شیشه فلزی حجیم عناصر آلیاژی شکل فاز

شیشه فلزی حجیم عناصر آلیاژی شکل فاز – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه متالورژی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

اثر افزودن عناصر آلیاژی به میزان اندک بر شکل گیری فاز شیشه­ای در شیشه‌های فلزی‌ حجیم

چکیده

مقاله حاضر مروری جامع بر کارهای اخیر در زمینه افزودن اندک عناصر آلیاژی بر شکل گیری فاز شیشه­ای در شیشه‌های فلزی حجیم‌ می­باشد. اخیرا نشان داده شده است که افزودن اندک عناصر آلیاژی یا تکنولوژی میکروآلیاژی تاثیر قابل توجهی بر شکل­گیری فاز شیشه­ای و پایداری حرارتی بسیاری از شیشه‌های فلزی‌ حجیم دارد. این تکنولوژی اساسا شامل افزودن عناصر آلیاژی به مقدار بسیار اندک (عموما زیر at% 2) به شیشه فلزی‌ حجیم با هدف افزایش قابلیت تشکیل فاز شیشه­ای می­باشد. مدارک تجربی نشان می­دهد که افزودن عناصر آلیاژی با اتم­های کوچک  با شعاع اتمی‌زیر nm 12/0 (مانند B و Si) یا اتم­های بزرگ با شعاع اتمی‌بالای nm 16/0 (مانند Y و Sc) تاثیر زیادی بر قابلیت شکل­گیری فاز شیشه­ای دارد. تاثیرات سودمند این عناصر بر پایه متالورژی فیزیکی مورد بحث قرار گرفته است.

کلمات کلیدی: شیشه‌های حجیم، فلزی؛ میکروآلیاژکاری‌حجیم؛ خصیصه‌های مکانیکی حجیم در دمای محیط

شیشه فلزی حجیم عناصر آلیاژی شکل فاز

۱- مقدمه

در دهه حاضر، شیشه‌های فلزی حجیم‌ (BMG[1]) به عنوان کلاس نویدبخشی از مواد فلزی ظاهر شده­اند که دارای ترکیبی غیرعادی از خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی می­باشند]۱[. سنتز این BMGهای چند جزئی با قابلیت بالای شکل­گیری فاز شیشه­ای (GFA[2]) به دلیل قابلیت استفاده بعنوان مواد سازه­ای و کاربردی جدید از لحاظ علمی‌و تکنولوژیکی مورد توجه قرار گرفته است. بر اساس مطالعات تجربی، Inoue ]2و۳[ سه قانون تجربی را برای تولید BMGهای جدید بنیان گذاشت. (۱) وجود حداقل سه جزء تشکیل دهنده یا بیشتر، (۲) عدم انطباق بالا در اندازه‌های اتمی‌(عموما بالای ۱۲٪) و (۳) گرمای منفی ترکیبی بالا میان عناصر اصلی. این قوانین تجربی یقینا در انتخاب سیستم­های چند جزئی مفید می­باشند، لیکن کمک چندانی در تعیین ترکیب آلیاژ نمی­کنند. جهت تعیین ترکیبی با قابلیت شکل گیری فاز شیشه­ای مناسب نیازمند بررسی اثر هر عنصر در آلیاژ مورد نظر به صورت تجربی می­باشیم. در سیستم‌های چند جزئی، می‌بایست صدها نوع ترکیب آلیاژ آماده سازی شده و برای تشکیل فاز شیشه­ای مورد ارزیابی قرار گیرند. این کار تا حد زیادی دشوار و زمان بر می­باشد و نتیجه آن کاملا غیر قابل پیش بینی است.

