Выпуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, выпуск 1 (2020)

Условия получения металлических стёкол и подлинно аморфных материалов

А. Б. Лысенко$^1$, И. В. Загорулько$^2$, Т. В. Калинина$^1$

$^1$Днепровский государственный технический университет, ул. Днепростроевская, 2, 51918 Каменское, Украина
$^2$Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина

Получена 23.07.2019; окончательный вариант — 18.03.2020 Скачать PDF logo PDF

Аннотация
Выполнен обзор литературных данных по проблеме формирования неупорядоченных структурных состояний при быстром охлаждении металлических расплавов. Новизна авторского подхода состоит в том, что, кроме общепринятой модели металлических стёкол (МС), которые в структурном отношении представляют собой аморфно-нанокристаллические композиты, анализируются условия фиксации однофазных аморфных структур, лишённых включений кристаллической составляющей. Рассмотрены критерии склонности расплавов к некристаллическому затвердеванию: «глубокой эвтектики», термодинамические, структурные (топологические), физико-химические и кинетические. Особое внимание уделено работам, в которых критические значения толщины и скорости охлаждения расплавов, обеспечивающие формирование МС, определяют путём согласованного решения тепловой и кинетической задач, сформулированных применительно к процессу закалки из жидкого состояния (ЗЖС). Показано, что использование модели эффективных скоростей зарождения и роста кристаллов в исследованиях кинетики массовой кристаллизации позволяет анализировать сложные превращения, которые осуществляются в условиях конкуренции нескольких кристаллических фаз и/или механизмов превращения, а также упрощает расчёты параметров микроструктуры продуктов ЗЖС. Представлена детальная характеристика предложенного авторами термокинетического анализа условий аморфизации металлических расплавов. Доказано, что вероятность формирования структуры металлических стёкол, прежде всего, определяется скоростью роста кристаллов, величина которой контролируется отношением разности свободных энергий жидкой и кристаллической фаз Δ$G_V$ к вязкости η расплава. Определены интервалы значений критерия Δ$G_V$/η для материалов четырёх групп с существенно различной склонностью к стеклообразованию. Заключительный раздел содержит результаты расчётного анализа условий подавления процессов зародышеобразования и фиксации истинно аморфных структурных состояний. По данным соответствующих литературных источников показано, что реальную перспективу получения полностью аморфных структур демонстрируют только сплавы, затвердевающие в виде МС при литье в металлическую изложницу. Сделан вывод о том, что главными факторами, повышающими вероятность абсолютной аморфизации, являются относительно низкие (до 10$^{20}$ м$^{–3}$·с$^{–1}$) значения стационарной частоты образования центров кристаллизации и ярко выраженная тенденция замедления процессов зарождения с ростом скорости охлаждения расплавов.

Ключевые слова: закалка из жидкого состояния, критерии склонности к аморфизации, металлические стёкла, истинно аморфные состояния, модели неравновесной кристаллизации, скорость роста кристаллов, частота зародышеобразования.

Citation: O. B. Lysenko, I. V. Zagorulko, and T. V. Kalinina, Conditions for the Fabrication of Metallic Glasses and Truly Amorphous Materials, Progress in Physics of Metals, 21, No. 1: 102–135 (2020); doi: 10.15407/ufm.21.01.102

