Мировой экономический кризис не останавливает активные инновационные разработки в области космических исследований. Металлическое стекло «со странными свойствами», впервые изобретенное в 1960 году Полом Дювецом, похоже, наконец обрело достойное применение. Его обновленный состав планируется использовать при создании космических роботов-исследователей. О новом материале и проекте НАСА по космической роботизации, рассказывает портал ОКНА МЕДИА.

Объемное металлическое стекло как футуристический объект

Когда Пол Дювец в 1960 году выливал расплавленный горячий состав на основе металла и наблюдал за его свойствами при резком охлаждении, ему и в голову не могло прийти, что данное необычное изобретение вдохновит не только футуристический кинематограф, но и станет реальной основой для новых космических программ. Первоначально полученный Дювецом состав был крайне хрупким и ломким. Он назывался сверхбыстрозамороженным, поскольку вырабатывался при резких скачках температур и одновременном литье состава на стремительно вращающийся медный цилиндр. Охлаждение происходило со скоростью 10 000 000 К/с.

Аморфность как главное свойство сразу определило новый материал. Название «объемное металлическое стекло» возникло в 70-е годы для обозначения новых макроскопических палладиевых сплавов объемом 1 мм с трехмерной структурой. Такое наименование было дано, поскольку сплав был только в основе своей металлическим, а его ключевым свойством была текучесть, или склонность к стеклованию, как ее называли экспериментаторы. По сути, металлическое стекло - это двухфазная структура «стекло –металл», где композит на основе металла или соединений различных металлов непрерывно переходит в стекловидное состояние при охлаждении и претерпевает обратное превращение в застывший металл при следующем затем нагревании с достаточно высокой скоростью процесса нагрева.

фото: разные варианты поверхностей металлического стекла - состав после застывания

Впоследствии эта способность сплава к метаморфозам натолкнула художников, сценаристов и режиссера культового фильма оТерминаторе на создание образа самогенерирующихся роботов-убийц из текучего металлического стекла. Однако практическое применение состава до сих пор был крайне узким, и находилось в основном в области микроштамповки. Еще недавно рассуждения о том, что объемное металлическое стекло может быть использовано в космической промышленности носили исключительно «предположительный» характер.

Металлическое стекло: практическое применение - Космос

На сегодня НАСА является первой организацией, где объемное металлическое стекло, или BMG, станет участником крупномасштабной космической программы по роботизации Вселенной. Основная сложность при работе с металлическим стеклом заключается в рецептуре: состав остается хрупким, если не найти филигранную пропорцию между металлами-участниками сплава. Также предотвратить образование трещин помогает кристаллизация с помощью специальных веществ, которые, формируя кристаллические решетки, скрепляют полосы скольжения внутри сплава и не дают ему «ломаться». До сих пор эксперименты с металлическим стеклом позволяли использовать его в микроэлектромеханических системах (МЭМС), при прозводстве имплантов и хирургических инструментов.

Сжать нельзя растянуть: удивительные свойства BMG

Наряду с хрупкостью – проблемой, которую предстоит решать и решить создателям космических роботов, - металлическое стекло обладает почти сверхестественной гибкостью, высокими антикоррозийными показателями и даже самовосстанавливающимися свойствами после снятия прилагаемой нагрузки – почти как в кино. Интересной «слабостью» BMG является его неустойчивость к различного рода растяжениям. Однако при смене толщины до показателя < 10 нм образцы становятся гораздо более устойчивыми к деформациям, чем при толщине < 1 мм, что также называется «странным свойством» металлического стекла. Пока ученые работают с трехмерными микромоделями из металлического стекла и бдумывают пути снижения себестоимости использования состава для его широкого применения в производстве и промышленности, американское космическое агентство заявило о создании роботов-исследователей на основе BMG.

Терминатор в реальном Космосе


фото: несмотря на фантастичность, фильм отразил главные свойства BMG - он легко плавится и быстро и прочно застывает

В отличие от шутливого киношного прототипа конструкции НАСА нацелены исключительно на мирные программы покорения космических пространств. Устойчивость и «хорошее поведение» образцов из BMG при сжатии позволяет использовать сплав для создания роботов, нацеленных на работу с очень холодными объектами. Это важно для работы космических роверов Curiosity , которые не могут работать на смазке без подогрева, а процесс нагревания на данный момент стал слишком затратным.

Металлическое стекло позволяет сконструировать своеобразный защитный панцирь, который будет предохранять машины от холодных температур и позволит существенно снизить энергозатраты на подогрев. Гибкость металлического стекла позволяет ему при нагревании обтекать любые формы и поверхности и потому его защитные функции могут использовать практически для любых изделий любой формы. Использование веществ для кристаллизации состава и рандомизация атомов в сплаве повышает его защитные свойства и делает нечувствительным к нагрузкам. Одним из минусов пока остается большой вес сплава и готовой конструкции из него.

Металлическое стекло в России и сотрудничество с НАСА

В России инновационный высокотехнологичный материал BMG начнут разрабатывать в университете НИТУ «МИСиС» на базе лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы». Под руководством Акихиса Иноуэ (Akihisa Inoue), профессора университета Тохоку (Япония), который является признанным мировым экспертом в сфере материаловедения и металлического стекла, будет проходить разработка усовершенствованного металлического стекла, которое, по заявлениям ученых, по прочности будет превосходить сталь. Вполне возможно, что в перспективе русские и американские ученые создадут совместную космическую программу, где будет задействован BMG.

