شیشه ‌های فلزی حجیم

شیشه ‌های فلزی حجیم – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه متالورژی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

شیشه ‌های فلزی حجیم

شیشه ‌های فلزی حجیم

شیشه‌های فلزی حجیم

چکیده

آلیاژهای بی‌ریخت در ابتدا بیش از 40 سال قبل توسعه یافته و كاربردهایی همچون هسته مغناطیسی یا مواردی را یافتند كه بمنظور استحكام به مواد دیگر اضافه می‌شدند. حوضه كاربردهای این مواد بواسطه ضخامت اندك تنها دهها میكرون محدود می‌باشد. تحقیقات انجام شده در خلال دو دهه گذشته كه عمدتاً تحت پیشتازی گروهی از دانشمندان ژاپنی و آمریكایی انجام گرفت بطور اساسی باعث كاهش این محدودیت اندازه گردیده است. برخی از شیشه‌های فلزی حجیم می‌توانند دارای قدرت كششی تا MPa3000 باشند و از مقاومت در برابر خوردگی مناسب، سختی منطقی،‌ اصطكاك داخلی اندك و قابلیت پردازش متناسبی برخوردار می‌باشند. شیشه‌های فلزی حجیم هم اكنون در صنایع الكترونیك، كالاهای ورزشی و غیره كاربرد دارند. در این مقاله، نویسندگان نسبت به بررسی توسعه اخیر سیستم‌های آلیاژی جدید شیشه‌های فلزی حجیم اقدام می‌نمایند. خصیصه‌ها و تكنولوژی‌های پردازش مرتبط با كاربردهای صنعتی این آلیاژها نیز در اینجا مورد بحث قرار می‌گیرند. رفتارهای شیشه‌های فلزی حجیم تحت شرایط حاد نظیر فشار بالا و دمای پایین در این بررسی بطور خاص مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. بمنظور وسعت دادن ناحیه كاربردها، درك معیار فرم دهی- شیشه برای طراحی سیستم‌های آلیاژی جدید مهم می‌باشد و علاوه بر این تكنیك‌های پردازشی نیز از اهمیت قابل توجهی برخوردار می‌باشند.

كلمات كلیدی: شیشه فلزی حجیم، توانایی شكل دهی– شیشه، بلورین سازی، تكنیك‌های فشار بالا

شیشه ‌های فلزی حجیم

1- مقدمه

1-1. توسعه‌های اخیر شیشه‌های فلزی

مواد جامد همراه با انواع پیوند اصلی شامل یونی، كووالانسی،‌ واندروالس، هیدروژن و فلزی را می‌توان به طرق مختلف به اشكال جامد بی‌ریخت ساخت. آلیاژ‌های بی‌ریخت فلزی (یعنی شیشه‌های فلزی) به طور مقایسه‌ای جزء تازه واردین به گروه مواد بی‌ریخت یا بی‌شكل می‌باشند. بر اساس گزارشات، تشكیل اولین شیشه فلزی  بوسیله دووز (Duwez) در انستیتو تكنولوژی كالتك (Caltech) ایالات متحده آمریكا به سال 1960 محقق شد. آنها نسبت به توسعه تكنیك‌های آبدهی تبرید سریع برای سرد كردن سیالات فلزی در نرخ‌های بسیار بالای  اقدام نمودند. تحقیق آنها نشان داد كه می‌توان از فرآیند هسته زایی و رشد فاز بلورین بصورت سینیتیكی در برخی از ذوب‌های آلیاژی جهت تحصیل یك پیكربندی سیال منجمد، یعنی شیشه، اجتناب نمود. اهمیت كار دووز آن بود كه روش آنها اجازه می‌داد تا مقادیر زیادی از آلیاژ را می‌توان به یك حالت شیشه‌ای در مقایسه با روش‌های دیگر، بطور مثال روش تغلیط بخار، تبدیل نمود. تشكیل، ساختار و بررسی‌های دقیق شیشه‌های فلزی توجه زیادی را بواسطه اهمیت علمی اساسی و پتانسیل كاربرد مهندسی بخود جلب نموده است. تكنیك‌های تبرید ذوب بطور گسترده‌ای توسعه یافته و به منظور تولید شیشه‌های فلزی در گستره وسیعی به كار گرفته شده‌اند.

تحقیقات بر روی شیشه‌های فلزی در اوایل دهه 1970 و 1980 زمانی كه فرآیندهای ریخته‌گری پیوسته برای تولید تجاری ریبون‌های شیشه‌های فلزی، خطوط و ورق‌ها توسعه یافت حركت قابل توجهی را بخود مبذول داشت. انفجار تحقیقات صنعتی و علمی نتیجه آن دوران به شمار می‌آمد. با این وجود، نرخ سردسازی بالا هندسه آلیاژهای بی‌ریخت را در ورق‌های نازك و خطوط محدود می‌نمود كه بر این اساس كاربردهای وسیعی برای آنها بوجود نیامد.

از نقطه نظر آكادمیك، كار ترنبول و كواكرز (Turnbull and coworkers) مشاركت زیادی را در این مقوله باعث گردید. آنها مشابهت‌های بین شیشه‌های فلزی و دیگر شیشه‌های غیر فلزی نظیر سیلیكات، شیشه‌های سرامیكی و پلیمرها را نشان دادند. آنها در تحقیقات خود نشان دادند كه رویه گذار شیشه كه در فرآیندهای ذوب فرم‌دهی- شیشه متعارف تجلی یافته است را می‌توان در شیشه‌های فلزی تبرید سریع نیز مشاهده نمود. روال گذار شیشه‌ بر اساس یافته‌ها در یك دمای نسبتاً مشخص شده مناسب تحقق می‌یابد، كه تنها بهنگامی كه نرخ گرمایشی تغییر می‌كند، دارای تفاوت اندكی می‌باشد. ترنبول پیش‌بینی نمود كه یك نسبت،‌ كه بدان بعنوان دمای گذار یا دمای تبدیل شیشه كاهش یافته  رجوع می‌شود، دمای گذار شیشه T_g به نقطه ذوب یا دمای خط ذوب T_m آلیاژ، را می‌توان بعنوان یك معیار برای تعیین توانایی فرم‌دهی- شیشه (GFA) آن آلیاژ مشخص نمود. بر حسب معیار ترنبول، یك مایع با  بهنگام فرآیند بلوری سازی در چارچوب زمانی آزمایشگاهی بصورت دیرگداز درخواهد آمد و تنها در محدوده دمایی بسیار باریكی می‌تواند متبلور شود. چنین مایعی را می‌توان از اینرو در یك نرخ سردسازی پایین بصورت فوق تبرید بصورت شیشه‌ درآورد. تاكنون معیار ترنبول برای توقف بلوری سازی در ذوب‌های فوق تبرید بعنوان یكی از بهترین «قاعده سرانگشتی» برای پیش بینی GFA هرمایع بشمار می‌آید. این امر نقش كلیدی را در توسعه شیشه‌های فلزی مختلف شامل شیشه‌های فلزی حجیم (BMGs) بعهده دارد.

