دانلود تحقیق فلزات آمورف

-1 مقدمه
طبق آزمایشات مستقل از دما و فشار متغیر، از نظر ترمودینامیکی، مواد سه حالت اصلی : مایع، جامد، گاز دارند.

تعیین کننده هر یک از این حالات درجه آزادی بین اتمها و قید و بند آنها به یکدیگر است و یک مرحله تحول بین هر حالت وجود دارد.

تعریف شیشه : یک مایع شیشه ای یا جامد بدون کریستال است که مشخصه های ویسکوزیته و ساختار آن نشان دهنده هم جامد و هم مایع است.

به عبارت دیگر شیشه یک جامد در دمای اتاق است زیرا ویسکوزیته آن بیش از حد توازن یعنی 6/14 10 است و از طرف دیگر هنوز یک مایع است زیرا ساختار اتمها و مولکولهای آن یک ساختار بی نظم و شبیه مایع است .

جامد از فاز کریستالی به وجود آمده است و یک کریستال از یک نظم دوره‌ای بین اتمها پیروی می کند اما مایع دارای چنین نظمی نیست و یک نظم تصادفی بین اتمها بدون تناوب و دوره خاصی را دارد.

بنابراین می گوییم، شیشه جامد و آمورفی است که اتمهای ساختار آن مانند مایع است.

مهمترین مشخصه یک شیشه علاوه بر ساختار آن، پدیده تحول و به وجود آمدن آن است.

تحول و به وجود آمدن شیشه در یک Tg ایجاد می‌شود،‌مذاب تا زیر دمای انجماد سرد می‌شود و تا زمانیکه دما کاهش می یابد ویسکوزیته نیز به صورت پیوسته زیاد می‌شود (شکل 1-1).

شکل 1-1 : دیاگرام ارتباط بین تغییرات حجم با دما از حالت مذاب تا لحظه گذر از دمای شیشه ای شدن،Tg






شکل 1-2 : دیاگرام ظرفیت گرمایی Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5
نقاط ناپیوسته Cp فلزات شیشه ای است که از دما Tg تابعیت می کنند .

در (شکل 1-1) مشاهده می شود که تغییر حجم نیز تابعی از دما است .

در کریستاله شدن، در طول سرد کردن ، ناگهان با یک افت شدید حجم رو به رو می شویم اما در تحول آمورف شدن تغییر ناگهانی حجم نداریم و تغییر حجم به صورت پیوسته صورت می‌گیرد که این روند در متغیرهای ترمودینامیکی مانند آنتروپی و آنتالپی نیز وجود دارد.

اگر چه متغیرهای ترمودینامیکی در ابتدا با دما به صورت پیوسته رابطه دارند اما در Tg با یک افزایش شیب و تغییر ناگهانی روبرو هستند.

تغییر ناگهانی ظرفیت گرمایی و انبساط گرمایی در (شکل1-2) نشان داده شده است.

تحول شیشه ای شدن در یک بازه دمایی مشخص انجام می گیرد و بیان می‌کند که در Tg، یک شیب تند و تغییر ناگهانی (Cp پرش می کند) در منحنی گرمایی DSC انجام می دهد.

سرعت کوئیچ لازم برای ساختن جامد آمورف از یک فلز خالص حدوداً K/S 1015 است که رسیدن به این سرعت سرد کردن در محیط آزمایشگاه غیر ممکن است.

که برای کم کردن این سرعت فلزات خالص را به صورت آلیاژی کرده و مورد استفاده قرارمی دهند.

در ابتدا لنز شیشه ای توسط Klemer و Willens و Duwez در دانشگاه Caltech در سال 1960 با تکنیک کوئیچ تفنگی که سرعت سرد کردنی معادلK/S 107 تولید می کرد، ساخته شد.

اما هنوز این سرعت سرد کردن برای تشکیل فلزهای های شیشه ای توده ، خیلی زیاد بود.

در سال 1980-1990 دو تحقیق گروهی در دانشگاه Tohoku و Caltech انجام شد Inoue نمونه های گوناگونی از آلیاژها را مورد بررسی قرار داد که با سرعت بحرانی بین به آمورف تبدیل می شدند.

johnson, pecker در دانشگاه Caltech (Zr41.2Ti13Cu12.5Ni10Be22.5) را ساخته که بوده و قطعه ای به قطر Cm 5 را با روش ریخته گری معمولی ساختند.

Lin و john Son یک BMG پایه مس جدیدی کشف کردند (Cu77Ti34Zr11Ni8 Vitreloy 101 ) و پایه Zr Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6 Al10; vitreloy 106 ) و vitreloy 105 Zr52.5Ti5Cu17.7Ni14.6 Al10 ) با یک CCR 10 K/S بود.

از زمان کشف viterloy 1 تا حالا، بهترین شکل آلیاژی BMG ، Vitreloy 106 می باشد که از بهترین شکل آلیاژهای بدون (Non.

Be.BMG) Be است.