Сегодня, несмотря на экономические санкции и сложности на российско-американском политическом ландшафте, сотрудничество США России в области исследования космоса продолжается. Одним из интересных экспериментов станет наземная программа изучения человека во время длительной изоляции с целью подготовки астронавтов к пребыванию на инопланетных станциях, например, на Марсе или Луне, при участии Института медико-биологических проблем Российской Академии Наук.

О программе подробно рассказал в своем интервью одному из российских новостных агентств 6 декабря директор программы по изучению человека в НАСА Уильям Палоски.

Программа Марсианин и металлическое стекло

Программа рассчитана на построение двухнедельного изоляционного эксперимента с участием русских и американских специалистов, который поможет изучить и определить возможности организма человека в условиях имитации пребывания в космосе на базе российского модуля Марс-500. Проект будет осуществлен в 2017 - 2018 годах. Специалисты ИМБП (Институт медико-биологических проблем) станут участниками экспериментов в изоляционных системах НАСА. Также предусмотрено участие в проекте одного астронавта из Японии.

В отличие от фильма «Марсианин», эксперимент будет проводиться в группах по четыре-шесть человек и на Земле. Уильям Палоски заявил, что обе стороны, и российская, и американская, одинаково заинтересованы в укреплении и расширении сотрудничества в раках исследования Космоса. Предварительные высказывания нового президента США по поводу развития сотрудничества наших стран в космической сфере также показывают заинтересованность и внушают оптимизм.

Возможно, что в перспективе новые роботы из объемного металлического стекла будут содействовать работе международных экипажей на орбите и станциях вне Земли.


фото: аморфная и кристаллическая структуры в составе BMG в основе его "перемечивых" свойств - прочности и текучести Несмотря на большой промежуток времени – более 50 лет со дня открытия – свойства металлического стекла и двухфазной структуры стекло-кристалл до сих пор не изучены и представляют огромную территорию для революционных технологических экспериментов и открытий с целью применения в самых разных областях человеческой деятельности – от электроники и медицины до космических роботов. Новый всплеск интереса к металлическому стеклу в наше время идет в русле поиска применения сплава с добавлением полимеров к композиту и его максимальной коммерциализации.

Именно такой материал, для которого энергия образования сдвиговых полос будет много меньше энергии, необходимой для их превращения в трещины, и пытались создать авторы. Перепробовав множество вариантов, они остановились на сплаве палладия, фосфора, кремния и германия, позволявшем получить стеклянные стержни диаметром около 1 мм. При добавлении серебра диаметр удалось увеличить до 6 мм; размер образцов, заметим, ограничивается тем, что исходный расплав требует очень быстрого охлаждения.

«Смешивая пять элементов, мы добиваемся того, что материал при охлаждении «не знает», какую кристаллическую структуру принять, и выбирает аморфную», — поясняет один из участников исследования Роберт Ритчи. Эксперименты показали, что такое металлическое стекло действительно сочетает присущую стёклам твёрдость с характерным для металлов сопротивлением развитию трещин.

Нетрудно предсказать, что на практике новый материал, содержащий чрезвычайно дорогой палладий, будет использоваться редко — возможно, для изготовления зубных или каких-либо других медицинских имплантатов.

«К сожалению, мы пока не определили, почему наш сплав имеет столь привлекательные характеристики, — говорит ещё один участник работ Мариос Деметриу. — Если нам это удастся, можно будет попробовать создать удешевлённый вариант стекла на основе меди, железа или алюминия».

Металлические стекла, или аморфные металлы, это новые технологические сплавы, структура которых не кристаллическая, а скорее, неорганизованная, атомы в которой занимают до некоторой степени случайное расположение. В этом смысле металлические стекла похожи на такие оксидные стекла, как известково-натриевые стекла, используемые для окон и бутылок.

С определенной точки зрения аморфная структура металлических стекол обусловливает два важных свойства. Во-первых, как и другие виды стекол, они претерпевают переход стекла в переохлажденное жидкое состояние при нагревании. В этом состоянии растекаемость стекла может регулироваться по многим параметрам, создавая тем самым большое число возможных форм, придаваемых стеклу. Например, компания Liquidmetal Technologies изготовила короткую клюшку для гольфа.

Во-вторых, аморфная атомная структура означает, что металлическое стекло не имеет дефектов кристаллической решётки, так называемые дислокации, которые влияют на многие прочностные свойства большинства обычных сплавов. Наиболее очевидным следствием этого является большая твердость металлических стекол, чем у их кристаллических аналогов. К тому же металлические стекла менее жесткие, чем кристаллические сплавы. Сочетание высокой твердости и низкой жесткости придают металлическим стеклам высокую упругость - способность аккумулировать энергию упругой деформации и высвобождать ее.

Еще одно следствие аморфной структуры в том, что в отличие от кристаллических сплавов, металлические стекла ослаблены из-за деформации. «Деформационное разуплотнение» вызывает концентрацию деформации в очень узких полосах скольжения, просвечивающей электронной микроскопии.

Металлическое стекло или прозрачный металл?