شیشه ‌های فلزی حجیم

2-1. تولید شیشه‌های فلزی حجیم

در صورتی كه شخصی بطور دلخواه نسبت به تعریف مقیاس میلیمتر بعنوان «حجم» اقدام نماید، اولین شیشه فلزی حجیم مرتبط با این تعریف آلیاژ سه گانه Pd-Cu-Si می‌باشد در سال 1972 بوسیله چن بوجود آمد. آنها از روش‌های ریخته‌گری- ساكشن ساده جهت ساخت میله‌های شیشه فلزی Pd-Cu-Si بقطر میلیمتری و با نرخ سردسازی پایین‌تر قابل توجه  اقدام نمودند. در سال 1982، ترنبول و كواكرز بطور موفقی Pd-Ni-P BMG شناخته شده را با استفاده از روش روانسازی اكسید بورون (بور) جهت خالص كردن ذوب و حذف هسته زایی یا جوانه‌زنی ناهمگن بكار گرفتند. تجارب روانسازی نشان داد كه ارزش T_rg آلیاژ می‌تواند به میزان 3/2 برسد آنهم بهنگامی كه هسته‌زایی ناهمگن متوقف گردیده و شمش شیشه حجیم دارای اندازه سانتی‌متری با نرخ سردسازی در منطقه 10K/s منجمد می‌گردد. با وجود آنكه تشكیل BMG مبتنی بر– Pd یك دست‌آورد قابل توجه بشمار می‌آید، واسطه هزینه بالای فلز Pd، موارد مربوطه تنها كاربرد آكادمیكی داشته و پس از گذشت چند سال خودبخود كنار گذاشته می‌شوند. با این وجود فعالیت توسعه سیستم‌های BMG جدید و تحقیقات مرتبط با آن ادامه دارد.

در دهه 1980، طیف گسترده‌ای از تكنیك‌های بی‌ریخت سازی حالت جامد، كه مبتنی بر یك مكانیزم كاملاً متفاوت از تبرید سریع نظیر آلیاژكاری مكانیكی می‌باشند نظیر انتشار   بی‌ریخت سازی القایی در چندلایه‌ها، تركیب پرتو یا اشعه یون، جذب هیدروژنی و گداز معكوس توسعه یافتند. تعداد گوناگونی از شیشه‌های فلزی در قالب لایه‌های نازك یا پودرها را می‌توان از طریق نفوذ متقابل و واكنش‌پذیری میان وجهی در دماهای كاملاً پایینتر از دماهای گذار شیشه بدست آورد.

در دهه 1980 اینو  و همكاران (Inoue) در دانشگاه توهوكوی ژاپن موفق شدند تا نسبت به یافتن سیستم‌های آلیاژی چند جزئی جدید كه عمدتاً متشكل از عناصر فلزی معمولی با نرخ‌های سردسازی بحرانی كمتر می‌باشند اقدام نمایند. با توجه به بررسی سیستماتیك GFA آلیاژهای سه گانه مواد خاكی نادر با Al و فلزات آهن‌دار، آنها GFA خارق‌العاده را در آلیاژ‌های خاكی- نادر، نظیر La-Al-Ni و La-Al-Cu  مشاهده نمودند. از طریق ریخته‌گری ذوب آلیاژ در قالب‌های Cu سردسازی– آب، آنها میله‌های شیشه‌ای كاملی را به دست آوردند كه دارای ضخامت چندین میلیمتر می‌بود. بر مبنای این تحقیق، محققین نسبت به توسعه آلیاژ‌های مشابه چهار گانه و پنج گانه (مثل La-Al-Cu-Ni و La-Al-Cu-Ni-Co   BMGs) در نرخ‌های سردسازی زیر 100K/s  و ضخامت ریخته‌گری بحرانی به میزان چندین سانتیمتر اقدام نمودند. برخی از آلیاژ‌های مشابه دیگر با استفاده از فلزات خاكی- نادر كه بصورت نسبی با فلز زمین قلیایی Mg نظیر Mg-Y-Cu,Mg-Y-Ni  و غیره جایگزین شده بود نیز توسعه یافتند، كه در میان آنها خانواده BMGs مبتنی بر-Zr چند جزئی وجود داشت (Zr-Cu-Ni-Zr-Cu-Ni-Al BMGs).