شکل BMG بستری مناسب جهت جستجوی خواص مکانیکی گوناگون، رفتار ترکیبات گوناگون، جریان Criteria ، شکست و خستگی و همچنین در ترمودینامیک سرعت ایجاد کرده است.

ساختار مواد و حد الاستیک بالای BMG و همچنین استحکام کششی زیاد (2Gpa) و تافنس خوب ( 20-55 Mpa.m1/2) را ارائه کرده است.

(شکل 4-1) کشش را بین مواد مختلف و BMG نشان می دهد.

(شکل 3-1) : منحنی تنش کرنش فلز شیشه ای Vit106 و تعدادی فلز خالص .

همه نمونه ها ذوب شده و انجماد پیدا کرده اند .

همه فلزات خالص کرنش شکست پایین و داکتیلیتی بالا و در مقابل فلزات شیشه ای کرنش شکست بالا و پلاستیسیته کم از خود نشان می دهند

2-1 فلزات آمورف
یک فلز آمورف ماده فلزی است که ساختار اتمی نامنظم دارد.

برخلاف اغلب فلزات که کریستالی هستند و اتم ها چیدمان منظمی دارند، آلیاژهای آمورف غیرکریستالی هستند.

ماده ای که در آن چنین ساختار نامنظمی مستقیماً از حالت مایع، و با سرد کردن آن به دست می آید.

“شیشه” نامیده می شود و از این رو به فلزات آمورف معمولاً “فلزات شیشه ای” گفته می شود.

اما راه های دیگری برای تولید فلزات آمورف وجود دارد.

این راه ها شامل موارد زیر است:
الف) رسوب بخار فیزیکی
ب) واکنش های حالت جامد
ج) پرتو افکنی یونی
د) آلیاژسازی مکانیکی
البته به فلزات آمورفی که از این روش ها تولید می شود شیشه گفته نمی شود، هر چند مهندسین مواد، فلزات آمورف را صرف نظر از نحوه تولیدشان، به عنوان یک دسته از مواد (مواد آمورف)، در نظر می گیرند.

فلزات شیشه ای بالک یاBMG ها، فلزات آمورفی هستند که دارای یک نرخ سرد کردن بحرانی هستند که چنانچه با آن نرخ سرد کردن، یا سرعت های سرد کردن بیشتر از آن، از حالت مذاب سرد شوند.

شکل (1-4): تصویریک آلیاژ آمورف (Ni55Pd5Nb20Ti15Zr5) را در زیرTEM، درحالت سریع کوئنچ شده

می توانند به صورت آمورف درآیند، ضخامت های قابل دست یافتن در این دسته از مواد به صورت آمورف می تواند تا چند سانتی متر هم باشد شکل (1-4) تصویر یک آلیاژ آمورف (Ni55Pd5Nb20Ti15Zr5) را در زیرTEM نشان می دهد[2].

برای تولید فلزات شیشه ای از مذاب، سرعت سرد شدن باید به اندازه کافی زیاد باشد تا از جوانه زنی و رشد فازهای کریستالی در منطقه مایع تحت تبرید بین دمای ذوب شدن Tm و دمای انتقال شیشهTg جلوگیری شود.

جدیداً “اشنایدر” و “تورن بول” با به کار بردن تئوری ساده جوانه زنی نشان دادند که “دمای گذار شیشه کاهش یافته” Trg=Tg/Tm پارامتر کلیدی در مشخص کردن این مسئله است که یک فلز در حین سرد شدن می تواند شیشه ای شود یا خیر و نتیجه گرفتند که برای تولید فلزات شیشه ای به صورت بالک،Trg باید تقریباً مقدار بالایی باشد.

به منظور توسعه برخی از بهترین آلیاژهای شیشه ای“جانسون” ترکیبات مناسبی (Cu,Ni) را برای پایین آوردن دمای یوتکتیک در سیستم هایZr-Ti-Be افزود تا شیشه Cu-Ni-Be-Zr-Ti را به دست آورد.

این آلیاژها قابلیت شیشه ای شدن استثنایی و سرعت سرد شدن بحرانی بسیار پایین برای شیشه‌ای شدن دارند.

مثلاً در مورد آلیاژ Vitreloy، سرعت سرد شدن بحرانی1k/s است که این آلیاژ را برای کاربردهای مهندسی ویژه نموده است.

با همان هدف و برای بهینه کردن پایداری مایع تحت تبرید فلزی و آلیاژهای آمورف بالک،“اینو” پیشنهاد داد که سه شرط عملی زیر برای تشکیل فلزات شیشه ای بالک لازم است: 1) سیستم چند جزئی متشکل از بیش از 3 عنصر 2) اختلاف قابل توجه در نسبت اندازه اتمی حدوداً بالاتر از 12% در سه عنصر اصلی تشکیل دهنده.

3) گرمای اختلاط منفی بین عناصر اصلی تشکیل دهنده.

با انتخاب سیستم های چند جزئی مذکور، امکان تولید رشته های آمورف، توسط ریسندگی مذاب (وقتی نرخ سرد شدن بالایی مورد نیاز است) و آلیاژهای آمورف بالک به وسیله تکنیک های انجماد مثل ریخته گری قالب مسی، ریخته گری دایکاست فشار بالا، ذوب تک جهته یا کوئنچ با آب وجود دارد.