Цитированная литература (85)  
  1. W. Klement and R. H. Willens, Nature, 187: 869 (1960). https://doi.org/10.1038/187869b0
  2. M. E. McGenry, M. A. Willard, and D. E. Laughlin, Progr. Mater. Sci., 44, No. 4: 291 (1999). https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00002-X
  3. I. S. Miroshnichenko, Izvestiya VUZov. Chernaya Metallurgiya, 7: 97 (1982) (in Russian).
  4. A. B. Lysenko, G. V. Borisova, O. L. Kravets, and A. A. Lysenko, Phys. Met. and Metallogr., 106: 435 (2008). https://doi.org/10.1134/S0031918X0811001X
  5. A. B. Lysenko, O. L. Kravets, and G.V. Borisova, Kharkiv NFTTS MON i NAN Ukrainy, 2: 369 (2009) (in Russian).
  6. A. B. Lysenko, O. L. Kosynska, and D. G. Skipochka, Visnyk Dnipropetrovs’kogo Universytetu. Seriya: Fizyka. Radioelektronika, 24, No. 23: 75 (2016) (in Russian).
  7. O. B. Lysenko, I. V. Zagorulko, T. V. Kalinina, and N. O. Kugai, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 1: 1 (2018) (in Russian). https://doi.org/10.15407/mfint.40.01.0001
  8. A. B. Lysenko, O. L. Kravets, and A. A. Lysenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 30, No. 3: 415 (2008) (in Russian).
  9. N. F. Gadzyra, Ye. I. Khar’kov, and I. A. Yakubtsov, Metallofizika, 11, No. 1: 88 (1989) (in Russian).
  10. A. L. Greer, Acta Metal., 30: 171 (1982). https://doi.org/10.1016/0001-6160(82)90056-6
  11. J. Z. Jianga, J. Saida, H. Kato, T. Ohsuna, and A. Inoue, Appl. Phys. Lett., 28, No. 23: 4041 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1581001
  12. R. Sellger, W. Loser, and G. Righter, Mater. Sci. Eng., 97, 203 (1988). https://doi.org/10.1016/0025-5416(88)90042-0
  13. V. I. Tkatch, S. N. Denisenko, and B. I. Selyakov, Acta Metallurg. Mater., 43, No. 6: 2485 (1995). https://doi.org/10.1016/0956-7151(94)00413-7
  14. A. M. Glezer and Ye. I. Permyakova, Nanokristally, Zakalennyye iz Rasplava [Nanocrystals Quenched from the Melt] (Moscow: Fizmatlit: 2012) (in Russian).
  15. H. W. Yang, J. Gong, R. D. Li, and J. Q. Wang, J. Non-Cryst. Solids, 355, Nos. 45–47: 2205 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.08.001
  16. Yu. K. Kovneristyy, E. K. Osipov, and Ye. A. Trofimova, Fiziko-Khimicheskie Osnovy Sozdaniya Amorfnykh Metallicheskikh Splavov [Physical and Chemical Basis for the Formation of Amorphous Metallic Alloys] (Moscow: Nauka: 1983) (in Russian).
  17. H. A. Davies, Amorfnyye Metallicheskiye Splavy [Amorphous Metallic Alloys] (Ed. F. E. Luborsky) (Moscow: Metallurgiya: 1987), p. 16 (Russian translation).
  18. A. Inoue, Acta Mater., 48, No. 1: 279 (2000). https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00300-6
  19. G. V. Borisova, Issledovanie Struktury i Svoystv Zakalyonnykh iz Zhidkogo Sostoyaniya Splavov na Osnove RZM [Study of the Structure and Properties of the Rare-Earth-Based Alloys Quenched from a Liquid State] (Disser. for Cand. Phys.-Math. Sci.) (Kiev: Institute for Metal Physics, A.S. Ukr.SSR: 1984) (in Russian).
  20. S. Pang, T. Zhang, K. Asami, and A. Inoue, Mater. Sci. Eng. A, 375–377: 368 (2004); idem, Mater. Sci. Eng. A, 392, Nos. 1–2: 455 (2005). https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.152; https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.10.023