شیشه ‌های فلزی حجیم

3-1.ثبات دمایی و قابلیت شكل پذیری – شیشه‌ شیشه‌های فلزی حجیم

تشكیل BMGهای چند جزئی نشان داد كه GFA ممتاز بصورت فراگیر بوده و تنها محدود به آلیاژ‌های مبتنی بر-Pd نمی‌باشد. تحقیقات اینو درب جدیدی را بر روی طراحی خانواده‌های جدید BMGها گشود و توجهات دوباره به سمت بررسی BMG معطوف گردید. بر این اساس انواع بسیاری از BMGها توسعه یافتند كه شامل MgCuY، ، ،  وغیره می‌باشند. در حال حاضر پایینترین نرخ سردسازی بحرانی برای تشكیل BMG به اندكی 0.10K/s برای آلیاژ  می‌باشد. همچنین حداكثر ضخامت نمونه به بزرگی حدوداً 10 سانتی‌متر می‌رسد. آلیاژی كه دارای بزرگترین ناحیه سیال فوق تبرید 135K/s می‌باشد  است. طراحی خانواده آلیاژ تشكیل دهنده- شیشه  بعنوان یك پیشرفت مهم بشمار می‌آمد كه بوسیله پكر(Peker) و جانسون (Johnson) محقق گردید. تشكیل دهنده – شیشه پنج‌گانه دارای گذار شیشه‌ای متمایز، ثبات بسیار بالای حالت مایع فوق تبرید و نشان دهنده ثبات گرمایی بالا در برابر بلور شدگی می‌باشد. مطالعه ویت‌‌‌الوی 1 (Vit 1)، كه یكی از جامع‌ترین مطالعات BMG بشمار می‌آمد، دارای تركیب  می‌باشد. دیاگرام گذار زمان– دما (TTT) دارای «دماغه» منحنی هسته زایی برای كریستالها در مقیاس‌های زمانی مرتبه 10²S و نرخ‌های سردسازی بحرانی تشكیل شیشه در محدوده 1K/s می‌باشد. این آلیاژ را می‌توان در قالب –Cu بشكل میله‌های شیشه‌ای كامل با قطر‌های درمحدوده تا 5 الی 10 سانتی‌متر تولید نمود. شكل 1 نشان دهنده قطعه خام BMGهای مبتنی بر-Zr به اشكال مختلف می‌باشد كه بوسیله انستیتو فیزیك، آكادمی علوم چین تولید شده است. تشكیل BMGها در این خانواده نیازمند هیچ‌گونه روانسازی یا فرآوری‌های خاص نداشته و می‌توان با استفاده از روشهای ریخته‌گری متالورژی متعارف نسبت به ساخت شیشه حجیم اقدام نمود. GFA این مورد همراه با قابلیت فرآوری قابل مقایسه با بسیاری از شیشه‌های سیلیكات می‌باشد. این یافته امكان تولید شیشه‌های فلزی را با استفاده از روش‌های معمولی در كارخانجات ریخته‌گری بوجود می‌آورد. BMGها كه از خود ثبات گرمایی بالا و خصیصه‌های قابل توجهی را نشان می‌دهند دارای پتانسیل زیادی در زمینه مواد مهندسی پیشرفته می‌باشند. در حقیقت، BMGهای مبتنی بر –Zr تنها پس از گذشت سه سال از زمان ابداع كاربرد صنعتی یافتند.

شیشه ‌های فلزی حجیم

2- تشكیل شیشه و بلورین شدگی در آلیاژ‌های تشكیل دهنده – شیشه فلزی حجیم

1-2. فهم شكل‌ گیری شیشه از مفاهیم ترمودینامیك،‌ سینیتیك و ریز ساختار

دستاوردهای اولیه در زمینه ساخت ‌BMG بصورت ذاتی عمدتاً تجربی بوده است، اما محققین بتدریج درك خود را در خصوص انتخاب‌های صحیح مولفه‌های مربوطه ارتقا داده‌اند، مولفه‌هایی كه منجر به ایجاد آلیاژ‌های بی‌ریخت شده‌ و بر این اساس نرخ‌های سرد سازی بحرانی به اندكی1-100K/s را به نمایش می‌گذارند. این نرخ‌های سردسازی آهسته‌تر به معنای آن است كه قطعات بزرگتر شیشه‌های فلزی را می‌توان تولید نمود. برای انواع جدید آلیاژهای فرم دهنده- شیشه فلزی فاكتورهای ذاتی آلیاژها (نظیر تعداد، خلوص و اندازه اتمی اجزای تشكیل دهنده، تركیب، چسبندگی در بین فلزات و غیره) به جای فاكتورهای خارجی (نظیر نرخ خنك سازی یا تبرید و غیره) نقشهای كلیدی را در تشكیل شیشه بازی می‌نمایند. بطور كلی، GFA در BMGها تمایل به افزایش دارد آنهم بهنگامی كه اجزای بیشتر به آلیاژ اضافه می‌گردد. بطور كلی این امر بنام «اصل اغتشاش» خوانده می‌شود كه موكد این موضوع می‌باشد كه تعداد بیشتری از مولفه‌ها در یك سیستم آلیاژی باعث عدم ثبات فازهای بلورین شدگی در حال رقابت می‌شوند كه ممكن است در طی روال تبرید تشكیل شوند. این تاثیر تمایل آلیاژ به بلورین شدگی بوسیله ایجاد حالت ثبات بیشتر برای ذوب مرتبط با فازهای بلورین شدگی را بیهوده می‌سازد. اینو نسبت به خلاصه سازی نتایج تشكیل شیشه در آلیاژهای چند جزئی اقدام نموده و بر این اساس سه قاعده تجربی را پیشنهاد می‌نماید: (1) سیستم‌های چند جزئی شامل بیش از سه جزء (2) تفاوت قابل ملاحظه در اندازه‌های اتمی با اندازه نسبت‌های بالاتر از حدوداً 12% در بین سه جزء تشكیل دهنده اصلی و (3) گرماهای منفی تركیب در بین سه مولفه یاجزء اصلی. آنها ادعا نمودند كه آلیاژهایی كه این سه شرط را داشته باشند دارای پیكربندی‌های اتمی خاص در حالت مایع بوده كه بطور قابل توجهی متفاوت از موارد منطبق با فازهای بلورین شدگی می‌باشند. پیكربندی‌های اتمی در تناسب با تشكیل شیشه بر حسب موارد توسعه یا ترمودینامیك، سینیتیك و ریزساختار می‌باشند.