فلزات آمورف پایداری حرارتی بالا و خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی بسیار خوبی دارند که اعتقاد بر این است که پتانسیل بالایی برای کاربرد در مواد مهندسی پیشرفته دارند.

در حال حاضر BGM های پایه Zr کاربرد صنعتی پیدا کرده است و کمپانی های زیادی در آمریکا، ژاپن و چین (مانند کمپانیLiquid Metal Technologies در آمریکا) تلاش های زیادی را برای توسعه کاربرد این مواد در صنعت و صنایع نظامی آغاز کرده اند.

در حال حاضر فعالیت های بسیار زیادی در زمینه توسعه و مطالعه بر روی BGM های جدید توسط کشورهای صنعتی و صنایعشان در آمریکای شمالی، آسیا و اروپا در حال انجام است.

1-2-1 خواص آلیاژهای آمورف - مقاومت به خوردگی با انتخاب صحیح عناصر آلیاژی در آلیاژهای آمورف پایه Fe می توان مقاومت به خوردگی های بسیار بالا دست پیدا کرد.

به عنوان مثال کاهش جرم ناشی از خوردگی یک میله آلیاژی آمورف پایه آهنFe-Cr-Mo-C-B با قطر3mm در محلول6N HCL در درجه حرارت 289 درجه کلوین حدود104 برابر کوچکتر از فولادهای ضد زنگ 304 و فولادهای کرم دار است مقاومت به خوردگی بالا (مشابه حالت قبل) برای دیگر سیستم های آلیاژی آمورف (BGM) مانند Co-Ta-B,Fe-Nb-B نیز گزارش شده است.

- خواص مغناطیسی همه آلیاژهای آمورف(BGM) پایه Fe-b-Si-(Nb,Zr) ، Fe-Ga-(P,C,B), Fe- (Zr,Hf,Nb) خواص مغناطیسی نرم بسیار عالی در درجه حرارت اتاق از خود نشان می دهند شکل ( 1-5) ارتباط بین Coercive force (Hc),saturation magnetostrication را برای آلیاژهای آمورف (BMG) پایه آهن و کبالت را نسبت به آلیاژهای آمورف معمول و آلیاژهای نانوکریستال نشان می‌دهد.

آلیاژهای آمورف (BMG) پایه آهن بسیار بزرگتری (در حدود5-10*3)وHc کوچکتری نسبت به دیگر مواد دارند.

شکل 1-5 : ارتباط بین و Hc - قابلیت جوش پذیری با استفاده از پدیده پایدار کردن مایع فوق تبرید شده (SL) ورقه های آلیاژ آمورفAl-Ni-Cu-Zr با ضخامت2.5mm می تواند بدون شکل گیری هیچ گونه فاز کریستالی به کمک جوشکاری الکترون بیم electronbeam welding (EB) به یکدیگر متصل می‌شود.

تحت شرایط مناسب جوشکاری می توان یک ساختار کاملاً آمورف بدون شکل گیری هیچگونه فاز کریستالی در زمینه فلزی، منطقه دوباره ذوب شده و منطقه تحت تأثیر حرارت قرار گرفته را داشته باشیم همچنین استحکام کششی شکست نمونه های جوشکاری شده حدود1400Mpa گزارش شده است که در حدود90%-85 استحکام ورق جوشکاری شده می باشد.

- مقاومت به سایش در حال حاضر موتورهای دنده ای بسیار کوچک (Micro-gear motor) با قطر 1.5mm به کمک آلیاژ آمورف پایهNi ساخته شده است موتورهای دنده ای با قطر 1.5mm به کمک هیچ تکنیک ماشین کاری مکانیکی نمی تواند ساخته شود موتورهای دنده ای با قطر2.4mm به سختی به وسیله ماشین کاری مکانیکی فولادی SK-4 ساخته شده که دوام دنده های آلیاژ آمورف پایه Ni،313 برابر دنده های فولادی (SK-4) می باشد که طبق شکل ( 1-12)‌ چرخ دنده‌ای از جنس آلیاژ پایه Ni حتی بعد از 1875 میلیون دور شکل ظاهری خود را حفظ کرده است در حالی که چرخ دنده فولادی SK-4 به مقدار زیادی ساییده شده است.

شکل 1-6 : مقایسه جنس چرخ دنده ها در خصوص مقاومت به سایش 2-2-1 عمده نقطه ضعف مکانیکی مواد آمورف مکانیزم کار سختی در فلزات آمورف که تحت تنش به طور الاستیکی به تنش تسلیم می رسند دیده نمی شود و پس از تسلیم کرنش در یک تنش ثابت ادامه پیدا می‌کند.

در تنش بالا و دمای اتاق کرنش غیر یکنواخت است و داخل باندهای نازک برشی متمرکز می‌شود که سبب ایجاد جریان پلاستیک دندانه دندانه می شود شکل (2-6).