  21. Y. Li, S. C. Wang, C. K. Ong, H. H. Hug, and T. T. Goh, Scripta Mater., 36, No. 7: 783 (1997). https://doi.org/10.1016/S1359-6462(96)00448-4
  22. Z. P. Lu and C. T. Lin, Acta Mater, 50: 3501 (2002). https://doi.org/10.1016/S1359-6454(02)00166-0
  23. T. Egami and Y. Waseda, J. Non-Cryst. Solids, 64: 113 (1984). https://doi.org/10.1016/0022-3093(84)90210-2
  24. O. N. Senkov and D. B. Miracle, J. Non-Cryst. Solids, 317: 34 (2003). https://doi.org/10.1016/S0022-3093(02)01980-4
  25. O. N. Senkov and J. M. Scott, Scr. Mater., 50: 440 (2004). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2003.11.004
  26. D. B. Miracle and O. N. Senkov, J. Non-Cryst. Solids, 319: 174 (2003). https://doi.org/10.1016/S0022-3093(02)01917-8
  27. D. B. Miracle, W. S. Sanders, and O. N. Senkov, Philos. Mag., 83, No. 20: 2409 (2003). https://doi.org/10.1080/1478643031000098828
  28. A. Inoue, Progr. Mater. Sci., 43: 365 (1998). https://doi.org/10.1016/S0079-6425(98)00005-X
  29. O. N. Senkov and J. M. Scott, Mater. Lett., 58: 1375 (2004). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2003.09.030
  30. A. Inoue, B. N. Shen, and C. T. Chang, Acta Mater., 52, No. 14: 4093 (2004). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2004.05.022
  31. Yu. A. Skakov, MiTOM, 10: 3 (2000).
  32. A. B. Lysenko, I. V. Zagorulko, T. V. Kalinina, and A. A. Lysenko, Nanostrukturnoye Materialovedenie, 1: 58 (2015) (in Russian).
  33. I. V. Zahorulko, Formuvannya Metastabil’nykh Krystalichnykh, Umovno ta Istynno Amorfnykh Faz pry Shvydkomu Okholodzhenni Rozplaviv [Formation of Metastable Crystalline, Conditionally and Truly Amorphous Structures under Rapid Cooling of Melts] (Diss. Cand. Phys.-Math. Sci.) (Dnipro: Oles Honchar Dnipro National University: 2017) (in Ukrainian).
  34. A. F. Polesya and L. S. Slipchenko, Izvestiya AN SSSR. Metally, 6: 173 (1973) (in Russian).
  35. S. R. Nagel and Y. Tauk, Zhidkie Metally [Liquid Metals] (Moscow: Metallurgiya: 1980) (in Russian).
  36. A. Takeuchi and A. Inoue, Mater. Sci. Eng., 304–306: 446 (2001). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01446-5
  37. D. Wang, Y. Li, and B. B. Sun, Appl. Phys. Lett., 84, No. 20: 4029 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1751219
  38. N. Mattern, U. Kuhn, and A. Gerbert, Scr. Mater., 53, No. 3: 271 (2005). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2005.04.018
  39. A. A. Kundg, M. Ohnuma, T. Ohkubo, and K. Hono, Acta Mater., 53, No. 7: 2091 (2005). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.01.022
  40. D. S. Park, D. H. Kim, and W. T. Kim, Appl. Phys. Lett., 86, No. 6: 061907 (2005). https://doi.org/10.1063/1.1862790
  41. I. W. Donald and H. A. Davies, J. Non-Cryst. Solids, 30, No. 2: 77 (1978). https://doi.org/10.1016/0022-3093(78)90058-3
  42. D. R. Uhlmann, J. Non-Cryst. Solids, 7, No. 4: 337 (1972). https://doi.org/10.1016/0022-3093(72)90269-4
  43. Rapidly Quenched Metals (Eds. S. Steeb and H. Warlimont) (North-Holland: Elsevier: 1985). https://doi.org/10.1016/B978-0-444-86939-5.X5001-5