شیشه ‌های فلزی حجیم

1-1-2. ویژگی‌های ترمودینامیك

از ملاحظات ترمودینامیكی، تشكیل دهنده‌های شیشه حجیم بطور طبیعی یك نیروی رانشی ضعیف را برای بلورین سازی در حالت مایع فوق تبرید از خود نشان می‌دهند. این نیروی رانشی اندك منجر به نرخ‌های هسته‌زایی اندك و بنابر این GFA ارتقا یافته می‌شوند. آنالیز گرمایی اجازه تعیین تفاوت انرژی آزاد گیبس  بین حالت مایع فوق تبرید و حالت بلورین را می‌دهد. بطور كلی، این مورد مشخص شده است كه GFA زیاد مطلوب مقادیر كوچك  می‌باشند، كه می‌توان آنها را با مجتمع سازی تفاوت ظرفیت گرمایی خاص  بر حسب معادله ذیل محاسبه نمود:

شیشه ‌های فلزی حجیم

2-1-2. ویژگی‌های سینتیك

گذار شیشه از حالت ذوب به حالت شیشه‌ای را نمی‌توان بعنوان یك فاز ترمودینامیك انتقال مورد بررسی قرار داد. جز آنكه حالت عدم پیوستگی در گرمای خاص در گذار شیشه مشاهده شود. دمای گذار شیشه بر حسب سرد سازی تجربی یا نرخ گرم سازی در طی اندازه‌گیری می‌باشد. بمنظور مشخص نمودن صفات بهتر GFA مرتبط با سیستم‌های BMG، لازم است تا نسبت به مطالعه سینیتك بلورین شدگی در این آلیاژها اقدام نمود. از نقطه نظر سینیتكی،‌ پارامترهایی نظیر ویسكوزیته دارای تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر روی GFA سیستم آلیاژی دارند. تكنیك‌های متعددی به منظور برآورد ویسكوزیته از مایع متوازن تا مایع فوق تبرید عمیق نزدیك به T_g وجود دارند. از آنجاییكه آلیاژهای مایع فوق تبرید با توجه به بلوین شدگی در مقیاس‌های زمانی آزمایشگاهی نسبتاً دارای ثبات می‌باشند، ویسكوزیته را می‌توان در سیستم‌های فرم‌دهی- شیشه‌ای حجیم در دمای بسیار گسترده‌تر و مقیاس‌های زمانی بیشتری در مقایسه با قبل مورد سنجش قرار داد. شكل 9 نشان دهنده ویسكوزیته‌های BMG تحت عنوان vit4 اندازه گرفته شده با صفحه موازی روش‌های رئامتری می‌باشد. از شكل 9 می‌توان مشاهده نمود كه این داده‌ها 15 مرتبه بزرگی را تحت پوشش قرار داده و تمامی داده‌های ویسكوزیته  را می‌توان بخوبی با رابطه وگل – فلچر- تمان (Vogel–Fulcher–Tammann) (VFT) تشریح نمود:

شیشه ‌های فلزی حجیم

3-1-2. تاثیرات الكترونیكی بر روی ثبات سازه‌ای

ضریب‌های تثبیت كننده ذكر شده قبل كه مرتبط با ساختارهای اتمی و بصورت قیاسی می‌باشند، از ساختار الكترونیكی شیشه‌ای فلزی نشأت می‌گیرند. تئوری میكروسكوپی كه در زمینه ارتباط بین ساختارهای اتمی و الكترونیكی فعالیت دارد مفاهیم اساسی بیشتری را در زمینه ثبات ساختاری فاز جامد، بدون توجه به حالت بلورین شدگی یا طبیعت نا منظم آن، ارائه داده است. نیگل (Nagel) و تاك (Tauc) شیشه فلزی را بعنوان فلزی مد نظر قرار دادند كه تقریباً عاری از الكترون بوده و تاثیر شایع الكترون‌های رسانا بر روی ضرایب سازه‌ای جهت فهم ثبات شیشه فلزی در مقابل بلورین شدگی توسط آنها بكار گرفته شده است. آنها پیشنهاد نمودند كه یك شیشه فلزی بهنگامی حالت تثبیت خواهد گرفت كه تراز فرمی E_f در موقعیت حداقل در منحنی چگالی حالتها قرار داشته باشد. این امر بهنگامی رخ خواهد داد كه سطح فرمی و كرانه منطقه شبه-‌ بریلوین            (pseudo-Brillouin zone) فاز شیشه منطبق گردند. در این حالت، اعداد موج خصیصه اصلی،  و  مساوی بوده، جاییكه  قطر كره فرمی و  پیك اول ضریب ساختار استاتیك می‌باشد. بعنوان یك توالی، آنها این مورد را بحث نمودند كه تاثیر آلیاژ كاری باعث شیفت شدید با توجه به  خواهد شد. بهنگامی كه  از  جدا می‌شود، سیستم دچار ناپایداری در مقابل بلورین شدگی گردیده و بر این اساس دارای T_g پایینتری می‌باشد.

شیشه ‌های فلزی حجیم

1-3-1-2. معیار مبتنی بر – e/a برای BMGهای بر پایه – Zr

تعیین e/a موثر برای فلزات گذار

تثبیت ساختاری مقیاسی– e/a و همچنین e/a خاص برای بیشترین حد ثبات بعنوان یك معیار امید بخش و ساده در تحقیقات GFAهای بالا در سیستم‌های عرضه شده می‌باشد. این موضوع مخصوصاً برای سیستم‌های چند مولفه‌ای قابل توجه می‌باشد، چرا كه این معیار بطور خاص منوط به عناصر شامل شده نمی‌باشد. بنابر این انطباق یك سیستم آلیاژی حقیقی با قاعده  بعنوان یك اصل قابل توجه مد نظر می‌باشد.

شرایطی كه بر اساس آن سطح فرمی در تماس با سطوح ناحیه بریلوین (Brillouin) می‌باشد هم بصورت تئوریكی و هم عملی در فازهای هوم – راتری (Hume-Rothery)- حاوی- عنصر- گذار آشكار شده است. بطور كلی تعیین مقادیر e/a موثر TMها جهت تشریح ثبات فاز با استفاده از قاعده انطباقی پیشنهاد می‌شود. برای دسته بندی بعدی، میزوتانی نشان داد كه تعاملات FS-BZ خاص بصورت قدرتمند با هیبریداسیونsp-d جفت شده تا آنكه یك شبه شكاف عمیق را در اطراف تراز فرمی با استفاده از محاسبات نوار LMTO-ASA بوجود آورد. اعتبار قاعده انطباقی برای سیستمهای شامل حالت‌های d در نوار ظرفیتی بخوبی از طریق مشخص نمودن تاثیرات طویل‌المدت مرتبط با ناحیه FS-BZ با تاثیر كوتاه مدت مرتبط با هیبریداسیون sp-d تشریح شده است. برای مشخص نمودن یك مقدار e/a موثر جزء فلزی گذار، آزمایشات انكسار یا پراش را می‌توان بكار گرفت. فریدل (Friedel) خاطر نشان می‌سازد كه شدت‌های قدرتمند خانواده‌های اندكی ازپیك‌های انكساری بوسیله اشعه ایكس و پراكنش الكترون سریع مشاهده شده است كه ناشی ازتعامل بین اشعه ایكس یا الكترون سریع و پتانسیل موثر می‌باشد. BZهای شایع سپس منطبق با پیك‌های تشدید شده در یك الگوی انكسار قرار گرفتند. در پی این روش، دانگ و همكاران نسبت به مطالعه محصولات بلورین شدگی BMGهای چند جزئی مبتنی بر-Zr اقدام نمودند. برای داشتن یك مبحث كلی‌تر ما همچنین نسبت به انضمام شبه بلور مبتنی بر– (Zr، Ti) اقدام نموده و همچنین تقریب‌های آنها را نیز شامل نموده‌ایم.