عمده نقطه ضعف مکانیکی فلزات آمورف داکتیلیته آنها است که محدود است فلزات آمورف یکپارچه فقط در حدود 1% کرنش پلاستیک در فشار تحمل می کنند که کمتر از فولادهای مخصوص و آلیاژهای Ti است در کشش به طور کلی فلزات آمورف بعد از گسترش یک باند برشی می شکنند و هیچ گونه تغییر شکل پلاستیک از خود نشان نمی دهند.

اما تحت شرایط بارگذاری خاص مثل پروسه نورد می توان با ایجاد چندین باند برش، کرنش بیشتری ایجاد کرد و از شکسته شدن نمونه جلوگیری نمود[6].

3-1 مکانیزم های تغییر شکل در فلزات آمورف اگرچه رفتار مکانیکی ماکروسکوپی فلزات آمورف به طور گسترده و وسیع مطالعه شدند ولی ماهیت واقعی مکانیزم تغییر شکل در مواد آمورف آشکار نیست که در این خصوص دو نظریه بیان شده است[7].

1- تشکیل حجم آزاد تغییر شکل در فلزات آمورف به تغییر موضعی ویسکوزیته در باندهای برشی در صفحاتی که ماکزیمم نیروی برشی به آنها وارد می شود وابسته است که در طول تغییر شکل به دلیل تشکل حجم آزاد که باعث کاهش دانسیته فلزات آمورف می شود ویسکوزیته در داخل باندهای برشی کم شده و در نتیجه مقاومت به تغییر شکل کاهش می یابد.

2- افزایش دمای موضعی افزایش دمای موضعی و رسیدن دمای موضعی به بالای دمای شیشه ای شدن یا حتی دمای ذوب باعث کاهش ویسکوزیته در این نواحی به مقدار بسیار زیادی می شود.

در هر دو مورد، تغییر در ویسکوزیته، تغییر شکل را متمرکز کرده و باعث ایجاد جریان غیریکنواخت می شود.

1-3-1 تشکیل حجم آزاد هنگامی که مذاب منجمد شده و به شکل شیشه درآمده ، به دمای تغییر از یک حالت به حالت دیگری می رسد حجم محاصره شده اطراف هر اتم کاهش می یابد.

حجم آزاد به حجم اضافی اطراف یک اتم نسبت به حجم اطراف یک اتم در یک کریستال کامل اطلاق می شود.

حجم آزاد اولیه در شیشه در دمای شیشه ای شدن و زمانی که مذاب انجماد پیدا کرده و موقعیت پیکربندی اتم ها ثابت می شود بیان می گردد.

برطبق نظریهTurnbull, Spaepen موقعیت شروع برش احتمالاً در مکان هایی است که انبساط ناشی از عیوب ساختاری یا توزیع آماری حجم آزاد باعث کاهش ویسکوزیته و در نتیجه تمرکز کرنش می شود و در ادامه کرنش ، حجم آزاد ایجاد می شود و با افزایش حجم آزاد ویسکوزیته کاهش می یابدSpaepen پروسه تغییر شکل در فلزات آمورف را رقابت بین عوامل ایجاد کننده تنش و نفوذ از بین برنده حجم آزاد توصیف کرد.

کرنش به وسیله مجموعه پرش های اتمی ایجاد می‌شود که اتم ها به وسیله پرش به داخل فضای مجاور با حجم مخصوصV حرکت می کند.

موقعیت اتم ها قبل از پرش به توانایی انرژی آنها بستگی دارد برای اتفاق افتادن پرش اتم ها انرژی فعال سازی باید فراهم شود در غیاب نیروهای خارجی تعداد پرش به جلو و عقب که ناشی از نوسان گرمایی است هم اندازه و مساوی می باشد.

هنگامی که تنش برشی به نمونه وارد می شود سد انرژی در جهت اعمال تنش کاهش می یابد و در نتیجه عدد پرش به جلو از عدد پرش به عقب بیشتر می شود که این امر باعث کرنش در مقیاس میکروسکوپی می گردد.

زمانی که یک اتم با حجم مخصوصV* در یک مکان خالی مجاور با حجم مخصوص کوچکتر V با اعمال نیروی خارجی جا می گیرد حجم آزاد به وجود می آید.

در تنش پایین و دمای بالا پرش نفوذی اتم ها برای کاهش تغییر ساختار ناشی از حجم آزاد ایجاد شده در اثر اعمال تنش برشی کافی است و در نتیجه می تواند تغییر شکل یکنواخت اتفاق بیافتد، ولی در تنش بالا و دمای پایین نفوذ نمی تواند حجم آزاد ایجاد شده ناشی از تنش را جبران کند پس حجم آزاد در باندهای برشی انباشته می‌شود و کرنش غیریکنواخت رخ می دهد.

Spaepen این فرایند را به صورت شماتیک در شکل (1-7) نشان داده است همچنین معادله عمومی Spaepen، قسمت ویسکوزیته نرخ کرنش را که ناشی از پروسه جریان حجم آزاد می باشد را توضیح می دهد[7].

