно-подобные дефекты (дислокации, вакансии, границы зеоен). Предполагается, что в структуре аморфных металлов имеется 2 класса дефектов:
дефекты, определяемые флуктуациями локальной плотности (nи р-типа дефекты);n-тип – области растяжения, имеющие более низкую среднюю плотность; р-тип –области сжатия, имеющие более высокую среднюю плотность;
дефекты τ-типа, определяемые как области высоких сдвиговых напряжений и значительных отклонений от сферической симметрии – участки между ближайшими дефектами nи р-типа.
Дефекты nи р-типа могут объединяться в пары, и могут существовать отдельно. Пара соседствующих дефектовnи р-типа может ассоциировать, что приводит к сдвигу между ними и, следовательно, τ-дефект аналогичен краевой дислокации в кристалле. Также могут существовать и изолированные τ-дефекты.Плотность материала в дефектахn-типа на 10% ниже, а плотность дефектов р-типа на 10% выше, чем средняя плотность материала. Увеличение объема, занятого дефектамиn-типа, может приводить к уменьшению объема, занимаемого дефектами р-типа, следовательно, изменения плотности аморфных материалов могут быть обусловлены рекомбинацией дефектовnи р-типа, например, в процессе структурной релаксации. Суммарное число дефектовnи р-типа оценивается как 2,5% от общего объема исследуемого материала.