До сих пор речь шла только о закалке твердого тела. А что, если закаливать жидкость? Идея кажется несколько странной, но у нее конкретная цель: охладив металлический расплав достаточно быстро, предотвратить в нем кристаллизацию. А почему бы и нет? Кристаллизация — нормальное фазовое превращение, происходящее по механизму зарождения и диффузионного роста. Мартенситный путь превращения жидкости в кристалл закрыт «наглухо». Атомы жидкости расположены беспорядочно и согласованным образом, «чувствуя локоть партнера», перестроиться в кристалл никак не могут. А раз так, предотвратить кристаллизацию вполне возможно. Главное — достаточно быстро охладить жидкость.
Но что значит «быстро охладить»? Для каждого вещества ответ свой. Для смеси воды и песка «быстро» означает доли градуса в секунду. С точки зрения человека, это скорее «медленно». Такая скорость охлаждения достигается при естественном остывании расплавленной массы. Этот процесс даже как-то неловко называть закалкой. Тем не менее поставленная цель достигается — кристаллизации не происходит, В результате получается материал, который всем хо-> рошо известен. Он называется стеклом.
На атомном уровне стекло похоже на жидкость. Порядка (дальнего!) в расположении атомов нет< Можно сказать, что это — загустевшая жидкость, вязкость которой столь велика, что стекло является твердым телом, ничем не хуже кристалла.
Чтобы получить стекло из металла (иное название— аморфный металл), требуются совсем другие скорости охлаждения. Здесь «быстро» — это действительно быстро. Некоторое представление о скоростях кристаллизации чистых металлов можно получить на основании коэффициентов диффузии атомов в их расплавах.
Характерный порядок величины D в чистых жидких металлах при температурах, близких к температуре плавления, равен Ю-5 см2/с. Предположим, что кристаллизация — процесс чисто диффузионный, т. е. чтобы перестроиться в кристалл, атомам жидкости надо просто «пропутешествовать» до будущих узлов кристаллической решетки. По порядку величины их путь равен межатомному расстоянию (около 0,1 нм в металлах) и необходимое для его совершения время оценивается по обычной диффузионной формуле
(0,1 нм)2 10″’S Cm2 -п
5™= Io-W/c=10 с-
Величина удручающе мала. Ведь чтобы не допустить кристаллизации, надо охладить жидкий металл от температуры плавления до примерно комнатной за время меньшее, чем IO^u с, т. е. скорость охлаждения должна составить (принимая, что температура плавления «г 10000C)
Уохл « 1000/10″» = Юн К/с.
В нашем расчете никак не учитывалось зародыше — образование. Оно, конечно, понижает скорость кристаллизации и, следовательно, необходимую минимальную скорость охлаждения. Но почувствовать масштабы времен н скоростей при закалке жидкости наши прикидки позволяют! Более строгие оценки показывают, что для аморфизации (так называется об — разованне стекла) чистые металлы достаточно охла-< ждать со скоростью IO10 — IO12 К/с. Но и это очень много!
Другое дело сплавы. Здесь имеются и так называемые случаи легкой аморфизации, которые требуют гораздо меньших скоростей охлаждения. Общее правило таково: чем больше времени требуется на кристаллизацию сплава, тем его легче аморфизовать.
Существуют особые системы, в которых температуры плавления сплавов некоторых составов могут быть намного ниже точек плавления чистых компонентов. Несколько характерных примеров приведены в табл. 6.
Таблица 6 Некоторые легко аморфизующився сплазы
Компонент А |
Гпл — °С |
Компонент В |
Гпл — °С |
Сплав *) |
У-сплава 0Q пл ‘ |
Fe |
1536 |
В |
2077 |
Fe83B17 |
1177 |
Pd |
1552 |
Si |
1417 |
Pd80Si2O |
~770 |
Hf |
2227 |
Be |
1287 |
Hf55Be45 |
~ 1100 |
Cu |
1083 |
Zr |
1852 |
Cu60Zr4O |
885 |
*) Концентрации элементов в сплаве приведены в атомных процентах.
Подвижность атомов при понижении температуры, как мы знаем, заметно падает и, следовательно, сплавы таких легкоплавких составов кристаллизуются медленнее чистых компонентов.
Для определения склонности к аморфизации очень важно также, каким, согласно фазовой диаграмме, должно быть равновесное состояние сплава. Поясним это на примере. Допустим, равновесное состояние сплава представляет собой твердый раствор. Тогда для кристаллизации атомы должны «преодолеть» путь, по порядку величины равный межатомному расстоянию (точно так же, как в чистом металле).