شکل 1-7 : نشان دهنده پروسه حجم آزاد به وسیله معادله Spaepen قسمت ویسکوز نرخ کرنش به وسیله معادله (1) زیر بیان می شود.

معادله (1) = بسامد نوسان اتمی = فاکتور هندسی است Vf= حجم آزاد متوسط هر اتم k= ثابت بولتزمن T = دمای مطلق همچنین ویسکوزیته به وسیله معادله (2) بیان می شود.

معادله (2) با تغییر می تواند تغییر قابل توجهی به بدهد.

معادله از دو قسمت تشکیل شده است.

دومین قسمت از معادله، نرخ اصلی افزایش حجم را توصیف می کند که اختلاف بین مقدار حجم آزاد به وجود آمده و از بین رفته می باشد.

اولین قسمت از معادله ، نرخ کرنش کلی که محتوی مجموع نرخ کرنش الاستیک و نرخ کرنش ویسکوز است را تعریف می کند.

هنگامی که این معادله به طور جبری جمع شود نتیجه آن یک دیاگرام (1-8) است که تنش برشی نرمال را در برابر کرنش برشی نشان می دهد[7].

شکل1-8 : نمودار تنش برشی نرمال در برابر کرنش برشی شکل (1-8) نشان می دهد که رفتار الاستیک تنش- کرنش تا اینکه به ماکزیمم تنش برسد خطی است سپس افت شدیدی پیدا می کند.

بعد از افت، در موقعیتی که حجم آزاد و ویسکوزیته ثابت می شوند تنش به یک حالت یکنواخت می رسد.

تغییرات حجم آزاد نرمال شده ( متناظر با این اعمال کرنش)‌ با تغییر کرنش برشی نیز در شکل (1-8) نشان داده شده است.

Steif و همکارانش فرمولاسیون بالا را با در نظر گرفتن وابستگی بیشتر حجم آزاد نسبت به محیط اطرافش برای باندهای برشی به کار بردند.

یکی از نتایج حل معادله موجود برای باند و زمینه، دیاگرام کرنش برشی در یک باند، به عنوان تابعی از کرنش برشی نهایی است که در شکل (1-9) نشان داده شده است.

شکل 1-9 : نمودار کرنش برشی در یک باند نسبت به کرنش برشی نهایی کرنش در یک باند مساوی با کسری از کرنش نهایی است تا اینکه کرنش در یک باند در یک نقطه متمرکز می شود و همه کرنش های بعدی در آن باند اتفاق می افتد.

تنشی که در آن تنش، کرنش در یک باند برشی متمرکز می شود با تنشی که در آن افت ناگهانی تنش در تغییر شکل یکنواخت تحت نرخ کرنش ثابت رخ می دهد منطبق است.

با این تفاسیر نشان دادند که تئوری حجم آزاد توصیفی مؤثر برای تغییر شکل فلزات آمورف است.

همچنین باید دانست باندهای برشی آن قدر به سرعت شکل می گیرند که هرگز در تنش بالا و دمای پایین نمی تواند کرنش یکنواخت اتفاق بیافتد.

آرگون همچنین اثبات کرد که متمرکز شدن جریان در باند فلزات آمورف در یک نرخ کرنش مشخص که باعث افت ناگهانی تنش می شود ناشی از به وجود آمدن حجم آزاد است.

او نشان داد که مواد آمورف در تنش بالا و دمای پایین مستعد به افت تنش ناشی از تمرکز تنش در نتیجه عیب سطحی یا توزیع آماری حجم آزاد می باشد.

با ادامه تمرکز تنش، نرخ کرنش در باندها افزایش پیدا کرده و در زمینه کاهش پیدا می کند تا اینکه توزیع متعادل و جدید جریان به دست آید.

ایجاد حجم آزاد، تنش آستانه ای را که در آن جریان اتفاق می افتد را پایین می آورد.

بنابراین تنش برشی از حالت متمرکز خارج شده و در باند و زمینه توزیع می شود به مقدار کمتری که توزیع یکنواخت جریان انجام می شود افت می کند.

آرگون گفت که این تنش 1 الی2 درصد بالاتر از تنش تسلیم است.

همچنین نشان داد که تشکیل و تمرکز تنش در باندهای برشی در مقیاس زمانی کمتر از یک هزارم ثانیه اتفاق می افتد[7].

2-3-1 افزایش دمای موضعی در دمای محیط جریان پلاستیک شیشه های فلزی، در باندهای برشی متمرکز می شود.

این تمرکز و ویژگی های مایع مانند که روی سطوح شکست مشاهده شده ، متناظر با نرم شوندگی در باندها است، این نرم شوندگی، نتیجه افزایش دمای موضعی است و برآوردهایی از افزایش دمای موضعی متغیر از1/0 کلوین تا چند هزار درجه کلوین را مطرح می سازد.

با اندازه گیری دما در باندهای برشی بر اساس روش های جدید آزمایشگاهی، دما در باندهای برشی می تواند در طول چند نانو ثانیه به بالای چند هزار درجه کلوین برسد.

