No, normalmente no son compatibles … Los metales y los vidrios tienen características incompatibles que probablemente no se alearían bien si pudiera hacerlo. Probablemente solo forme una estructura compuesta sin ningún enlace químico.
El vidrio tiene un TCE extremadamente bajo en comparación con cualquier metal, incluso las aleaciones de baja expansión, la diferencia en TCE probablemente causaría que la aleación se desmorone con cualquier ciclo térmico. La única mejora probable, si hubiera alguna, sería en la dureza y si solo quieres realmente duro, el acero para herramientas actúa con fuerza como el vidrio … deja caer una pieza para verlo por ti mismo. Muchos metales muestran propiedades similares al vidrio en toda su dureza y, por lo general, se alivian de la tensión para mejorar su tenacidad.
Sin embargo, puedes convertir el metal en un vaso .
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He utilizado esta tecnología de metales ampliamente en ensamblajes soldados de alto rendimiento exóticos que utilizan preformas de soldadura fuerte de Metglass … es algo muy útil. En el caso de las preformas de soldadura fuerte, se deposita una aleación de níquel dopada con boro en una capa muy delgada sobre una placa de metal giratoria de alta velocidad que se enfría criogénicamente. El vapor de metal fundido se enfría instantáneamente congelando sus propiedades amorfas metálicas en su forma final. Esta lámina delgada se procesa en preformas para su uso en la soldadura de materiales juntos. Lo único aquí es que, en su estado con el dopaje de boro, el níquel se derrite 300 F más bajo de lo que normalmente lo haría. El boro es forzado a salir de la junta de soldadura por presión y a través de la filtración de hidrógeno, dejando una junta de níquel que no se puede fundir a menos que la temperatura de fusión se incremente en 300 F.
Vidrios Metálicos
La investigación en nuestro grupo ha cubierto una amplia gama de temas en vidrios metálicos, que van desde el diseño de aleaciones (incluido el desarrollo de nuevos materiales compuestos de matriz de vidrio metálico) y estudios de la estructura a escala atómica hasta estudios muy prácticos de comportamiento mecánico, que incluyen tanto deformación como fractura.
Los vidrios metálicos, o metales amorfos, son nuevas aleaciones de ingeniería en las que la estructura no es cristalina (como lo es en la mayoría de los metales), sino que está desordenada, con los átomos ocupando posiciones más o menos aleatorias en la estructura. En este sentido, los vidrios metálicos son similares a los vidrios de óxido más familiares, como los vidrios de cal sodada utilizados para ventanas y botellas.
Desde un punto de vista práctico, la estructura amorfa de los vidrios metálicos les confiere dos propiedades importantes. Primero, al igual que otros tipos de vidrios, experimentan una transición de vidrio a un estado líquido sobreenfriado al calentarse. En este estado, la viscosidad del vidrio puede controlarse en un amplio rango, creando la posibilidad de una gran flexibilidad en la conformación del vidrio. Por ejemplo, la compañía Liquidmetal Technologies produjo el putter de golf que se muestra aquí:
En segundo lugar, la estructura atómica amorfa significa que los vidrios metálicos no tienen los defectos cristalinos llamados dislocaciones que gobiernan muchas de las propiedades mecánicas de las aleaciones más comunes. La consecuencia más obvia de esto es que los vidrios metálicos pueden ser mucho más fuertes (3-4 veces o más) que sus contrapartes cristalinas. Otra es que los vidrios metálicos son algo menos rígidos que las aleaciones cristalinas. La combinación de alta resistencia y baja rigidez le da al vidrio metálico una resistencia muy alta, que es la capacidad de almacenar energía de deformación elástica y liberarla. Esto se ilustra dramáticamente en el siguiente video.
