Studi sulla struttura atomica locale della lega Zr55Cu35Al10 attorno a Tg

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9207 (2023) Citare questo articolo

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Come risultato dell'esame della struttura della lega Zr55Cu35Al10 intorno alla temperatura di transizione vetrosa (Tg) utilizzando le classiche simulazioni di dinamica molecolare, è stato dimostrato che i legami atomici nelle zone di interconnessione (zone i) si allentano con il piccolo assorbimento di energia , e diventava facilmente volumi liberi quando la temperatura si avvicinava alla Tg. Invece delle zone i, quando i cluster erano in gran parte separati da reti di volume libero, la struttura solida amorfa veniva convertita in uno stato liquido superraffreddato, con conseguente forte riduzione della resistenza e il grande cambiamento di plasticità da una deformazione plastica limitata alla superplasticità.

Si pensava che la distribuzione atomica del liquido alla temperatura superiore al liquidus fosse casuale e uniforme. Tuttavia, con lo sviluppo di varie tecniche di rilevamento, si è scoperto che gli atomi nel liquido presentavano un ordine a corto e medio raggio. Un nuovo metallo vetroso con disposizioni atomiche disordinate a lungo raggio: i vetri metallici venivano spesso definiti liquido metallico congelato. Il modello topologico della disposizione completamente disordinata degli atomi è stato utilizzato per molto tempo dopo la scoperta della lega amorfa1,2,3,4,5 come modello della disposizione atomica della lega amorfa. Per volume libero si intende la differenza di volume tra la disposizione completamente disordinata degli atomi e la disposizione ordinata delle forme cristalline. La frazione di volumi liberi è spesso determinata dalle variazioni di volume delle leghe amorfe prima e dopo la cristallizzazione. Il concetto di volume libero è ampiamente utilizzato per spiegare le proprietà fisiche e meccaniche dei vetri metallici6,7,8,9,10. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che i vetri metallici preparati a diverse velocità di raffreddamento possiedono proprietà meccaniche diverse, e i vetri metallici preparati a diverse temperature del liquido hanno proprietà termiche diverse e presentano diversi processi di cristallizzazione, il che significa che la disposizione atomica nel liquido metallico congelato è non completamente disordinati, i tessuti congelati a diverse temperature dovrebbero avere una struttura ordinata corrispondente a breve e medio raggio, cambiando con la velocità di raffreddamento11,12.

I vetri metallici mostrano una resistenza estremamente elevata vicina al valore teorico e una deformazione elastica insolitamente grande a causa della loro caratteristica strutturale unica13,14,15. Rispetto all'alluminio, al titanio, alle leghe di rame e all'acciaio, la resistenza dei vetri metallici a base di Zr è più del doppio di quella dell'acciaio inossidabile Ti6Al4V e 17-4ss. La deformazione elastica lineare viene mantenuta idealmente fino al limite di snervamento, che è più del doppio di quello delle leghe comuni. Sebbene i vetri metallici abbiano una resistenza meccanica e proprietà fisiche estremamente elevate, la loro plasticità macroscopica è molto bassa. Dopo l'ampia deformazione elastica lineare e il raggiungimento del limite di snervamento, il vetro metallico viene deformato dal movimento della banda di taglio altamente localizzato16,17,18,19. Lo spessore delle bande di taglio è di sole decine di nanometri. Sebbene vi sia una grande quantità di deformazione nella zona di taglio, il vetro metallico si rompe solo quando diverse o solo una zona di taglio viene deformata, quindi la deformazione della duttilità, che è molto inferiore all'1%, spesso si dimostra rotta dopo aver raggiunto il punto di taglio. limite di rendimento20,21,22.

La comprensione della relazione struttura-proprietà è l'obiettivo fondamentale per lo studio delle strutture atomiche. È importante come chiarire la relazione tra i modelli strutturali e le proprietà fisiche e meccaniche dei materiali vetrosi23,24. La calorimetria differenziale a scansione (DSC) ha mostrato un assorbimento di energia di 0,79 W/g durante la transizione vetrosa. Tuttavia, quando il vetro metallico a base di Zr passa allo stato liquido superraffreddato dal solido amorfo a temperatura ambiente, ha solo bisogno di assorbire poca energia, accompagnata da una forte riduzione della resistenza da 2000 a 70 MPa e dal grande cambiamento di plasticità da un livello limitato deformazione plastica alla superplasticità. In che modo il basso assorbimento di energia modifica la struttura atomica dei BMG e apporta proprietà meccaniche simili a quelle liquide? Le relazioni struttura-proprietà sono legate non solo geometricamente all'impacchettamento atomico ma anche alle proprietà di legame tra gli atomi, in cui la lunghezza di legame è uno dei fattori più importanti29,30.