میکروسکوپ الکترونی روبشیSEM نشان می دهد که باندهای برشی بسیار نازک هستند (nm20-10).

به هر حال افزایش دما به نظر نمی رسد ضخامت باند برشی را کنترل کند.

پی بردن به مکانیسم های باندهای برشی و نرم کنندگی همواره مهم است.

چون اینها از جمله فاکتورهایی هستند که کاربردهای قطعات فلزی آمورف را محدود می کند.

گرچه باندهای برشی در موارد دیگری مثل آلیاژهای پلی کریستال و پلیمرها یافت می شوند اما آنها به ویژه در شیشه های فلزی بسیار مهم هستند.

چون همراه به کار- نرمی منجر به ناپایداری پلاستیکی در کشش می شود و پتانسیل کاربرد فلزات آمورف را به صورت مواد ساختمانی محدود می کند در واقع نظریه توضیح تمرکز تغییر شکل در باندهای برشی بنابر تغییر ساختار یا افزایش دما در باندها وجود دارد که در هر دو مورد ویسکوزیته موضعی پایین آورده شده است که این موضوع منجر به الگوهای رگه ای و حتی قطره های مایع مانند روی سطوح شکست می شود.

تغییر شکل در باندهای برشی، باعث ایجاد تغییر در ساختار مواد آمورف می شود.

یک ردیاب افزایش دمای 500 درجه کلوین را در فلزات آمورف پایهZr بعد از شکست نشان داد.

شکست ضربه ای همین شیشه تحت نیتروژن منجر به خارج شدن ذرات گرم شده تا 900 درجه کلوین گردید (برای جلوگیری از اکسیداسیون).

اگر حرارت در باندهای برشی به صورت بی دررو در نظر گرفته شود ، محاسبه کار انجام شده در سطوح باند برشی، افزایش دمایی حدود 40 درجه کلوین را ارائه می دهد.

یک محاسبه مشابه بر اساس اندازه گیری های کامل تنش- کرنش، افزایش چند کلوین را در طول جریان دندانه ای پیش‌بینی و حدود 280 درجه کلوین را در طول شکست نهایی بیان کرده است.

با این فرض که انرژی الاستیک در بخش اندازه گیری نمونه به طور کامل به صورت گرما در باندها آشکار گردد، افزایش دمای 900 درجه کلوین را پیش بینی کرده اند.

در خصوص شناسایی تولید گرما در باندهای برشی به بررسی استفاده از روکش کاری درا ین مواد پرداخته شده است کار اولیه در رابطه با تست خمش در فلزات آمورف پایه Zr که دارای شکاف با شعاع خاصی هستند نشان می دهد که قبل از شکست، باندهای برشی وسیعی نزدیک ریشه شکاف به وجود می آید.

این نمونه ها با قلع پوشیده شده اند که در شکل 1-10 آورده شده است.

شکل 1-10 : نمونه تست خمش و روکش کاری قلع برای بررسی باندهای برش نزدیک شکاف که هنگام بارگذاری، باندهای برشی وسیعی نزدیک ریشه شکاف مشاهده شد و الگوی جزیره ای در شکل (1-10 قسمت ب) ذوب شده و به صورت کره هایی که در شکل (1-10 قسمت ج) آمده است تبدیل می شود.

این فرآیند در طول باندهای برشی، ذوب موضعی شبیه به شکل (1-10 قسمت‌ج) به وجود می‌آورد.

اما چنین ذوب شدگی روی روکش آلیاژ آلومینیوم مشخص نگردید چون در اینجا تغییر شکل متمرکز نشده است.

در واقع تغییر شکل موضعی در قلع به وجود آمد، اما هیچ گرمایی در شیشه تولید نشد، بنابراین ذوب موضعی در شکل (1-11) به گرمای تولید شده نزدیک باندهای برشی نسبت داده شده است.

که جزئیات بیشتر ذوب موضعی که به صورت مهره های کره مانند هستند را در شکل (1-12) ارائه داده است.

قابلیت آشکار سازی ذوب موضعی با تماس روکش بر روی این مواد که توسط لیزر داده شده است بررسی گردید.

شکل 1-11: نشان دهنده باندهای برشی نزدیک شکاف در نمونه تست خمش روکش داده شده بوسیله قلع شکل 1-12: نشان دهنده حرارت موضعی و ذوب روکش به صورت مهره های کروی در باندهای برشی متود روکش‌کاری، اندازه گیری حرارت موضعی را در طول عملیات باندهای برشی امکان پذیر می‌سازد بنابراین می توان میزان گرما در باند را مورد محاسبه قرار داد.

همچنین اندازه گیری های موجود بیان می کند، که می تواند گردش دمای قابل توجهی در باندهای برش، در طول عملیات وجود داشته باشد (افزایش هزاران درجه برای چند نانو ثانیه).

بنابراین جای تعجبی نیست که تغییرات ساختاری مثل شکل گیری نانوکریستال ها و جاهای خالی نانو وجود داشته باشد.