  44. R. Sellger and W. Loser, Acta Metall., 34, No. 5: 831 (1986). https://doi.org/10.1016/0001-6160(86)90057-X
  45. H. W. Bergmann and H. U. Fritsch, Metal Science, 16: 197 (1982). https://doi.org/10.1179/msc.1982.16.4.19
  46. Y. J. Kim, R. Busch, and W. L. Johnson, Appl. Phys. Lett., 68, No. 8: 1057 (1996). https://doi.org/10.1063/1.116247
  47. S. Mukherjee, J. Schroers, W. L. Johnson, and W.-K. Rhim, Phys. Rev. Lett., 94: 245501 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.245501
  48. T. Zhang, X. Zhang, and W. Zhang, Mater. Lett., 65: 2257 (2011). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.04.033
  49. S. S. Vil’kovskiy, V. P. Naberezhnykh, and B. I. Selyakov, Amorfnyye Metallicheskie Splavy [Amorphous Metallic Alloys] (Moscow: Metallurgiya: 1983) (in Russian).
  50. A. B. Lysenko, O. L. Kravets, and G. V. Borisova, Fizika i Tekhnika Vysokikh Davleniy, 17, No. 3: 52 (2007) (in Russian).
  51. A. N. Kolmogorov, Izvestiya AN SSSR. Seriya Matematicheskaya, 3: 355 (1937) (in Russian).
  52. V. Z. Belen’kiy, Geometriko-Veroyatnostnyye Modeli Kristallizatsii [Geometrical Probability Models of Crystallization] (Moscow: Nauka: 1980) (in Russian).
  53. E. Pineda, T. Pradell, and D. Crespo, J. Non-Cryst. Solids, 287, Nos. 1–3: 88 (2001). https://doi.org/10.1016/S0022-3093(01)00548-8
  54. A. B. Lysenko, Visnyk Dnipropetrovskoho Universytetu. Seriya: Fizyka. Radioelektronika, 19, No. 2: 3 (2011) (in Russian).
  55. V. I. Tkach, Fizika i Tekhnika Vysokikh Davleniy, 8, No. 4: 91 (1998) (in Russian).
  56. S. G. Rassolov and V. I. Tkach, Izvestiya RAN. Seriya Fizicheskaya, 69, No. 8: 1218 (2005) (in Russian).
  57. O. B. Lysenko, O. L. Kosynska, S. V. Gubarev, and T. V. Kalinina, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 36, No. 10: 1411 (2014) (in Russian). https://doi.org/10.15407/mfint.36.10.1411
  58. A. B. Lysenko, G. V. Borisova, and O. L. Kravets, Fizika i Tekhnika Vysokikh Davleniy, 15, No. 2: 96 (2005) (in Russian).
  59. A. B. Lysenko, G. V. Borisova, O. L. Kravets, and A. A. Lysenko, Phys. Met. Metallogr., 101: 484 (2006). https://doi.org/10.1134/S0031918X06050097
  60. A. B. Lysenko, G. V. Borisova, O. L. Kravets, and A. A. Lysenko, Phys. Met. Metallogr., 113: 588 (2012). https://doi.org/10.1134/S0031918X12060099
  61. A. B. Lysenko, Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov, 2: 25 (2001) (in Russian).
  62. A. B. Lysenko, N. A. Korovina, and Ye. A. Yakunin, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 27, No. 4: 1503 (2005) (in Russian).
  63. A. B. Lysenko, N. A. Korovina, and I. A. Pavluchenkov, Proc. 2nd Int. Conf. Laser Technologies in Welding and Materials Proceeding (May 23–27, 2005, Katsiveli, Crimea, Ukraine) (Kyiv: E. O. Paton Electric Welding Institute of the N.A.S. of Ukraine: 2005), p. 85.
  64. A. B. Lysenko, N. A. Savinskaya, and Ye. A. Yakunin, Proc. V Int. Conf Mathematic Modelling and Information Technologies in Welding and Related Processes (25–28 May, 2010 Katsiveli, Crimea, Ukraine) (Kyiv: E. O. Paton Electric Welding Institute of the N.A.S. of Ukraine: 2010), p. 97.