В Калифорнийском технологическом институте разработан новый метод изготовления чрезвычайно перспективных конструкционных материалов - объемных металлических стекол. Они представляют из себя сплавы нескольких металлов, не имеющие кристаллической структуры. В этом они похожи на обычное стекло - отсюда и название. Металлическое стекло возникает при очень быстром охлаждении расплавов, из-за которого те просто не успевают кристаллизоваться и сохраняют аморфную структуру. Сначала таким способом научились получать тонкие ленты металлических стекол, которые легче заставить быстро терять температуру. Объемные металлические стекла изготовлять куда труднее.

Металлические стекла обладают множеством достоинств. Кристаллические решетки обычных металлов и сплавов всегда содержат те или иные структурные дефекты, которые снижают их механические качества. В металлических стеклах таких дефектов нет и не может быть, поэтому они отличаются особой твердостью. Некоторые металлические стекла к тому же сопротивляются коррозии даже лучше нержавеющей стали. Поэтому специалисты полагают, что эти материалы ожидает блестящее будущее.

До сих пор объемные металлические стекла имели один крупный недостаток - низкую пластичность. Они хорошо выдерживают изгибы и сжатия, но ломаются при растяжении. Теперь Даглас Хоффман и его коллеги изобрели технологию изготовления объемных металлических стекол на основе сплавов титана, циркония, ниобия, меди и бериллия, которая приводит к рождению материалов, не уступающих по прочности лучшим титановым и стальным сплавам.

Разработчики полагают, что сначала они найдут применение в авиакосмической индустрии, а потом, когда удастся снизить их себестоимость, и в других отраслях.

Металлическое стекло как победить хрупкость

Под сканирующим электронным микроскопом хорошо видна ступенчатая структура полосы сдвига.

По краям трещин формируются аналогичные полосы сдвига, что приводит к разрушению вершины трещины и препятствует её дальнейшему росту.

Благодаря своей аморфной структуре металлические стекла могут быть прочными, как сталь, и пластичными, как полимерные материалы, они способны проводить электрический ток и обладают высокой коррозионной стойкостью. Такие материалы могли бы получить широкое распространение при изготовлении медицинских имплантатов и разнообразных электронных устройств, если бы не одно неприятное свойство: хрупкость. Металлические стекла, как правило, являются ломкими и неравномерно сопротивляются усталостным нагрузкам, что ставит под вопрос их надежность. Использование многокомпонентных аморфных металлов решает эту проблему, однако для монолитных металлических стекол она до сих пор актуальна.

В рамках нового исследования. проведенного совместно учеными из Лаборатории Беркли и Калифорнийского технологического института, был найден способ повысить усталостную прочность объемных металлических стекол. Объемное металлическое стекло на основе палладия, подвергнутое усталостным нагрузкам, проявило себя ничуть не хуже, чем лучшие из композитных металлических стекол. Его усталостная прочность сравнима с этим показателем для широко используемых поликристаллических конструкционных металлов и сплавов, таких как сталь, алюминий и титан.

Под нагрузкой на поверхности палладиевого металлического стекла образуется полоса сдвига локальная область значительной деформации, которая принимает ступенчатую форму. При этом по краям трещин, разделяющих ступени, возникают такие же полосы сдвига, что притупляет вершины трещин и препятствует их дальнейшему распространению.

Палладий характеризуется высоким соотношением модулей объемного сжатия и сдвига. что скрадывает присущую стеклообразным материалам хрупкость, поскольку образование многоуровневых полос сдвига, препятствующих дальнейшему росту трещин, оказывается энергетически более выгодным, чем формирование крупных трещин, приводящих к быстрому разрушению образца. Вкупе с высоким пределом выносливости материала эти механизмы значительно повышают усталостную прочность объемного металлического стекла на основе палладия.

Некристаллический металл или сплав, обычно получаемый переохлаждением расплавленного сплава посредством осаждения из газовой фазы или жидкой фазы или внешними методами воздействия.

Источники: www.nanonewsnet.ru, tran.su, www.razgovorium.ru, www.popmech.ru, enc-dic.com

Невская битва 1240 — Невская битва 1240, сражение русских и шведских войск на берегу р. Нева 15 июля 1240. Целью...

Харибда

В древнегреческой мифологии Сцилла и Харибда были морскими чудовищами. Согласно «Одиссее» Гомера, Сцилла и Харибда...

Причины начала Первой мировой войны

В мировой истории существует много различных событий, которые меняли суть самой истории. В каждый исторический период происходило...

алюминиево стальная проволока (КАС-1А), никелево вольфрамовая проволока (ВКН-1).

Композиционные материалы с неметаллической матрицей. Неме-

таллическая матрица – это полимерные, углеродные и керамические материалы. В качестве полимеров используют эпоксидную, фенолформальдегидную и полиамидную матрицы. Упрочнителями служат стеклянные, углеродные, борные, органические, неорганические (нитевидные кристаллы оксидов, боридов, карбидов, нитридов) волокна; металлические проволоки; дисперсные частицы. Полимерные композиты по типу упрочнителя делят на стекло-, карбо-, боро- и органоволокниты.

В слоистых материалах (см. рис. 8.3, в ) волокна, нити после пропитки связующим укладывают в плоскости, которые собирают в пластины. Изменяя способ укладки волокон, получают изотропный или анизотропный КМ.