حتی اگر حرارت موضعی در این کار، مبداء تمرکز برش نباشد تغییرات دما باید در آنالیز عملیاتی باندهای برش در نظر گرفته شود.

فصل دوم شکست در فلزات آمورف 1-2 شباهت های شکست فلزات آمورف با فلزات کریستالی در سال 1972 دانشمندان گزارش کردند که در آلیاژهای آمورف سطح شکست در نوارهای یکسان به ضخامت (400-100) تحت کشش در زوایای نسبت به محور بارگذاری قرار می گیرند که این موضوع بیانگر ان است که شکست در فلزات آمورف شبیه فلزات پلی کریستال بر روی صفحه ای که ماکزیمم مؤلفه برشی در آن قرار دارد انجام می شود این نتایج با بررسی و فهمیدن اینکه سطح شکست آلیاژ نسبت به بار محوری در زاویه45 درجه قرار دارد تأئید شدند.

صفحاتی که نسبت به محور بارگذاری در زاویه45 درجه قرار می گیرند در واقع همان صفحاتی هستند که مؤلفه ماکزیمم تنش برشی در تست تک محوری در آنها قرار دارد که طبق مطالعات موجود پیشنهاد کردند که معیار تسلیم وان میزز انتخاب شایسته ای برای مواد آمورف می باشد.

1-1-2 اثر فشار هیدرواستاتیک روی جریان تنش دانشمندان در سال1975 اثر فشار هیدرواستاتیک را روی جریان تنش در ماده آمورف بررسی کردند آنها انتظار داشتند که فشار هیدرواستاتیک روی گسترش باندهای برشی تأثیر گذاشته و نمونه بشکند بنابراین تئوری حجم آزاد یک انبساط در مقیاس اتمی برای جریان ماکروسکوپی احتیاج دارد بررسیهای Davis و همکارانش نشان داد که سطوح شکست در کشش، تحت زاویه 50 درجه نسبت به محور بارگذاری و در فشار تحت زاویه 45 درجه شکل می گیرند آنها فهمیدند که جریان تنش در هر دو شرایط بارگذاری، بستگی ناچیزی به فشار هیدرواستاتیک نشان می دهد و همچنین تحت فشار هیدرواستاتیک جهت باندهای برشی و سطوح شکست عوض نمی‌شود وشکست نمونه همچنان انتظار می‌رود که روی صفحه 45‌درجه رخ دهد[7].

فصل سوم کامپوزیت کردن جهت بالا بردن پلاستیسیته 1-3 راهکارهایی برای افزایش پلاستیسیته در آلیاژهای یکپارچه یکی از راههای رسیدن به این خواسته به وجود آمدن یا ایجاد خلل و فرج در ماده است.

در یک نمونه Pd 42.5 Cu30 Ni7.5 P20 به اندازه 64-36% حجمی خلل فرج وارد می کنیم که این امر باعث افزایش بسیار زیاد کرنش پلاستیک و استحکام تسلیم بسیار پایین می شود.

اخیراً مطالعات و آزمایشات بیشتر نشان داده است که در آلیاژ یکسان با خلل و فرجی در حدود 4% حجمی و اندازه 30-20 ، پلاستیسیته ای بیشتر از 18% با کرنش شکستGPa۵۲/۱ (در مقایسه با GPa 63/1 در آلیاژهای یکپارچه) در تست فشار را نشان میدهند.

خلل و فرج ها مانند یک فاز دوم نرم عمل می کنند.

در هنگام وارد کردن بار مکانیکی، خلل و فرجها مانند محل های تمرکز تنش در آلیاژهای آمورف عمل کرده و باعث جوانه زنی چندین باند برشی می شود.

در این زمان خلل و فرجها از گسترش باندهای برشی بوجود آمده جلوگیری می کنند زیرا زمانیکه یک باند برشی در حال گسترش با یک حفره برخورد می کند، تنش در نوک باند برشی کاهش می یابد.

بعلاوه میدان های تنشی نشان داده شده در شکل 1-3 ‌به نظر می رسد که متوقف شدن و جوانه زنی باندهای برشی جدید بسیار مطلوب می باشند که این امر باعث دانسیته بالایی از باندهای برشی می شود.

طبق گزارشات ثبت شده آلیاژ آمورف یکپارچه Pt57.5 Cu14.7 Ni5.3 P22.5 با نسبت بالای ضریب پواسون ،‌بیشتر از 20% پلاستیسیته را تحت فشار از خود نشان داده است.

نسبت بالای پواسون که در یک نسبت پایین مدول برشی (G) به مدول بالک (B) بدست می آید باعث افزایش پلاستیسیته میشود.

آلیاژ پایه Ptنسبت را در مقایسه با را نشان داده اند.نسبت کوچک باعث اضمحلال باند برشی و گسترش نوک باندهای برشی میشود.

قبل از آنکه ناپایداری بیش از حد باعث تشکیل ترک شود، داکتیلیتی فشاری در BMGS با یک نسبت بالای پواسون فقط در آلیاژ پایه pt دیده شده است.