Но равновесным состоянием твердого сплава мо*. жет быть и смесь фаз разного химического состава. Для ее образования компоненты однородного жидкого раствора должны существенно перераспределиться в объеме образца. Диффузионный путь в этом случае окажется намного больше межатомного расстояния, и это сильно «затягивает» кристаллизацию.
Существуют сплавы, в которых сочетаются оба благоприятных для легкой аморфизации фактора. Приведем несколько фрагментов фазовых диаграмм сплавов с повышенной склонностью к образованию стекла (рис. 135).
— Области регкой
Яморфирации
Ж
Ж+PbSi
C5
Pd-Si
Fe T
Жт-и
VFe+Fe, B
Ж+F^B
Ж
T Ж+ftf
Fe-B
Ж+0и3Р
Рис. 135
Как видите, все они устроены по одному образцу.. Это очень удобно, так как позволяет прямо по фазовой диаграмме отыскивать сплавы, которые легко превратить в стекло. Стрелками на рис. 135 указаны составы легкой аморфизации. Именно для них скорость охлаждения, требуемая для образования стекла, минимальна: IO5— IO6 К/с. Но и это отнюдь не мало. Стандартные методы закалки (которыми пользовались, судя по «Одиссее», еще во времена Гомера) обеспечивают скорость охлаждения всего лишь IO2 — IO3 К/с. А нам нужно по крайней мере в 1000 раз больше…
Оставим на время металл и зададимся вопросом: как побыстрее охладить горячий чай? Проще всего налить его из чашки в блюдце. Тепло отдается в ос-.
Новном окружающему воздуху. Увеличивая поверхность соприкосновения с воздухом, мы увеличиваем скорость охлаждения. Чем более плоское блюдце мы выберем, тем быстрее остынет чай (конечно, при его неизменном объеме!). Наконец, можно просто вылить чай на стол. В результате растекания жидкости площадь ее поверхности еще больше возрастает. Правда, для чаепития этот прием мы рекомендовать не станем, зато в быстром остывании можете не сомневаться.
Итак, первый вывод: для увеличения скорости охлаждения следует максимально увеличить площадь поверхности контакта с теплоотводящей средой, в данном случае с воздухом.
Но воздух отводит тепло сравнительно медленно. Хорошими проводниками тепла по справедливости считаются металлы, а из них в первую очередь —• медь. В этом мы убеждаемся каждый раз, когда прикасаемся к металлическому покрытию, — оно всегда кажется холодным, так как быстро отводит тепло че-, ловеческого тела.
Отсюда следует еще одна рекомендация: чай следует разливать не на столе, а на широком металлическом (желательно медном) подносе. Тогда он остынет почти сразу же.
На этом закончим нашу не слишком изысканную «чайную церемонию». Она подсказала конкретный рецепт. Для быстрейшего охлаждения жидкого металла надо создать очень тонкий его слой на медной поверхности (обычно ее называют подложкой).
Первые удачные опыты по сверхбыстрому охлаждению металлической жидкости были произведены в 1960 году. Капля расплавленного металла выстреливалась на подложку из меди (в ранних работах для этого применялась энергия пороховых газов обычного пистолета). При ударе о медный экран капля расплющивается, моментально охлаждается (скорость охла-. ждения достигает IO8— IO10 К/с), и с медного трамплина в воздух взмывает крохотная лепешка твердого аморфного метала. В самых тонких местах ее толщина оказывается равной 0,0001 мм.
Существует еще несколько разновидностей метода «расплющивания капли». Главный их недостаток — малая производительность. Да и аморфный металл получается в виде мелкого порошка, а это не всегда удобно для практического использования. Но применение тех же принципов охлаждения позволило создать способы производства непрерывной ленты из аморфного металла. Вот один из возможных вариантов (рис. 136). На вращающийся медный диск льется
Тонкая струя расплавленного металла. Соприкасаясь с диском, она охлаждается, и с диска сбрасывается уже застывшая аморфная лента.
Кстати, внешне аморфный металл ничем не отличается от кристаллического. Но из-за беспорядочного расположения атомов стекло не является дифракционной решеткой для излучения, и на дифрактограмме отсутствуют резкие брэггов — ские пики (рис. 137). Облучая закаленные из жидкости образцы сплавов рентгеновскими лучами, электронами или нейтронами, можно определить, успешно ли прошла аморфизация.
2sjne Л
Кьистцгугический Аморфный Ji ‘ /и Erajyr Jx глетщ