IMG(0 281 (2)

13

13

SZKŁA METALICZNE

uura krystaliczna. Natomiast substancje o złożonym geometrycznie, zawierają-sl'^u _dnźą liczbę atomów, elemencie strukturalnym, jak np. makrocząsteczka O¹® _rUi odznaczają się małym prawdopodobieństwem utworzenia zarodka krysta-Toteż dla substancji tej grupy w stanie stałym uprzywilejowana jest struktura SnLstaciowa.

*2 wymienionych powodow zeszklenie materiałów metalicznych wymaga bardzo

Szkła metaliczne należą do grupy materiałów amorficznych. Przy dużej atomowej odznaczają się statystycznie nie uporządkowanym, pozbawionym trii, rozkładem przestrzennym atomów. Wykazują tylko uporządkowanie blislwj zasięgu, a całkowicie pozbawione są uporządkowania dalekiego zasięgu. łJ sekwencją takiej struktury jest brak anizotropii, płaszczyzn łupliwości, ściśle pt_t słonej temperatury topnienia. Struktura amorficzna powstaje w rezultaćieayljĘjJ oziębiania cieczy do stanu, w którym jej lepkość jest większa od 10^1Z -r 10¹⁴ p_a,

13.1. ZESZKLENIE MATERIAŁÓW METALICZNYCH

Jak wiadomo z teorii krystalizacji, wzrost szybkości chłodzenia powiększaj napędową przemiany, czyli powiększa szybkość zarodkowania i szybkość krystalia I cji. Efektem jest krzepnięcie cieczy w fazę krystaliczną o coraz drobniejszym zianś Po przekroczeniu krytycznej szybkości chłodzenia (krytycznego przechlodzeniaj I szybkość zarodkowania i szybkość krystalizacji gwałtownie zmniejsza się, aż di zaniku; bowiem pomimo wzrostu siły napędowej pojawiają się czynniki silni hamujące zarodkowanie, do których należą:

—    zmniejszenie amplitudy drgań cieplnych (ruchliwości) atomów,

—    zanik procesów dyfuzyjnych,

—    gwałtowny wzrost lepkości substancji.

Najistotniejszy jest prawdopodobnie ten ostatni czynnik. W rezultacie pnj przechłodzeniu większym od krytycznego ciecz zestala się w amorficzną strukturę I fazy stałej — powstaje szkło.

Obok warunków krzepnięcia na strukturę fazy stałej pewien wpływ wywitn również jej budowa krystaliczna. Substancje o prostym geometrycznie, zlożonj* z małej liczby atomów, elemencie strukturalnym, jak np. komórka zasadnicza sito pierwiastka metalicznego, odznaczają się dużym prawdopodobieństwem utworze* zarodka krystalizacji. Dla substancji tej grupy uprzywilejowana w stanie stałymjesi

Rys. 13.1. Zmiana objętości właściwej podczas krzepnięcia cieczy metalicznej (schemat)

Krzepnięcie cieczy metalicznej w układzie współrzędnych objętość właściwa-tem-peratura przedstawiono na rys. 13.1. Powolne chłodzenie cieczy umożliwia pojawienie się zarodków krystalizacji w temperaturze krzepnięcia T_K, czego następstwem jest krystaliczna struktura fazy stałej. Krystalizacji towarzyszy skokowa zmiana (najczęściej zmniejszenie) objętości właściwej. Dostatecznie szybkie chłodzenie umożliwia przechłodzenie cieczy do stanu metatrwałego, poniżej temperatury T_c. Jeżeli szybkość chłodzenia jest większa od krytycznej, to ciecz zostaje przechodzona do temperatury zeszklenia T_z, w której następuje jej zestalenie w amorficzną strukturę sianu stałego. Zeszkleniu towarzyszy ciągła zmiana objętości właściwej. Warunkiem trwałości fazy szklistej jest ochłodzenie jej dó temperatury niższej oa T_z.

Ściśle biorąc, przemiana zeszklenia zachodzi w wąskim przedziale temperatury, bowiem temperatura T_z jest tym wyższa, im szybsze jest chłodzenie (rys. 13.1). W temperaturze zeszklenia lepkość cieczy metalicznych wzrasta do wartości rzędu i/ = 10¹² Pa s. Ogranicza to tak dalece ruchy atomów, że w czasie zeszklenia nie następują istotne zmiany ich konfiguracji przestrzennej w porównaniu z rozmieszczeniem zajmowanym w cieczy.

Na podstawie teorii krystalizacji i zależności lepkości cieczy od temperatury oszacowano krytyczne szybkości chłodzenia v_k umożliwiające zeszklenie materiałów metalicznych. Tak na przykład dla pierwiastków typowo metalicznych, jak Ni lub Ag, krytyczna szybkość chłodzenia jest rzędu 10¹⁰ K/s, dla Pb - rzędu 10* K/s, a dla większości stopów podlegających zeszkleniu — rzędu 10⁶ K/s. Dla licznych materiałów wyniki szacunków analitycznych wykazują dobrą zgodność z doświadczeniem.