با توجه به مشکلات مذکور، محققین مواد به دقت به دنبال راهی جهت تعیین ترکیبات آلیاژی با قابلیت بالای شکل­گیری فاز شیشه­ای می­باشند. اخیرا نشان داده شده است که افزودن اندک عناصر آلیاژی یا تکنولوژی میکروآلیاژی اثر قابل توجهی بر پایداری شیشه‌های فلزی‌ دارد ]۱۰-۴[. اساسا این تکنولوژی شامل افزودن میزان اندکی عناصر آلیاژی (زیر at2٪) به شیشه فلزی‌ با هدف بهبود قابلیت شکل­گیری فاز شیشه­ای می­باشد. مدارک تجربی نشان داده است که عناصر آلیاژی با اتم­های کوچک (مانند B و Si با شعاع اتمی‌زیر nm12/0) یا اتم­های بزرگ (مانند Y و Sc با شعاع اتمی‌بالای nm16/0) تاثیر زیادی بر افزایش قابلیت شکل­گیری فاز شیشه­ای دارد. این مقاله به طور خلاصه بر تاثیرات مثبتی که افزودن اندک عناصر آلیاژی بر شکل گیری فاز شیشه­ای دارد می‌پردازد. مطالعه­ای دقیق­تر بر تاثیر روالهای ساخت میکرو آلیاژ در مقوله دیگر منتشر خواهد شد]۱۱[.

[۱] Bulk Metallic Glasses

[۲] Glass Forming Ability

شیشه فلزی حجیم عناصر آلیاژی شکل فاز

۲- نتایج و بحث

۱-۲٫ تاثیر اتم­های کوچک

اخیرا Sordelet و همکارانش ]۴ و ۵[ مطالعه­ای را جهت بررسی اثر اکسیژن، یک اتم بین نشین کوچک، بر شکل گیری فاز شیشه­ای در Zr₈₀Pt₂₀  نوارهای ریسیده شده از مذاب[۱] انجام دادند. نتایج ویژه­ای که از نمودارهای XRD بدست آمده است در شکل۱ آورده شده است. ریبون­های آلیاژی که شامل کمتر از wppm500 اکسیژن می‌باشند نشان دهنده فاز منظم β-Zr  بلورین کامل با مقدار زیادی Pt به صورت محلول می‌باشد. افزایش اکسیژن تا بالای wppm1000 منجر به ایجاد ساختارهای کاملا آمورف (بی­شکل) می­گردد. در این حالت، اکسیژن سبب افزایش پایداری فاز شیشه­ای می­شود . این امر به دلیل کاهش انرژی آزاد توسط پرکردن حجم آزاد و افزایش چگالی مذاب­هایی که به صورت اتفاقی فشرده شده­اند می­باشد. با افزایش بیشتر اکسیژن تا بالای wppm1500، فاز نیمه کریستالی و کریستالی Zr₆Pt₃O در ریبون ایجاد می­شود. این کار نشان­دهنده اهمیت افزودن اتم­های کوچک بر پایداری فاز شیشه­ای می‌باشد. نتایجی مشابهی نیز برای اتم­های هیدروژن بین نشین در آلیاژهای تشکیل دهنده فاز شیشه­ای انجام شده است]۱۲[.

[۱] Melt-Spun Ribbon

شیشه فلزی حجیم عناصر آلیاژی شکل فاز

۳- اثر اتمهای بزرگ

مشابه اتمهای کوچک، افزودن اتمهای بزرگی مانند Sc,Y,Zr,Sn,Pb نیز سبب بهبود قابل توجه شکل گیری فاز شیشه ای می‌گردند. Kunduig و همکارانش]۷[ مطالعه ای سیستماتیک را برای بررسی اثر افزودن عناصر آلیاژی به میزان اندک در Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅ که شامل میزان اندکی ناخالصی اکسیژن بود انجام دادند. شکل ۳ قطر شمش (حاوی آستانه ۵٪ برای فاز کریستالی) را به عنوان تابعی از میزان Sc نشان می‌دهد. قطر شمش شیشه­ای حاوی ppm 120-90 اکسیژن با افزودن میزان بسیار کم، ۰۶/۰-۰۳/۰٪ Sc از ۵/۴ به mm10 افزایش یافته است.اثر سودمند افزودن Sc حذف اکسیژن از مذاب و در نتیجه کاهش تشکیل اکسیدهایی که به عنوان محرک کریستالیزاسون هستند می‌باشد. افزودن بیشتر Sc قابلیت تشکیل فاز شیشه ای را کاهش می‌دهد، دلیل آن این است که Sc تشکیل فازهای کریستالی غنی از Sc را تسهیل می‌بخشد.