شیشه ‌های فلزی حجیم

2-3-1-2. معیار ثابت e/a در سیستم Zr-Al-Ni

پدیده ثابت e/a را می‌توان در دیاگرامهای فاز بصورت بهتری تجسم نمود. در سیستم   Zr-Al-Ni،‌ سه فاز شناخته شده،  (ساختار )،  (ساختار ) و Zr خالص، در انطباق با ، كامپوزیت گزارش شده با بزرگترین GFA در سیستم Zr-Al-Ni، دقیقاً در این خط ثابت  e/a جای می‌گیرند (شكل 14).

شیشه ‌های فلزی حجیم

3-3-1-2. معیار ثابت –e/a در سیستم  .

شبه كریستال معمولاً بعنوان اولین محصول واشیشه‌ای BMGهای مبتنی بر Zr حاوی اكسیژن می‌باشد. همانگونه كه در جدول 3 مشخص شده است، مقدار e/a شبه شیشه 39/1 می‌باشد كه نزدیك به (38/1) BMG مشهور  می‌باشد. این امر موكد آن است كه مقادیر e/a تركیبات فرم‌دهی- شیشه‌ ایده‌آل در مجاورت این مقدار می‌باشند. شش آلیاژ با  از این طریق طراحی گردیده‌اند (جدول 4). شیشه‌های فلزی حجیم در كلیه این تركیبات از طریق ریخته‌گری مكشی در قالب مسی بدست آمدند. آنالیز گرمایی نواحی مایع فوق تبرید بزرگ  و مقادیر دمایی گذار شیشه كاهش یافته بالای  Trg (همانند جدول 4) را آشكار نمودند، كه قابل قیاس با آلیاژ شناخته شده  تحت شرایط مهیا سازی یكسان می‌باشد.

4-1-2. ساختار شیشه فلزی حجیم (BMG)

یكی از اصول راهنمایی كلی جهت طراحی آلیاژهایی كه تشكیل دهنده شیشه‌های فلزی حجیم می‌باشند داشتن عناصری با اندازه‌های متفاوت بزرگ می‌باشد كه نهایتاً منجر به بروز یك ساختار پیچیده شده با راحتی كمتری بلورین می‌گردند. یك اتم برلیوم، بطور مثال، كوچكتر از اتم زیركونیوم می‌باشد. BMGها دارای نوع جدیدی از ساختار شیشه‌ای می‌باشند كه دارای میزان تراكم بالا بصورت پیكربندی‌های اتمی فشرده تصادفی می‌باشند. آنها همچنین دارای پیكربندی‌های اتمی موضعی جدید بوده، كه متفاوت از موارد مشابه با فازهای بلورین می‌باشند و از همگنی محدوده زیاد با اثرات متقابل قابل توجهی برخوردار می‌باشند. اندازه‌گیری‌های دانسیته نشان می‌دهد كه تفاوت چگالی بین BMG و حالت بلورین شدگی كامل در محدوده 3/0 الی 0/1% می‌باشد، كه بسیار كوچكتر از محدوده گزارش شده قبلی در حدود 2% برای آلیاژ‌های بی‌ریخت معمولی است. چنین تفاوتهای كوچكی در مقادیر معرف آن است كه BMGها دارای پیكربندی‌های اتمی فشرده تصادفی تراكم بالاتری می‌باشند. مطالعات ساختارهای BMG معمولی تابع دانسیته كاهش یافته نشان می‌دهد كه جدا شدگی پیك ثانویه و یا پیك در بردار موج پایینتر در منحنی تابع دانسیته كاهش یافته BMG كه مشابه با نوع آلیاژهای مایع می‌باشد دیده نشده است. این نتیجه همچنین موكد این موضوع می‌باشد كه BMG چند جزئی دارای پیكربندی اتمی تركیبی همگن منطبق با درجه بالاتری از فشردگی تصادفی متراكم می‌باشد. تغییرات منحنی تابع دانسیته كاهش یافته القا شده بواسطه حالت بلورین شدگی معرف آن است كه بلورین شدگی دارای اثر قابل توجهی بر روی پیكربندی‌های شیمیایی و توپولوژیكی آلیاژ می‌باشد. چنین تغییر قابل ملاحظه موكد الزام به یكپارچه سازی اتمی طویل المدت برای بلورین سازی همراه با تفاوت در پیكربندی‌های اتمی موضعی بین فازهای بی‌ریخت و بلورین شدگی می‌باشد.  

شیشه ‌های فلزی حجیم

2-2. بلورین شدگی شیشه‌های فلزی حجیم  (BMGs)

بمنظور درك مبدأ ثبات گرمایی بالا و توانایی فرم ‌دهی- شیشه‌ عالی،‌ مشخص كردن رفتارهای بلور شدگی سیال فوق تبرید از اهمیت بسیاری برخوردار می‌باشد. BMGها همراه با یك حالت سیال فوق تبرید بسیار ثابت و ثبات گرمایی بالا در برابر بلور شدگی ارائه دهنده یك زمان قابل دسترسی تجربی و پنجره دمایی جهت بررسی هسته زایی و رشد بلورها تحت شرایط مختلف در حالت سیال فوق تبرید می‌باشند. بررسی‌های گسترده فرآیند بلورین شدگی در BMG انجام شده است و خصیصه‌های قابل توجه زیادی گزارش گردیده است. این نتایج از نقطه نظر تعدادی از ویژگی‌ها قابل توجه می‌باشند كه می‌توان از برخی از آنها نام برد: درك هسته‌زایی و رشد در سیال فوق تبرید فلزی، ارزیابی قابلیت تشكیل- شیشه گدازها و ثبات گرمایی شیشه‌های فلزی و همچنین تولید نانوكریستال حجیم و كامپوزیت‌ها به روش بلورین شدگی كنترلی.