Стекловолокниты – это композит из синтетической смолы и стекловолокна (армирующего компонента). Неориентированные стекловолокниты – с коротким волокном, а ориентированные – с длинными волокнами. Этим придают стеклопластику высокую прочность.

Карбоволокниты (углепласты) состоят из матрицы – полимерного связующего и упрочнителя – углеродных волокон (карбоволокон). Связующее – синтетический полимер (полимерный карбоволокнит) или карбоволокнит с углеродной матрицей – пиролитический углерод (кокс).

Бороволокниты состоят из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон.

Они имеют высокую прочность (выше, чем у карбоволокнитов) и твёрдость, тепло- и электропроводность, высокие химическую стойкость и сопротивление усталости. Они превосходят металл по вибропрочности.

Органоволокниты состоят из полимерного связующего и упрочнителей – синтетических волокон. Они имеют высокую удельную прочность и жёсткость, устойчивы в агрессивных средах, малочувствительны к повреждениям.

В горном машиностроении композиционные материалы применяют для изготовления фрикционных и антифрикционных деталей, бурового инструмента (коронки), деталей конвейеров, комбайнов, электродов, электроконтактов.

8.4. Металлическиестекла

Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные металлы, метглассы) – это металлические сплавы в стеклообразном состоянии, получаемые после охлаждения расплавов с большими скоростями (< 106 К/с). Металлические стекла – это «замороженные» расплавы, т.е. метастабильные системы и поэтому они кристаллизуются при нагревании до температуры около 0,5 Tпл . Образуют металлические стекла переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Co, Ni), благородные и поливалентные неметаллы (C, B, N, Si, P, Ge), которые являются стеклообразующими.

Металлические стекла однофазны, не имеют дефектов структуры (вакансий, дислокаций). У них высокая прочность, большая пластичность, вы-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 8. Антифрикционные, порошковые и композиционные сплавы

сокая коррозионная стойкость. Некоторые их них – ферромагнетики или они слабо поглощают звук.

Магнитомягкие металлические стекла получают на основе Fe, Co, Ni с добавлением 15–20 % аморфообразующих элементов – B, C, Si, P (например, Fe81 Si3 5B13 C2 c высоким значением магнитной индукции). Аморфный сплав Co66 Fe4 (Mo, Si, B)30 имеет высокие механические свойства.

Стабильные аморфные сплавы обладают высоким сопротивлением коррозии. Например, металлические стекла на основе Fe и Ni с 3–5 % Cr.

Применение металлических стекол определяют их магнитные и коррозионные свойства.

Контрольныевопросыизадания

1. Приведите примеры марок антифрикционных сплавов.

2. Приведите примеры марок свинцовых и оловянных баббитов.

3. Какая структура определяет антифрикционные свойства баббитов?

4. С какой целью баббиты легируют медью?

5. Приведите примеры марок сплавов на основе цинка.

6. Какие материалы называют металлокерамикой?

7. Опишите пористую металлокерамику и её свойства.

8. Назовите достоинства и недостатки металлокерамики.

9. Какой процесс называют спеканием?

10. Назовите виды конструкционной металлокерамики, их свойства, назначение.

11. Дайте характеристику инструментальной металлокерамики. Каково ее назначение?

12. Какие существуют виды металлокерамики специального назначения с особыми свойствами и как их получают?

13. Какие материалы называют композиционными?

14. Из каких компонентов состоят композиционные материалы?

15. По каким признакам классифицируют композиционные материалы?

16. Опишите металлокомпозиты с металлической матрицей, диспер- сионно-упрочненные и с волокнистым упрочнителем.

17. Дайте характеристику композиционным материалам с неметаллической матрицей.

18. Какие материалы называют металлическими стеклами? Опишите их свойства и виды.

19. Назовите виды защиты металлов от коррозии и опишите их.

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

Глава9. Минеральныеразрыхленные, дисперсныеикаменныематериалы

9.1. Природныекаменныематериалы

Неорганические минеральные вещества – это химические элементы и соединения (оксиды, бескислородные соединения элементов), которые не имеют металлических свойств. Эти материалы обладают химической стойкостью, негорючестью, твердостью, стойкостью к нагреву, стабильностью свойств. Их недостатки – высокая хрупкость, низкая стойкость при изменении температур, растяжении и изгибе.

Природные каменные материалы (ПКМ) – строительные материалы,

получаемые из горных пород механической обработкой (дроблением, расплавлением, раскалыванием и т.д.), после которой почти полностью сохраняются структура и свойства горной породы (табл. 9.1 ).

По характеру обработки поверхности ПКМ делят на следующие виды:

природные строительные камни (каменные изделия) – пиленые стеновые материалы и облицовочные камни, архитектурно-строительные изделия (ступени, подоконники), дорожные материалы (брусчатка, бортовые камни), изделия для гидротехнических сооружений, облицовки опор мостов, технические изделия (доски мраморные, плиты поверочные, валы гранитные для бумагоделательного оборудования), декоративно-художественные изделия;

грубообработанные каменные материалы – бутовый и валунный камни, щебень, гравий, песок.

Причинами разрушения ПКМ являются замерзание воды в порах и трещинах; частое изменение температуры и влажности; химическая коррозия под действием газов (кислорода, водорода и др.) и веществ, растворенных в грунтовой и морской воде.