شیشه فلزی حجیم عناصر آلیاژی شکل فاز

۴- افزودن همزمان اتمهای کوچک و بزرگ

از آن جا که هم حضور اتمهای بزرگ و هم اتمهای کوچک اثر مثبتی بر شکل گیری فاز شیشه ای دارند منطقا به نظر می‌رسد افزودن همزمان اتمهای کوچک و بزرگ سبب بهترین قابلیت شکل گیری فاز شیشه ای در شیشه‌های فلزی‌ گردد. این نوع آلیاژسازی اخیرا توسط Liu و همکارانش ]۱۰[ در مطالعه ای بر روی شیشه فلزی‌ با آلیاژ پایه Zr حاوی میزان بالایی از اکسیژن انجام شده است. می‌دانیم که ناخالصی اکسیژن به شدت قابلیت شکل گیری فاز شیشه را کاهش می‌دهد و شیشه فلزی‌  با آلیاژ پایه Zr را ترد می‌کند، از این رو نیاز مند این می‌باشیم که مواد با خلوص بالاو قیمت بالایی در ساخت آنها مورد استفاده قرار گیرد. اثر مضر اکسیژن ناشی از تشکیل جوانه های غنی از اکسیژن منجر به شکل گیری فازهای کریستالی می‌گردد که در شکل ۵a برای آلیاژ Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅ حاوی ppm3000 تهیه شده از فلز Zr تجاری نشان داده شده است. Liu و همکارانش یافتند که میکرو آلیاژسازی با اتمهای بزرگ Pb در محدوده at%1/0 به علاوه ۱/۰٪ اتمهای ریز B و ۲/۰٪  Si در آلیاژ شیشه ای تهیه شده از مواد تجاری، کریستایزاسیون را در شمشهایی تا قطر mm4/6 به شدت کاهش می‌دهد (شکل۵b). از این رو میکروآلیاژسازی به طور موثری بر اثر منفی اکسیژن بر شکل گیری فاز شیشه ای غلبه می‌کند. مطالعات میکروساختاری نشان می‌دهد که عنصر افزوده شده به شدت فاز شیشه ای زمینه را پایدار می‌کندتا جایی که جوانه های اکسید دیگر سبب افزایش کریستالیزاسیون در شیشه فلزی‌  نمی‌گردند. ذکر این نکته حائز اهمیت است که این مطاله امکان پذیری استفاده از آلیاژ تجاری پایه Zr را نشان می‌دهد. این عمل به شدت هزینه مواد را کاهش داده و امکان شرایط ریخته گری با دقت پایین تری را برای این آلیاژها می‌دهد. قطعا نیازمند مطالعات بیشتری در زمینه میکروآلیاژسازی برای شکل گیری فاز شیشه ای و ساخت شیشه فلزی‌  می‌باشیم.

شیشه فلزی حجیم عناصر آلیاژی شکل فاز

۵- خلاصه و نتیجه گیری

Lu و Liu ]17و۱۸[ اخیرا نشان دادند که تشکیل فاز شیشه ای همواره فرایندی رقابتی بین مذاب و فازهای کریستالی است. در نتیجه قابلیت تشکیل فاز شیشه ای در شیشه‌های فلزی‌  مربوط به دو جنبه می‌باشد: ۱) پایداری فاز مذاب و ۲) سرعت تشکیل فازهای کریستالی. افزایش پایداری مذاب و یا کاهش تشکیل فاز کریستالی می‌تواند این قابلیت را افزایش دهد. همان گونه که در مطالعات اخیر نشان داده شده است افزودن عناصر آلیاژی به میزان اندک با اتمهای بزرگ یا کوچک بسیار در تشکیل فاز شیشه ای موثر است. بر اساس مطالعات ما در این جا بر روی میکرو آلیاژسازی، مکانیزمهای مهم در افزایش قابلیت تشکیل فاز شیشه ای به طور زیر خلاصه می‌گردد:

1. افزایش پایداری مذاب توسط پر کردن حجم آزاد ( به عنوان مثال افزایش چگالی مذابهایی که رندم کنار هم قرار گرفته اند) یا تشکیل جفت هایی با استحکام پیوند بالا با اتمهای تشکیل دهنده در مذاب،

2. افزایش پایداری مذاب با کاهش نقطه ذوب مذاب شیشه ای از طریق واکنش یوتکتیک،

3. کاهش تشکیل فاز کریستالی توسط حذف ناخالصی‌های مضر از قبیل اکسیژن در مذاب سرد شده،

4. ناپایدار سازی فازهای کریستالی از طریق محدوده های حلالیت و کاهش سرعت جوانه زنی و رشد کریستال.