Vitalloys و  بطور گسترده‌ای مورد مطالعه قرار گرفته است. خصیصه‌های مشترك هسته‌زایی و رشد در سیالات فوق تبرید BMG عبارتند از: تراكم بالای هسته و سینیتیك‌ دارای رشد كند. بر این اساس، تعداد رخدادهای هسته زایی از  برای نمونه‌هایی كه در دمای نزدیك ذوب آنیل شده‌اند به  برای نمونه‌هایی كه در مجاورت T_g آنیل شده‌اند افزایش یافته است.

شیشه ‌های فلزی حجیم

3-2. تاثیرات فشار بالا

با توسعه تكنیك‌های فشار بالا، فشار بعنوان یك متغیر فرآوری مهم همانند یا دما یا تركیب شیمیایی فازهای فشرده مطرح گردید. فشار بالا (HP)، كه می‌تواند تغییر زیاد فضای اتمی، پیوند شیمیایی و انرژی آزاد گیبس را موجب شود بعنوان یك ابزار قدرتمند برای تاثیرگذاری و كنترل هسته‌زایی و رشد در شیشه‌های فلزی مد نظر قرار گرفته‌ است. بطور مثال، از آنجایی كه فشار بالا می‌تواند باعث ارتقای روال یكپارچه سازی اتمی گردیده و از انتشار اتمی طویل المدت در حالت مایع فوق تبرید جلوگیری بعمل آورد، BMGها را می‌توان تحت HP به مواد نانوساختار دانه – عالی تحت فرآیند بلورین شدگی قرار داد. بر این اساس می‌توان از آلودگی و رشد دانه كه معمولاً در طی فاز تثبیت نانو ذرات روی می‌دهد در مواد نانوساختار مشتق شده از BMG جلوگیری نمود.

مطالعه گسترده رفتار بلورین شدگی تحت فشار بالا برای تحصیل بصیرت لازم در خصوص مكانیزم هسته‌زایی و فرآیندهای رشد در BMGها انجام پذیرفت. بلورین شدگی در BMGها بواسطه جدایی فاز محتمل قبل از بلورین سازی اولیه و سیاله‌های انتشار پیچیده در حالت مایع فوق  تبرید بسیار بغرنج می‌باشد. این مورد همچنین بمیزان قدرتمندی منوط به نرخ گرمایش، زمان آنیل و تعداد دیگر از فاكتورها می‌باشد. تاثیر فشار بر روی شیشه‌های فلزی نیز همچنین پیچیده تلقی می‌گردد. بر این اساس مشخص شده است كه HP می‌تواند باعث ارتقا یا جلوگیری از بلورین شدگی در شیشه‌های مختلف می‌گردد. بطورمثال، شن (Shen) و همكاران دریافتند كه فشار متناسب ممكن است باعث كاهش یا افزایش انرژی فعال سازی بلورین شدگی شود. بعبارت دیگر، تاثیر فشار بر روی دمای بلورین شدگی T_x بصورت یكنواخت نمی‌باشد. برای BMG با فرآیند بلورین شدگی چند مرحله‌ای پیچیده، تاثیر فشار بر روی T_x منوط به محدوده فشار و زمان بكار گرفته شده می‌باشد. بر این اساس نمی‌توان بسادگی تاثیر فشار بر روی T_x در محدوده فشار مختلف را مورد قیاس یا مقایسه قرار داد.

شیشه ‌های فلزی حجیم

3- خصیصه‌های رفتاری شیشه فلزی حجیم (BMG)

علاوه بر اهمیت علوم پایه، BMGها دارای خصیصه‌های عالی فیزیكی و شیمیایی می‌باشند كه برای كاربردهای مختلف امید دهنده بشمار می‌آیند. ما در اینجا نكته تمركز خود را بر روی خصیصه‌های مكانیكی، مغناطیسی و صوتی BMGها معطوف می‌سازیم. ما همچنین خصیصه‌ها و رفتارهای BMG تحت برخی از شرایط حاد را بررسی می‌كنیم.

شیشه ‌های فلزی حجیم

1-3. خصیصه‌های مكانیكی

شكل 21 ارتباط بین ضریب یانگ (E) و قدرت شكستگی- كششی  سختی بیكرز (H_v) برای BMGهای معمولی را خلاصه نموده است. بر این اساس می‌توان مشاهده نمود كه قدرت شكستگی- كششی و H_v دارای یك ارتباط تقریباً خطی با E می‌باشند، كه می‌توان آنرا به شرح ذیل بیان داشت:  و . برای vit1، . شیب 002/0 منطبق با محدوده كرنش كشسانی BMGها می‌باشد. روند مشابهی نیز همچنین برای آلیاژهای بلورین معمولی كه در این شكل نشان داده شده است مشهود می‌باشد، اما شیب‌های ناحیه خطی برای BMGها دارای شیب بیشتری در مقایسه با آلیاژهای بلورین می‌باشند، كه معرف محدوده‌های كشسانی بزرگتر BMGها در مقایسه با آلیاژهای بلورین است. هرچه حالت خطیت خطوط برای BMGها بهتر باشد این مورد وابسته به تشكیل یك راه ‌حل جامد همگن ایده‌آل در مقایسه با كل محدوده تركیبی می‌باشد كه یكی از خصیصه‌های معمولی آلیاژهای شیشه‌ای است.