Таблица 9.1

Классификация ПКМ по способу изготовления

		Способ изготовления	Примеры ПКМ
		Из массива камнерезными маши-	Блоки-полуфабрикаты, крупные
		Из блоков-полуфабрикатов с по-	Стеновые камни и блоки, обли-
			цовочные плиты, цельные ступени,
		следующей камнеобработкой*	подоконные доски
		Раскалыванием блоков с после-	бортовые камни, плиты и камни
			тёсаные, брусчатка, шашки для
		дующей обработкой	мощения и т.д.
	Грубоколотые	Направленным раскалыванием	Постелистый камень
		блоков без последующей обработки
		Взрывом горных пород и отделе-	Бутовый камень
		нием мелких фракций
	Дроблёные	Дроблением горной породы с	Щебень, искусственный песок
		разделением на фракции
		Помолом горной породы	Молотый минеральный поро-
			шок, каменная мука

* Процесс придания природному камню нужной формы и внешней отделки.

Для защиты каменных материалов от разрушения применяют следующие способы:

конструктивную защиту – это придание изделиям формы, которая облегчает отвод воды, и гладкой полированной поверхности облицовке;

физико-химическую защиту – это пропитка поверхностного слоя уплотняющими составами, нанесение на лицевую поверхность гидрофобных (водоотталкивающих) составов, пленкообразующих полимерных материалов (прозрачных и окрашенных).

Природные строительные камни (ПСК) . Это строительный материал из горных пород после их распиливания с сохранением структуры и свойств. По плотности их делят на легкие (плотность менее 1 800 кг/м³) и тяжёлые .

Прочность – это потребительское свойство ПСК. Её значение исполь-

зуется в маркировке и оценивается пределом прочности на сжатие σсж , МПа, образцов в воздушно-сухом состоянии.

К потребительским свойствам также относятся истираемость и износ. Для дорожных покрытий, полов применяют твердые мелко- и среднезернистые породы.

Водостойкость ПСК оценивают коэффициентом размягчения Крм (для гидротехнических сооружений Крм составляет не менее 0,8; для наружных стен – не менее 0,6).

Морозостойкость оценивают по числу циклов попеременного замораживания и оттаивания: F10, F15, …, F500. Она зависит от состава, строения и

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Глава 9. Минеральные разрыхленные, дисперсные и каменные материалы

влажности ПСК. Высокая морозостойкость у плотных камней с равномернозернистой структурой и низкая – у слоистых структур.

Огнестойкость зависит от состава и структуры камня. При повышенной температуре одни породы (гипс, известняк) могут разлагаться, а другие (гранит) – растрескиваться.

По назначению ПСК подразделяют: на стеновые, облицовочные, профилированные, дорожные.

Для придания фактуры поверхности используют следующие виды обработки ПСК: ударную, абразивную, термическую.

Стеновые камни получают из плотных, пористых туфов и известняков. Общие требования к стеновым камням: монолитность; плотность от 900 до 2 200 кг/м3 ; σсж = 5–15 МПа для плотных известняков и σсж = 5–40 МПа для туфов; Крм = 0,6–0,7; морозостойкость – не ниже F15; декоративный внешний вид. Мелкопористые природные камни не облицовывают. Стеновые камни для кладки стен (тип I) и перегородок (тип II) выпускают марок 4, 7, 10, 15, 20, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300 и 400 (номера марок соответствуют

значению σсж ).

Стеновые блоки имеют нормируемые линейные размеры с допустимыми отклонениями < 10 мм. Каждый камень заменяет в кладке от 8 до 12 кирпичей, а их масса – не выше 40 кг. Один из возможных вариантов размеров стеновых камней – 390×190×188, а крупные стеновые блоки для механизирован-

ной укладки – 300×800×900.

Пилёные и колотые штучные камни из известняков, доломитов, туфов применяют для кладки устоев мостов, укреплений откосов.

Облицовочные камни – это горные породы красивой окраски и рисунка (декоративность) с необходимой морозостойкостью (не менее F15), прочностью (σсж не менее 5 МПа), монолитностью. Крупные блоки получают из блоков природного камня после распиливания с последующей механической обработкой.

Облицовочные камни могут быть из изверженных, осадочных и метаморфических пород. Прочностная классификация следующая: прочные (σсж > 80 МПа); средней прочности (σсж = 40–80 МПа); низкопрочные

(σсж < 40 МПа).

По долговечности выделяют 4 класса: весьма долговечные (начало разрушения через 650 лет); долговечные (200–250 лет); относительно долговечные (75–120 лет); недолговечные (20–75 лет). По декоративности различают высодекоративные, декоративные, малодекоративные и недекоративные камни.

По назначению облицовочные камни разделяют:

на облицовку гидротехнических сооружений (гранит, изверженные породы с высокими прочностью и твердостью);

плиты для наружной облицовки зданий (известняк, доломиты, песчаники, туфы); облицовку стен метрополитена выполняют чаще всего из мрамора;

цокольные плиты (из стойких пород).

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Глава 9. Минеральные разрыхленные, дисперсные и каменные материалы

Фактура лицевой поверхности облицовочных плит может быть зеркальной (полированной), лощеной (шлифованной порошком), шлифованной абразивным инструментом и пилёной.