En el video, se colocan rodamientos de bolas idénticos sobre un vidrio metálico (izquierda) y una pieza de acero inoxidable (derecha). La alta resistencia y la baja rigidez del vidrio permiten que el rodamiento de bolas rebote durante mucho tiempo, mientras que en el acero inoxidable la baja resistencia provoca deformación plástica que amortigua rápidamente la energía cinética del rodamiento de bolas.
Otra consecuencia de su estructura amorfa es que los vidrios metálicos, a diferencia de la mayoría de las aleaciones cristalinas, se debilitan por la deformación. Este “ablandamiento por deformación” provoca una concentración de deformación en bandas de corte muy estrechas como las que se muestran aquí, de un estudio anterior de microscopía electrónica de transmisión realizado por nuestro grupo:
Desde un punto de vista científico, las gafas metálicas son fascinantes porque muchas de sus propiedades y comportamiento importantes recién ahora comienzan a entenderse. Parte del desafío para comprenderlos surge porque es mucho más difícil caracterizar la estructura (y, críticamente, los defectos en la estructura) de un material amorfo que de un material cristalino.
La investigación en nuestro grupo ha cubierto una amplia gama de temas en vidrios metálicos, que van desde el diseño de aleaciones (incluido el desarrollo de nuevos materiales compuestos de matriz de vidrio metálico) y estudios de la estructura a escala atómica hasta estudios muy prácticos de comportamiento mecánico, que incluyen tanto deformación como fractura. Al final de este artículo aparece una lista de algunos artículos de nuestro grupo sobre estos temas.
En nuestro trabajo más reciente, estamos tratando de comprender los mecanismos básicos por los cuales los vidrios metálicos se fracturan, lo cual es de evidente importancia para las aplicaciones de ingeniería. Los vidrios metálicos son diferentes a las aleaciones cristalinas en que, aunque tienen poca o ninguna ductilidad, pueden ser relativamente resistentes (resistentes a la fractura).
Para explorar esto, recientemente hemos llevado a cabo una serie de experimentos en los que realizamos estudios de fracturas de muestras de vidrio metálico en un sincrotrón, que produce rayos extremadamente intensos de rayos X que utilizamos para investigar cómo evoluciona la estructura del vidrio a medida que aumentamos el estrés. La idea básica se muestra aquí:
La muestra de vidrio metálico tiene una muesca con una grieta en su punta. Cargar la muestra en los tres puntos mostrados provoca flexión, lo que aumenta el estrés en la punta de la grieta. Utilizamos el haz de rayos X para producir anillos de difracción, de cuya forma podemos deducir la tensión (o tensión) en la muestra en cualquier punto dado, y al mover la muestra podemos mapear estas cepas en función de la posición alrededor de la punta del crack. El análisis de estos datos sugiere que a temperatura ambiente el vidrio puede desarrollar una región sustancial de deformación plástica alrededor de la punta de la grieta, pero que esto no ocurre a temperaturas criogénicas. La razón de la diferencia está bajo investigación.
Otra área de investigación activa es el comportamiento y las características de las bandas de corte (regiones de deformación plástica extensiva) mencionadas anteriormente. En colaboración con Wendy Wright (Universidad de Bucknell) y Karin Dahmen (Universidad de Illinois), realizamos pruebas detalladas de la respuesta del material durante los eventos de bandas de corte.
Esta investigación está financiada por la National Science Foundation (NSF). El trabajo anterior sobre gafas metálicas en nuestro grupo fue apoyado por el Departamento de Energía (DOE), la Oficina de Investigación del Ejército (ARO) y el Laboratorio de Investigación del Ejército (ARL).
Lectura adicional:
- Reino Unido Vempati et al., Physical Review B (presentado 2013)
- UK Vempati et al., Physical Review B 85, 214201 (2012)
- Wendelin Wright et al., Acta Materialia 57, 4639 (2009)
- Christopher Schuh et al., Acta Materialia 55, 4067 (2007)
Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales
Universidad Johns Hopkins, Escuela de Ingeniería de Whiting
Ciencia e Ingeniería de los Materiales