شیشه ‌های فلزی حجیم

2-3. خصیصه‌های صوتی و مومینه‌ای

مطالعات خصیصه‌های صوتی، مومینه‌ای و گرمایی شیشه‌های فلزی می‌تواند اطلاعات مهمی را در خصوص ساختار و خصیصه‌های نوسانی حاصل نماید. معادله حالت (EOS) یك جامد ( نسبت حجم- فشار) نقش مهمی را در فیزیك ماده فشرده بازی می‌كند، چرا كه دانش EOS از اهمیت مركزی برای فهم كلی این رفتار و كاربرد مواد فشرده برخوردار است. EOS جامدهای بلورین یكی از مقوله‌های دیرپا بشمار آمده كه بصورت گسترده‌ای تحت بررسی ومطالعه قرار گرفته است. بر این اساس پدیده‌های قابل توجه و بسیاری مشاهده گردیده است. با این وجود، برای سالیان بسیاری، نرخ سرد سازی بسیار بالا  كه برای تحصیل شیشه‌های فلزی لازم است هندسه مربوطه به نوارها یا مفتولهای بسیار نازكی محدود نموده و باعث شده است تا طبیعت ذاتی مطالعه شیشه و گذار آن همراه با برآوردهای بسیاری از خصیصه‌های فیزیكی برای مشخص سازی EOS بسیار سخت گردد. داده‌های تجربی در خصوص خصیصه‌های صوتی و مومسانی در شیشه‌های فلزی نادر می‌باشند و خصیصه‌های نوسانی در شیشه‌های فلزی بخوبی درك نشده‌ است. حتی EOS جهت شیشه‌های فلزی را به سختی بیشتری می‌توان به دست آورد، چرا كه برآوردها عمدتاً بواسطه كمبود نمونه‌های حجیم متوقف گردیدند.

شیشه ‌های فلزی حجیم

3-3. خصیصه‌های مغناطیسی

BMGهای بدست آمده در سیستم‌های چند جزئی مبتنی بر- توجه زیادی را بواسطه پسماندزدایی بالا و غیبت گذار شیشه قبل از بلورین شدگی در برآوردهای DSC همزمان بخود معطوف داشته است. دلیل پسماندزدایی بالا بواسطه حضور یك ساختار نامرتب ساكن شده تصور شده است كه می‌توان آن را بعنوان مجموع یا اثر كلی كلاسترهای  و  با ناهمسانگردی مغناطیسی تصادفی بزرگ بشمار آورد. بنظر می‌رسد كه این نوع از ساختار تثبیت شده یا ساكن را نمی‌توان از طریق آنیلینگ ریبون‌های اسپین- ذوب بدست آورد، چرا كه پسماندزدایی بالا در ریبون‌های آنیل شده مشاهده نگردید. تاثیر رفتار عناصر خاكی نادر (RE)  Sm، Dy و Gd جایگزینN d و Pr بر خصیصه‌های مغناطیسی BMG  نیز همچنین مورد مطالعه قرار گرفت. با این وجود، شیشه‌های فلزی غنی–RE مبتنی بر، كه در آن كلاسترهای  ممكن است وجود داشته باشد، صرفنظر از نرخ تبرید بكار گرفته شده برای انجماد، خصیصه‌های مغناطیسی سختی را در دمای اتاق نشان نمی‌دهند. علاوه بر این، سیستم – غنی ،  خصیصه‌های پارامغناطیسی را در دمای اتاق نشان می‌دهد، با این حال حضور كلاسترهای  نیز ممكن نمی‌باشد. برای آلیاژ مبتنی بر– Nd ، این گونه گزارش شده است كه میله شیشه‌ای حجیم با 12 میلی‌متر قطر را می‌توان از طریق ریخته‌گری مكش در یك قالب مسی به دست آورد. با این وجود، BMG مبتنی بر- Nd را می‌توان بصورت حقیقی بعنوان نوع مواد بیریخت كلاستر شده بحساب آورد. برخی از شواهد مستقیم بدین صورت می‌باشند كه BMGها دارای هیچ‌گونه روال گذار شیشه مشهود در نشانه  DSC نمی‌باشند، چراكه BMGهای دیگر از خود خصیصه‌های مغناطیسی سختی را نشان نمی‌دهند، آنهم بهنگامی كه ریبون‌های اسپین- ذوب با تركیب مشابه بصورت مغناطیسی نرم خواهند بود. مكانیزم‌های مسئول برای خصیصه‌های مغناطیسی سخت BMGهای مبتنی بر-  و ارتباط بین ریز ساختار و خصیصه‌های مغناطیسی هنوز نیز مشهود نمی‌باشند.

شیشه ‌های فلزی حجیم

4-3. خصیصه‌های دیگر و رفتارهای شیشه فلزی حجیم (BMG) تحت شرایط حاد

بررسی‌های خصیصه‌های فیزیكی دیگر BMGها در مقایسه با خصیصه‌های ذكر شده فوق الذكر چندان حاد و گسترده بنظر نمی‌رسند. در بین این موارد، مقاومت بالا در برابر خوردگی یكی دیگر از خصیصه‌های عالی BMGها می‌باشد. این موضوع مشخص گردیده است كه حتی تحت شرایط خوردگی بسیار شدید، BMGها بصورت غیر فعال عمل می‌نماید. BMGهای حاوی – P دارای بالاترین میزان مقاومت در برابر خوردگی می‌باشند و مقاومت خوردگی BMGهای مبتنی بر Fe  بمیزان كفایت و مطلوب است و بر این اساس می‌توان آن را بعنوان مواد عملی مقاوم در برابر خوردگی بكار گرفت.

خصیصه‌های BMGها تحت شرایط حاد نظیر دمای اندك،‌ فشار بالا، ریزگرانش و غیره دارای اهمیت ویژه‌ای می‌باشند. با این وجود، تاكنون، كارهای اندكی در این زمینه انجام شده است. نتایج برآوردهای دمای گذار فوق رسانایی برایBMGهای vi1 و vit4 و پس از آنیلینگ گزارش شده است. دمای بحرانی فوق رساناییT c به میزان K 84/1 برای vit4 و K 76/3 برای نمونه آنیل شده در میدان مغناطیسی صفر به ترتیب می‌باشد. گرادیان دمایی  فیلد بحرانی بالای  نزدیك دمای بحرانی T_c برای vit4 در حدود  می‌باشد. آنیلینگ BMG منجر به كاهش  می‌گردد. مبدأ كاهش دمای بحرانی T_c در vit4 را می‌توان به آغشتن حالت‌های دانسیته بوسیله ساختار اتمی نامنظم نسبت داد.