Дорожные каменные материалы получают из изверженных и осадочных горных пород, не выветриваемых.

Дорожные каменные материалы подразделяют на следующие виды:

бортовые камни в виде бруса длиной 70–200 см из прочных изверженных пород (диабаз, базальт, гранит); их изготавливают прямыми и лекальными, высокими (до 40 см) и низкими (до 30 см);

брусчатка в виде брусков для мощения дорог из мелко- и среднезер-

нистых прочных (σсж не ниже 100 МПа) изверженных пород (базальт, гранит, диабаз и др.); брусчатка может быть высокой БВ (высотой до 160 мм), средней БС (130 мм), низкой БН (100 мм);

колотый и булыжный камни по форме как многогранная призма (колотый) или овальные (булыжный) из диабаза, базальта, гранита;

тротуарные плиты в виде прямоугольных плит из слоистых горных

Грубообработанные каменные материалы. В эту группу входят бу-

товый и валунный камни, щебень, гравий и песок.

Бутовый камень – крупные обломки горных пород, которые получают при разработке взрывным способом известняков, доломитов, песчаников. Его виды по форме: рваный, постелистый, лещадный (ширина в три или более раз больше толщины). Из бута возводят гидротехнические сооружения, кладки фундаментов, получают щебень.

Гравий – рыхлый материал в виде окатанных зерен размером 1–10 мм, который получается при естественном разрушении (выветривании) осадочных горных пород. Примеси в гравии – пыль, глина, если присутствует песок (25–40 %), то материал называют песчано-гравийной смесью. Свойства гравия зависят от породы и регламентируются техническими требованиями стандартов.

Прочность зерен гравия должна обеспечить получение прочности бетона выше заданной на 20–50 %. По степени морозостойкости различают гравий F15, F25, F50, F100, F150, F200, F300. Эта характеристика важна, если гравий идёт на изготовление бетонных сооружений для суровых климатических условий. Природный гравий также используется для приготовления армированного и неармированного бетона в качестве крупного заполнителя. Гравий применяют для бетона марки до 300, требования к нему приведены в ГОСТ 8268-82.

Щебень из природного камня получают дроблением камней на куски

размером 5–70 мм из горных пород, морозостойких с σсж = 120–200 МПа. Получают щебень из гранита, диабаза, изверженных пород, из осадочных пород (известняка, доломита). Природный щебень называют дресвой. Щебень имеет чаще остроугольную форму, а лучшая форма – куб или тетраэдр. Щебень чище гравия.

Аморфные металлы характеризуются фазовой однородностью, их атомная структура аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов .

История

В 1990-х годах были открыты сплавы, которые переходили в аморфное состояние уже при скоростях охлаждения около 1°C/с. Это сделало возможным изготовление образцов с размерами порядка нескольких миллиметров.

Классификация

Аморфные сплавы подразделяются на 2 основных типа: металл-металлоид и металл-металл.

При аморфизации методом закалки из жидкого состояния могут быть получены сплавы, содержащие следующие элементы:

• Для типа металл-металлоид: B, C, Si, Al, P, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Ag, Sn, Te, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Au, Tl, La.
• Для типа металл-металл: Be, Mg, Al, Ca, Ti, V, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Rh, Pd, Ag, Sb, Hf, Ta, Re, Ir, Pt, Au, Pb, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Th, Dy, Ho, Er, Lu, Th, U.

Свойства

По некоторым свойствам ряд аморфных металлов значительно отличаются от кристаллических того же состава. В частности, некоторые из них отличаются высокой прочностью и вязкостью , коррозионной стойкостью , высокой магнитной проницаемостью .

Механические свойства

Ряд металлических стёкол отличается очень высокой прочностью и твёрдостью . В аморфных сплавах на основе элементов подгруппы железа (Fe, Co, Ni) твёрдость HV может превышать 1000 ГН/м 2 , прочность - 4 ГН/м 2 . Вместе с этим металлические стёкла обладают очень высокой вязкостью разрушения: например, энергия разрыва Fe 80 P 13 C 7 составляет 110 кДж/м 2 , тогда как для стали X-200 значение этого параметра 17 кДж/м 2 .

Электрические свойства

Сопротивление аморфных металлов составляет, как правило, около 100-300 мкОм·см, что значительно выше сопротивления кристаллических металлов. Кроме того, сопротивление разных металлических стёкол в определённых температурных диапазонах характеризуется слабой зависимостью от температуры, а иногда даже убывает с увеличением температуры. При анализе особенностей сопротивления аморфных металлов выделяют 3 группы:

• простой металл - простой металл
• переходный металл - металлоид
• переходный металл - переходный металл.

Металлические стёкла группы простой металл - простой металл отличаются низким удельным сопротивлением (менее 100 мкОм·см). С ростом температуры сопротивление разных материалов данной группы может как возрастать, так и убывать.

Сопротивление материалов группы переходный металл - металлоид лежит в диапазоне 100-200 мкОм·см. Температурный коэффициент сопротивления поначалу положительный, а когда сопротивление достигает ~150 мкОм·см, становится отрицательным. Минимальное значение сопротивления при температурах 10-20 К.

Сопротивление материалов группы переходный металл - переходный металл превышает 200 мкОм·см. При этом с увеличением температуры сопротивление уменьшается.