  65. A. B. Lysenko, O. L. Kravets, and A. A. Lysenko, The 13th Int. Conf. on Rapidly Quenched and Metastable Materials (August 24–29, 2008, Dresden) (Dresden: IFW: 2008), p. 72.
  66. A. B. Lysenko, O. L. Kravets, and A. A. Lysenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 31, No. 10: 1311 (2009).
  67. H. B. Davies and J. B. Hull, J. Mater. Sci., 11: 215 (1976). https://doi.org/10.1007/BF00551430
  68. H. B. Davies and J. B. Hull, Scr. Metall., 7: 637 (1973). https://doi.org/10.1016/0036-9748(73)90227-5
  69. L. A. Davies, R. Ray, C. P. Chou, and R. C. O’Handley, Scr. Metall., 10: 541 (1976). https://doi.org/10.1016/0036-9748(76)90257-X
  70. D. E. Polk and H. S. Chen, Alloy Digest, 10: 4 (1976).
  71. H. Jones, Mater. Lett., 53, Nos. 4–5: 364 (2002). https://doi.org/10.1016/S0167-577X(01)00508-0
  72. K. Mondal and B. S. Murty, Mater. Sci. Eng. A, 454–455: 654 (2007). https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.11.123
  73. K. Mondal, U. K. Chatterjee, and B. S. Murty, Appl. Phys. Lett., 83, No. 4: 671 (2013). https://doi.org/10.1063/1.1595725
  74. A.-H. Cai, H. Wang, and X. S. Li, Mater. Sci. Eng. A, 435–436: 478 (2006). https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.07.021
  75. L. Battezzati and A. L. Greer, Acta Metal., 37, No. 7: 1791 (1989). https://doi.org/10.1016/0001-6160(89)90064-3
  76. T. A. Wanink, R. Busch, A. Masuhr, and W. L. Johnson, Acta Mater., 46, No. 15: 5229 (1998). https://doi.org/10.1016/S1359-6454(98)00242-0
  77. A. Feltz, Amorfnyye i Stekloobraznyye Neorganicheskiye Tverdyye Tela [Amorphous and Vitreous Inorganic Solids] (Moscow: Mir: 1986) (Russian translation).
  78. J. C. A. Wreswijk, R. G. Gossink, and J. M. Stevels, J. Non-Cryst. Solids, 16: 15 (1974). https://doi.org/10.1016/0022-3093(74)90065-9
  79. A. B. Lysenko, I. V. Zagorulko, and O. L. Kosinskaya, Abstr. ІІІ Int. Conf. HighMatTech (October 3–7, 2011, Kyiv) (Kyiv: I. M. Frantsevych Institute for Problems of Materials Science: 2011), p. 103.
  80. A. B. Lysenko, I. V. Zagorulko, and O. L. Kosynskaya, Abstr. III Int. Conf. Modern Problems of Condensed Matter (October 10–13, 2012, Kyiv) (Kyiv: Taras Shevchenko National University of Kyiv: 2012), p. 164.
  81. A. B. Lysenko, I. V. Zagorulko, T. V. Kalinina, and A. A. Kazantseva, Physics and Chemistry of Solid State, 14, No. 4: 886 (2013).
  82. J. W. Christian, The Theory of Transformations in Metals and Alloys (Oxford: Elsevier: 2002). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-044019-4.X5000-4
  83. R. Busch, W. Lin, and W. L. Johnson, J. Appl. Phys., 83, No. 8: 4134 (1998). https://doi.org/10.1063/1.367167
  84. Z. P. Lu, H. Tan, S. C. Ng, and Y. Li, Scripta Mater., 42, No. 7: 667 (2000). https://doi.org/10.1016/S1359-6462(99)00417-0
  85. T. G. Jabbarov, O. A. Dyshin, M. B. Babanli, and I. I. Abbasov, Usp. Fiz. Met., 20, No. 4: 584 (2019). https://doi.org/10.15407/ufm.20.04.584

Лицензия Creative Commons
Эта статья доступна по Лицензии Creative Commons “Attribution-NoDerivatives” («атрибуция — без производных статей») 4.0 Всемирная
© Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, 2020