Випуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, випуск 1 (2020)

Умови одержання металічних стекол та суто аморфних матеріялів

О. Б. Лисенко$^1$, І. В. Загорулько$^2$, Т. В. Калініна$^1$

$^1$Дніпровський державний технічний університет, вул. Дніпробудівська, 2, 51918 Кам’янське, Україна
$^2$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримано 23.07.2019; остаточний варіант — 18.03.2020 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Виконано огляд літературних даних з проблеми формування невпорядкованих структурних станів при швидкому охолодженні металевих розтопів. Новизна авторського підходу полягає в тому, що, окрім загальновживаного моделю металевих стекол (МС), які в структурному відношенні являють собою аморфно-нанокристалічні композити, аналізуються умови фіксації однофазних аморфних структур, позбавлених включень кристалічної складової. Розглянуто критерії схильности розтопів до некристалічного твердіння: «глибокої евтектики», термодинамічні, структурні (топологічні), фізико-хемічні та кінетичні. Особливу увагу приділено роботам, в яких критичні значення товщини та швидкости охолодження розтопів, що забезпечують формування МС, визначають шляхом узгодженого розв’язання теплової та кінетичної задач, сформульованих стосовно процесу гартування з рідкого стану (ГРС). Показано, що використання моделю ефективних швидкостей зародження та росту кристалів у дослідженнях кінетики масової кристалізації уможливлює аналізувати складні перетворення, що здійснюються за умов конкуренції декількох кристалічних фаз і/або механізмів перетворення, а також спрощує розрахунки параметрів мікроструктури продуктів ГРС. Надано детальну характеристику запропонованої авторами термокінетичної аналізи умов аморфізації металевих розтопів. Доведено, що ймовірність формування структури металевих стекол, перш за все, визначається швидкістю росту кристалів, величина якої контролюється відношенням ріжниці вільних енергій рідкої та кристалічної фаз Δ$G_V$ до в’язкости η розтопу. Визначено інтервали значень критерію Δ$G_V$/η для матеріялів чотирьох груп із істотно різною здатністю до склоутворення. Заключний розділ місить результати розрахункової аналізи умов пригнічення процесів зародкування та фіксації суто аморфних структурних станів. За даними відповідних літературних джерел показано, що реальну перспективу одержання повністю аморфних структур демонструють лише стопи, що тверднуть у вигляді МС при литті у металеву виливницю. Зроблено висновок, що головними чинниками, які підвищують ймовірність щодо абсолютної аморфізації, є відносно низькі (до 10$^{20}$ м$^{–3}$·с$^{–1}$) значення стаціонарної частоти утворення центрів кристалізації й яскраво виражена тенденція уповільнення процесів зародження з ростом швидкости охолодження розтопів.

Ключові слова: гартування з рідкого стану, критерії схильности до аморфізації, металеві стекла, суто аморфні стани, моделі нерівноважної кристалізації, швидкість росту кристалів, частота зародкоутворення.

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

Цитована література (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

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, 2020