Некоторые аморфные сплавы проявляют свойство сверхпроводимости , сохраняя при этом хорошую пластичность.

Получение

Существует множество способов получения металлических стёкол.

1. Осаждение газообразного металла
   • Вакуумное напыление
   • Распыление
   • Химические реакции в газовой фазе
2. Затвердевание жидкого металла
   • Закалка из жидкого состояния
3. Нарушение кристаллической структуры твёрдого металла
   • Облучение частицами
   • Воздействие ударной волной
   • Ионная имплантация
4. Электролитическое осаждение из растворов

Закалка из жидкого состояния

Закалка из жидкого состояния является основным способом получения металлических стёкол. Этот метод заключается в сверхбыстром охлаждении расплава, в результате которого он переходит в твёрдое состояние, избежав кристаллизации - структура материала остаётся практически такой же, как в жидком состоянии. Он включает в себя несколько методов, которые позволяют получать аморфные металлы в формах порошка, тонкой проволоки, тонкой ленты, пластинок. Также были разработаны сплавы с малой критической скоростью охлаждения, что позволило создавать объёмные металлические стёкла.

Для получения пластинок массой до нескольких сотен миллиграмм, капля расплава с большой скоростью выстреливается на охлаждаемую медную плиту, скорость охлаждения при этом достигает 10 9 °C/с. Для получения тонких лент шириной от десятых долей до десятков миллиметров расплав выдавливается на быстро вращающуюся охлаждающую поверхность. Для получения проволок толщиной от единиц до сотен микрон применяются разные методы. В первом расплав протягивается в трубке через охлаждающий водный раствор, скорость охлаждения при этом составляет 10 4 -10 5 °C/с. Во втором методе струя расплава попадает в охлаждающую жидкость, которая находится на внутренней стороне вращающегося барабана, где удерживается за счёт центробежной силы.

Применение

Несмотря на хорошие механические свойства, металлические стёкла не используются в качестве ответственных деталей конструкций по причине их высокой стоимости и технологических сложностей. Перспективным направлением является применение коррозионностойких аморфных сплавов в различных отраслях. В оборонной промышленности при производстве защитных бронированных ограждений используются прослойки из аморфных сплавов на основе алюминия для погашения энергии пробивающего снаряда за счет высокой вязкости разрушения таких прослоек.

Благодаря своим магнитным свойствам аморфные металлы используются при производстве магнитных экранов, считывающих головок аудио- и видеомагнитофонов, устройств записи и хранения информации в компьютерной технике, трансформаторов и других устройств.

Низкая зависимость сопротивления некоторых аморфных металлов от температуры позволяет использовать их в качестве эталонных резисторов.

См. также

Напишите отзыв о статье "Аморфные металлы"

Примечания

Литература

• Yoshizawa Y., Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based magnetic alloys composed of ultrafine grain structure // J. Appl. Phys. 1988. М. 64, No 10.
• Herzer G. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. V. 10. Edited by K. H. J. Bushow. Amsterdam: Elsevier Science. 1997
• К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото. Аморфные металлы. - М .: Металлургия, 1987. - 328 с. - 3300 экз.
• Юрий Стародубцев. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2002.
• Юрий Стародубцев. , М. Техносфера, 2011.

Отрывок, характеризующий Аморфные металлы

«Завтра, очень может быть, пошлют с каким нибудь приказанием к государю, – подумал он. – Слава Богу».

Крики и огни в неприятельской армии происходили оттого, что в то время, как по войскам читали приказ Наполеона, сам император верхом объезжал свои бивуаки. Солдаты, увидав императора, зажигали пуки соломы и с криками: vive l"empereur! бежали за ним. Приказ Наполеона был следующий:
«Солдаты! Русская армия выходит против вас, чтобы отмстить за австрийскую, ульмскую армию. Это те же баталионы, которые вы разбили при Голлабрунне и которые вы с тех пор преследовали постоянно до этого места. Позиции, которые мы занимаем, – могущественны, и пока они будут итти, чтоб обойти меня справа, они выставят мне фланг! Солдаты! Я сам буду руководить вашими баталионами. Я буду держаться далеко от огня, если вы, с вашей обычной храбростью, внесете в ряды неприятельские беспорядок и смятение; но если победа будет хоть одну минуту сомнительна, вы увидите вашего императора, подвергающегося первым ударам неприятеля, потому что не может быть колебания в победе, особенно в тот день, в который идет речь о чести французской пехоты, которая так необходима для чести своей нации.
Под предлогом увода раненых не расстроивать ряда! Каждый да будет вполне проникнут мыслию, что надо победить этих наемников Англии, воодушевленных такою ненавистью против нашей нации. Эта победа окончит наш поход, и мы можем возвратиться на зимние квартиры, где застанут нас новые французские войска, которые формируются во Франции; и тогда мир, который я заключу, будет достоин моего народа, вас и меня.
Наполеон».