نسبت پواسون برای شیشه های فلزی وابستگی زیادی به عنصر اصلی دارد.

همچنین میتوانیم انتظار یک اثر مشابه در Pd و Au داشته باشیم.

متأسفانه نسبت پواسون عناصر به نظر متناسب با قیمت آن در بازار میباشد.

آلیاژهای آمورف توده یکپارچه ای معرفی شده اند که پلاستیسیته کافی در فشار از خود نشان میدهند.

هر چند این مواد تغییر شکل اصلی را روی باندهای برشی انجام میدهند ولی آنها آلیاژ آمورف واقعی نیستند زیرا آنها دارای مقداری زیادی نظم دامنه کوتاه تا متوسط هستند.

Cu47.5 Zr47.5 Al5 علاوه بر پلاستیسیته خوب تحت فشار یک رفتار مشابه کار سختی را نیز از خود نشان می دهد و این دلیلی است بر جوانه زنی آسان باندهای برشی که ممکن است مربوط به ساختار یکنواخت آمورف باشد که باعث جوانه زنی باندهای برشی قبل از جوانه زنی ترک در داخل ماده میشود.

قطع کردن این باندهای برشی با کار سرد امکانپذیر است.

مشخصات مکانیکی داده شده فقط برای Cu 50 Zr50 , MG می باشد.

در این بررسی نشان داده شده که داکتییلیتی و کارسختی و مانند آنها برای BMG ها در محدوده nm 2-1 امکانپذیر می باشد [1].

2-3 فلزات آمورف کامپوزیتی مکانیزم تغییر شکل BMG متفاوت از مکانیزم تغییر شکل مواد فلزی کریستاله است.

تغییر شکل پلاستیک فاز کریستالی با جا به جا شدن نا به جایی ها در فاز کریستالی انجام می شود.

اندر کنش بین خود نا به جایی ها و عیوب دیگر مانند ناخالصی ها و مرزدانه‌ها باعث رفتار کار سختی در آلیاژهای کریستال معمولی می شود.

به علت ساختار منحصر به فرد مواد آمورف تنها مکانیزم تغییر شکل این مواد در دماهای پایین، تشکیل باندهای برشی است.

(باید توجه کرد که در دماهای بقدر کافی بالا، مکانیزم تغییر شکل فلزات آمورف، به وسیله جریان ویسکوزیته خواهد بود).

زمانیکه یک باند برشی شروع به رشد می‌کند، معمولاً در سرتاسر نمونه گسترش پیدا می‌کند که این عامل باعث شکست ناگهانی در فلزات آمورف یکپارچه می‌شود.

مکانیزم اصلی افزایش استحکام درBMG به وجود آوردن ذرات فاز دوم و به منظورجلوگیری از تشکیل رشد باند برشیتک درداخل ساختار و درعوض ایجاد چندین باند برشی درساختار است[1].

1-2-3 مکانیزم تغییرات و افزایش پلاستیسیته توسط ذرات کامپوزیت در شیشه های فلزی (MG) یکپارچه ، اغلب تردی و شکنندگی دیده میشود زیرا تمام نیروی تغییر فرم روی یک یا تعداد کمی باند برشی متمرکز میشود، که در نتیجه حجم کمی از ماده در تغییر شکل شرکت می کند.

کرنش پلاستیک میتواند بوسیله هر عاملی که باندهای برشی را افزایش دهد و باعث پخش شدن نیروی تغییر شکل در نمونه شود ، ‌اصلاح گردد.

آلیاژهای آمورف تحت فشار تک محوری به طور الاستیک افزایش طول پیدا می کنند تا اینکه تنش موضعی در جایی از ماده (در مناطقی که حجم آزاد زیاد است) به مقدار بحرانی می رسد و باند برشی جوانه می زند.

این مکانیزم باعث نوسان نیرو در هنگام تست فشار (جریان دندانه دار ) شده و معمولاً باعث %2-1 تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست در آلیاژهای کاملاً آمورف می شود.

تحت تست کشش هیچگونه تغییر شکل پلاستیکی در نمونه های کاملاً آمورف دیده نمی شود زیرا جریان دندانه دار در نمونه ها رخ نداده و نمونهها در اثر تغییر شکل پلاستیک بر روی یک باند برشی می شکنند.

در مقایسه با صفحات ضخیم که شکست ترد را تحت بار خمشی نشان می دهند ،‌نوارهای نازک فلزات آمورف، پلاستیسیته قابل توجهی را نشان می دهند.فضای کوچکتر باند برشی باعث انحراف کمتر برشی بازای هر باند برشی تحت شرایط خمشی یکسن می شود.

اگر در تغییر شکل برشی یک ترک در مرکز تشکیل شود، در این صورت کرنش پلاستیک علاوه بر فاصله باند برشی به ضخامت نمونه نیز وابسته است این موضوع به ما کمک می کند تا متوجه شویم که باید باندهای برشی را در طول تغییر شکل ماده افزایش دهیم.