Критические скорости охлаждения при аморфизации некоторых расплавов

Химический состав расплава	Критическая скорость охлаждения, К/c
Ni	109
Fe83B17	106
Fe79Si10B11	3∙105
Fe80P13C7	5∙104
Ni62Nb38	2∙103
Pd77Cu6Si17	103
Pd40Ni20P20	2∙102
Zr41Be23Ti13	3
Pd40Cu30Ni10	10-3

На рис. 1.26 показана область аморфных составов в системе двойных сплавов Pd-Si.

Рис. 1.26. Область аморфных составов в системе Pd-Si

В этой системе имеется классическая глубокая эвтектика. Область аморфизации лежит вблизи эвтектического состава. Температура аморфизации составляет 400  500°С и мало зависит от химического состава сплава. В то же время полагают, что для облегчения аморфизации разность температур между температурой равновесной кристаллизации и температурой аморфизации должна быть по возможности минимальной. Очевидно, что это условие наилучшим образом обеспечивается в сплавах с глубокой эвтектикой, которая типична для систем металл-металлоид.

Легирование переходных металлов металлоидами способствует аморфизации расплава еще и потому, что в системах металл-металлоид существенно различаются размеры атомов, как это показано в табл. 1.10. Возникновение прочной связи между атомами металлов и металлоидов, чему способствует различие в их размерах, препятствует формированию кристаллической решетки в быстро охлаждающемся расплаве.

Таблица 1.10

Атомные радиусы переходных металлов и металлоидов

Переходные металлы		М е т а л л о и д ы
Элемент	Радиус, нм	Элемент	Радиус, нм
Марганец	9,1	Бор	2,0
Железо	8,7	Углерод	2,0
Кобальт	8,2	Кремний	3,9
Никель	7,8	Фосфор	4,4

Аморфное состояние является структурно метастабильным и неустойчивым. При нагреве аморфных сплавов выше некоторой температуры Т_кр (температура кристаллизации) происходит переход сплава в стабильное кристаллическое состояние. Обычно температура Т_кр на несколько десятков градусов превышает температуру аморфизации. Процесс перехода аморфной структуры в кристаллическую зависит от природы кристаллизующейся фазы. Как правило, такой переход проходит через ряд метастабильных состояний. Наиболее подробно исследован процесс перехода в сплаве Pd₈₀Si₂₀. При повышении температуры в этом сплаве происходит следующая последовательность превращений:

‑ некоторое упорядочение в расположении аморфной фазы и образование сильно пересыщенного твердого раствора;

‑ появление внутри аморфной матрицы небольших кристаллов палладия с гцк-структурой метастабильной фазы  (МФ – 1);

‑ образование сложной упорядоченной метастабильной фазы (МФ – 2);

‑ распад метастабильной фазы МФ – 2 на смесь равновесных фаз и их укрупнение.

Примерно такая же последовательность превращений имеет место и в других аморфных сплавах (Fe₈₀ P₁₃ C₇, Co₇₅ Si ₁₅ B₁₀ и др.). У всех этих сплавов на второй стадии превращения образуются кристаллики размером 10  50 нм со структурой низкотемпературной модификации основного компонента (МФ-1).

Значительный интерес вызывают низкотемпературные превращения в аморфных сплавах, подвергнутых длительному отжигу при температуре ниже Т_кр. В этом случае аморфная структура трансформируется в нано-кристаллическую фазу с размером частиц 5  10 нм. В отличие от метастабильной фазы МФ-1, нанокристаллическая фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор, состав которого соответствует составу исходной матрицы. Предполагается, что механизм образования твердорастворной нанокристаллической фазы отличается от классического механизма зарождения и роста кристаллов, поскольку происходит без диффузии атомов на значительные расстояния.

Схематичное изображение нанокристаллической и аморфной структуры показано на рис. 1.27.

Рис. 1.27. Схема нанокристаллической и аморфной структуры