В 5 часов утра еще было совсем темно. Войска центра, резервов и правый фланг Багратиона стояли еще неподвижно; но на левом фланге колонны пехоты, кавалерии и артиллерии, долженствовавшие первые спуститься с высот, для того чтобы атаковать французский правый фланг и отбросить его, по диспозиции, в Богемские горы, уже зашевелились и начали подниматься с своих ночлегов. Дым от костров, в которые бросали всё лишнее, ел глаза. Было холодно и темно. Офицеры торопливо пили чай и завтракали, солдаты пережевывали сухари, отбивали ногами дробь, согреваясь, и стекались против огней, бросая в дрова остатки балаганов, стулья, столы, колеса, кадушки, всё лишнее, что нельзя было увезти с собою. Австрийские колонновожатые сновали между русскими войсками и служили предвестниками выступления. Как только показывался австрийский офицер около стоянки полкового командира, полк начинал шевелиться: солдаты сбегались от костров, прятали в голенища трубочки, мешочки в повозки, разбирали ружья и строились. Офицеры застегивались, надевали шпаги и ранцы и, покрикивая, обходили ряды; обозные и денщики запрягали, укладывали и увязывали повозки. Адъютанты, батальонные и полковые командиры садились верхами, крестились, отдавали последние приказания, наставления и поручения остающимся обозным, и звучал однообразный топот тысячей ног. Колонны двигались, не зная куда и не видя от окружавших людей, от дыма и от усиливающегося тумана ни той местности, из которой они выходили, ни той, в которую они вступали.
Солдат в движении так же окружен, ограничен и влеком своим полком, как моряк кораблем, на котором он находится. Как бы далеко он ни прошел, в какие бы странные, неведомые и опасные широты ни вступил он, вокруг него – как для моряка всегда и везде те же палубы, мачты, канаты своего корабля – всегда и везде те же товарищи, те же ряды, тот же фельдфебель Иван Митрич, та же ротная собака Жучка, то же начальство. Солдат редко желает знать те широты, в которых находится весь корабль его; но в день сражения, Бог знает как и откуда, в нравственном мире войска слышится одна для всех строгая нота, которая звучит приближением чего то решительного и торжественного и вызывает их на несвойственное им любопытство. Солдаты в дни сражений возбужденно стараются выйти из интересов своего полка, прислушиваются, приглядываются и жадно расспрашивают о том, что делается вокруг них.
Туман стал так силен, что, несмотря на то, что рассветало, не видно было в десяти шагах перед собою. Кусты казались громадными деревьями, ровные места – обрывами и скатами. Везде, со всех сторон, можно было столкнуться с невидимым в десяти шагах неприятелем. Но долго шли колонны всё в том же тумане, спускаясь и поднимаясь на горы, минуя сады и ограды, по новой, непонятной местности, нигде не сталкиваясь с неприятелем. Напротив того, то впереди, то сзади, со всех сторон, солдаты узнавали, что идут по тому же направлению наши русские колонны. Каждому солдату приятно становилось на душе оттого, что он знал, что туда же, куда он идет, то есть неизвестно куда, идет еще много, много наших.
– Ишь ты, и курские прошли, – говорили в рядах.
– Страсть, братец ты мой, что войски нашей собралось! Вечор посмотрел, как огни разложили, конца краю не видать. Москва, – одно слово!
Хотя никто из колонных начальников не подъезжал к рядам и не говорил с солдатами (колонные начальники, как мы видели на военном совете, были не в духе и недовольны предпринимаемым делом и потому только исполняли приказания и не заботились о том, чтобы повеселить солдат), несмотря на то, солдаты шли весело, как и всегда, идя в дело, в особенности в наступательное. Но, пройдя около часу всё в густом тумане, большая часть войска должна была остановиться, и по рядам пронеслось неприятное сознание совершающегося беспорядка и бестолковщины. Каким образом передается это сознание, – весьма трудно определить; но несомненно то, что оно передается необыкновенно верно и быстро разливается, незаметно и неудержимо, как вода по лощине. Ежели бы русское войско было одно, без союзников, то, может быть, еще прошло бы много времени, пока это сознание беспорядка сделалось бы общею уверенностью; но теперь, с особенным удовольствием и естественностью относя причину беспорядков к бестолковым немцам, все убедились в том, что происходит вредная путаница, которую наделали колбасники.
– Что стали то? Аль загородили? Или уж на француза наткнулись?
– Нет не слыхать. А то палить бы стал.
– То то торопили выступать, а выступили – стали без толку посереди поля, – всё немцы проклятые путают. Эки черти бестолковые!
– То то я бы их и пустил наперед. А то, небось, позади жмутся. Вот и стой теперь не емши.
– Да что, скоро ли там? Кавалерия, говорят, дорогу загородила, – говорил офицер.
– Эх, немцы проклятые, своей земли не знают, – говорил другой.
– Вы какой дивизии? – кричал, подъезжая, адъютант.
– Осьмнадцатой.
– Так зачем же вы здесь? вам давно бы впереди должно быть, теперь до вечера не пройдете.
– Вот распоряжения то дурацкие; сами не знают, что делают, – говорил офицер и отъезжал.
Потом проезжал генерал и сердито не по русски кричал что то.
– Тафа лафа, а что бормочет, ничего не разберешь, – говорил солдат, передразнивая отъехавшего генерала. – Расстрелял бы я их, подлецов!
– В девятом часу велено на месте быть, а мы и половины не прошли. Вот так распоряжения! – повторялось с разных сторон.
И чувство энергии, с которым выступали в дело войска, начало обращаться в досаду и злобу на бестолковые распоряжения и на немцев.