شیشه ‌های فلزی حجیم

5-3. فرم دهی و اتصال شیشه فلزی حجیم (BMG)

در مقایسه با گزارشات متعدد درخصوص كامپوزیت‌های آلیاژ و خصیصه‌های آنها، نتایج منتشر شده نسبتاً اندكی در زمینه فرآیند صنعتی BMGها وجود دارد. در اغلب محصولات BMG تجاری موجود، ریخته‌گری تحت فشار خلاء جهت تولید اشكال مطلوب اجزا بكار گرفته شده است. به جز ریخته‌گری فشاری مواد بلورین متعارف جاییكه جریان فلز مذاب را می‌توان از طریق گرم كردن قالب ارتقا داد، ریخته‌گری تحت فشار BMG معمولاً نیازمند خنك سازی سریعتر برای ابقای ساختار بی‌ریخت آن می‌باشد. بنابر این، ریخته‌گری اشكال بسیار نازك و پیچیده همراه با قطعات كاری بسیار بزرگ مشكل می‌باشد. با این وجود، فرآیند ریخته‌گری برای برخی از كاربردها همانند ریخته‌گری ادوات الكترونیكی شخصی بكار گرفته می‌شود.

علاوه بر ریخته‌گری، فرم‌دهی قطعات BMG از طریق جریان ویسكوزیته در حالت سیال فوق تبرید نیز همچنین یكی از فرآیندهای آشكار و محرز بشمار می‌آید. رفتار جریان چسبناك BMG مبتنی بر Zr بصورت نسبتاً گسترده‌ای مورد بررسی قرار گرفت. طویل سازی حداكثر نمونه‌های BMG مبتنی بر Zr تحت شرایط مناسب می‌تواند بیش از 300% در یك نرخ كرنش  در  محقق شود و بر این اساس یك مقدار 10⁶ % برای نمونه‌های استوانه‌ای دارای قطر 5 میلی‌متر گزارش شده است. باتوجه به چنین شكل‌ پذیری بالایی، نه تنها می‌توان نسبت به ساخت اجزای ماشینی كوچك با BMGها اقدام نمود، بلكه اجزای میكروماشین را می‌توان از طریق میكروفرم دهی تولیدنمود. آلیاژها در حالت سیال فوق تبرید رفتاری همانند سیال نیوتن را خواهند داشت و قابلیت پر نمودن حفره‌ها یا جریان یابی از طریق قالب‌های اكستروژن با اندازه‌ها در مرتبه 100  را خواهند داشت.

شیشه ‌های فلزی حجیم

4- كاربردهای بالقوه

با خصیصه‌های منحصر به فرد و غیر متعارف مربوطه، مواد BMG برای كاربرد در رشته‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌ است. یكی از بزرگترین مزیت‌های BMGها آسانی تشكیل شكل‌های پیچیده می‌باشد. تاكنون، BMGها قبلاً بعنوان مواد قالب ، ادوات ورزشی و مواد الكترود  مورد استفاده قرار می‌گرفتند. توسعه BMGهای مبتنی بر Fe به مرحله نهایی خود برای كاربرد بعنوان مواد مغناطیسی نرم جهت مصرف در مواردی نظیر كویل‌های انسداد حالت معمول دست یافته‌اند. موفقیت در این ناحیه منجر به اهمیت یافتن فزاینده BMGها در زمینه مهندسی گردیده است. جدول 8 نسبت به خلاصه نمودن پتانسیل‌های كاربرد حال و آتی BMGها اقدام نموده است.

اولین مرحله خانواده مواد جدید در بازار كاربرد این مواد برای ساخت ادوات پوششی گلف می‌باشد. علاوه بر سزاواریهایی مانند داشتن دانسیته پایین و نسبت قدرت به وزن بالا، خصیصه‌های دیگر نظیر ضریب كشسانی پایین و واكنش نوسانی پایین حالت نرم‌تر و در عین حال مستحكم‌تری را برای كنترل ضربات به توپ از سوی بازیكن گلف ایجاد نموده است. اتلاف پسماند قابل اغماض BMG بمعنای آن است كه انرژی كمتری بوسیله ناحیه نوك دسته گلف در زمان ضربه زدن لازم می‌باشد، بنابراین انرژی بیشتری به توپ منتقل می‌گردد. بر حسب ادبیات سازندگان وسایل بازی گلف، سرهای فولادی حدود 60% از انرژی ورودی را به توپ انتقال می‌دهند. این میزان برای سرهای تیتانیوم 70% می‌باشد، در حالیكه شیشه فلزی 99% انتقال می‌دهد. باتوجه به این خصیصه‌های مطلوب، BMGها همچنین در ناحیه انتهایی كالاهای ورزشی نظیر راكت تنیس بكار گرفته می‌شوند و همچنین ممكن است برای تورهای بیسبال، قالب‌های دوچرخه، كمان‌ شكار و حتی ادوات لبه‌دار نظیر محورها نیز كاربرد یابند. یك برنامه كاربردی توسعه یافته جدید از خصیصه‌های انتقال انرژی در ادوات كروی BMG بصورت كارآ و موثر برای ساخت ادوات ساچمه زنی استفاده نموده است. از طرف دیگر، احتمال مدلسازی این مواد به اجزایی كه دارای بخش‌های نازك می‌باشند به BMG اجازه می‌دهد تا دربرابر آلیاژهای منیزیم در بازار ادوات الكترونیكی قد علم كرده و آنها را به چالش بكشد. باتوجه به خط مشی مینیاتور سازی ادوات الكتریكی شخصی نظیر پخش‌ كننده‌های MP3 و ادوات كمكی دیجیتال شخصی (PDA)، نیاز مبرمی جهت داشتن قالب‌های نازكتر همراه با ابقای قدرت مكانیكی كافی احساس می‌گردد. BMGها نشان دهنده مزیت‌های آشكاری در مقابل مواد پلیمری و آلیاژهای سبك متعارف می‌باشند. تلفن‌های همراه و دوربین‌های دیجیتال با بهره‌گیری از قالب‌های BMG قبلا توسعه یافته‌اند.

شیشه ‌های فلزی حجیم