Data: 14/12/2009Local: Relatório da Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
DIA, 2009: estudo do AAWSA sobre vidros metálicos conclui que só compósitos com dendritos servem a estruturas aeroespaciais
O Documento de Referência de Inteligência de Defesa de 14 de dezembro de 2009 avalia vidros metálicos para uso aeroespacial. Conclui que eles são muito resistentes, mas frágeis e de fadiga ruim, e que só compósitos com dendritos dúcteis e novas ligas leves poderiam torná-los úteis, em horizonte de 20 a 50 anos.
- Data do evento
- 14/12/2009
- Local
- Relatório da Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
- Tema
- História da investigação
- Órgãos das fontes
- DOW
- Documentos
- 1 documento · 30 páginas
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- 61 min
Capa de documentoPágina física 1FONTES DOCUMENTAIS · DOW
O que os registros contam
Este documento não é um relato de avistamento: é um estudo técnico de ciência dos materiais. Trata dos vidros metálicos, ligas cujos átomos ficam desordenados, como num vidro comum, em vez de organizados numa rede cristalina. O relatório, de 14 de dezembro de 2009 (com informações até 1º de dezembro), foi preparado pela Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3), do Escritório de Alerta de Defesa da Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA (DIA). O autor aparece como "AAP Person 63", nome substituído na divulgação.
O expediente informa que o texto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA). O documento não declara, em nenhuma página, por que escolheu esse tema. A ligação aparece na declaração de objetivos do programa, de 18 de julho de 2008, que lista "materiais" entre as áreas técnicas a estudar, e no título do relatório, que fala em aplicações aeroespaciais. O estudo não menciona UFOs, UAPs nem engenharia reversa de qualquer objeto.
O que o estudo conclui é sóbrio. Os vidros metálicos são muito mais resistentes que ligas convencionais e podem ser moldados como plásticos, mas têm quase nenhuma ductilidade à tração e fadiga ruim: o limite de fadiga é de cerca de 5% da resistência à tração, contra cerca de 40% em ligas cristalinas de alta resistência. Faltam boas ligas leves, sobretudo à base de alumínio, e as melhores ligas de zircônio e titânio usam berílio, que é tóxico, ou elementos caros. Os autores veem mais futuro em compósitos com dendritos cristalinos dúcteis numa matriz vítrea.
Os compósitos dendríticos, segundo o relatório, sacrificam parte da resistência, mas podem ter tenacidade à fratura excepcional e boa resistência à fadiga. Poderiam substituir aços de alta resistência em componentes aeroespaciais em que o espaço é limitado, como estruturas de pilone e trem de pouso, embora ainda não se tenha demonstrado que possam ser fabricados no tamanho necessário e sua resistência à corrosão sob tensão não esteja avaliada. O texto também considera espumas estruturais, laminados com polímeros e peças em escala nanométrica para sistemas microeletromecânicos.
O horizonte tecnológico é de longo prazo, mas modesto: o texto diz ser "altamente provável" que 20 a 50 anos de trabalho tragam avanços significativos e maior aceitação desses materiais, e que o uso aeroespacial generalizado depende do desenvolvimento de novas ligas leves. As recomendações são desenvolver ligas e compósitos por métodos computacionais e combinatórios, entender o efeito da composição na deformação plástica, projetar a microestrutura dos compósitos e aperfeiçoar o processamento de peças finas e de espumas. São avaliações dos autores, com base na literatura científica citada ao final, em sua maior parte de universidades.
Para o leitor interessado em UAPs, o valor do documento está no contexto: mostra que o programa AAWSAP encomendou, ao lado de estudos especulativos sobre dobra espacial e antigravidade, análises convencionais de materiais avançados. A única passagem que olha além da Terra é a ideia de produzir espumas metálicas no local, para painéis de edifícios extraterrestres, o que reduziria o volume de material lançado ao espaço; o texto a apresenta como possibilidade concebível, sem teste. A página 2 traz ainda um aviso de direitos autorais sobre as fotografias, por isso o dossiê reproduz apenas a capa.
LEITURA DIRETA DO ARQUIVO
O documento, em português
Traduzidas na íntegra as 30 páginas do documento: capa, expediente, sumário, resumo, texto, legendas de figuras, tabelas, equação e notas. Os rótulos dos gráficos são descritos entre colchetes. As listas de referências bibliográficas das páginas 29 e 30 foram resumidas pelos elementos descritivos, com os títulos das obras indicados como [referências bibliográficas no original]. Fórmulas químicas e a Equação 1 mantêm a notação do original. Marcações de classificação tarjadas aparecem como tarjadas.
TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1
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Documento de Referência de Inteligência de Defesa
Apoio contra Ameaças à Aquisição
14 de dezembro de 2009
[Data de corte das informações: 1º de dezembro de 2009]
DIA-08-0911-012
Vidros metálicos: situação atual e perspectivas para aplicações aeroespaciais
NÃO CLASSIFICADO//[SOMENTE PARA USO OFICIAL, tarjado no original]Nota editorial: Capa do documento de referência da DIA, de 14 de dezembro de 2009, sobre vidros metálicos em aplicações aeroespaciais.
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UNCLASSIFIED/ /Pelt 9ff1&1Ak Uliii QNL:f
Defense
Intelligence
Reference
Document
Acquisition Threat Support
14 December 2009
[COD: 1 December 2009
DIA-08-0911 -012
Metallic Glasses: Status and
Prospects for Aerospace
Applications
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Fundição e moldagem
Como outras ligas, os vidros metálicos podem ser fundidos em geometrias de forma final ou quase final. A fundição sob pressão em molde permanente (metálico), por fornecer a rápida transferência de calor necessária para atender à exigência de resfriamento relativamente rápido, é a técnica de fundição mais comum. Na maioria dos casos, a fundição é feita em vácuo ou em atmosfera inerte, para evitar a formação de partículas de óxido que promovem a cristalização.
A fundição convencional, porém, não aproveita a flexibilidade oferecida pela natureza vítrea dessas ligas. Se um vidro metálico é aquecido acima de sua temperatura de transição vítrea, ele se torna um líquido super-resfriado. Nesse estado, a viscosidade cai com o aumento da temperatura numa faixa ampla, o que permite controlar a viscosidade controlando a temperatura.1 Essa capacidade de controlar a viscosidade permite que muitas das técnicas de processamento comumente usadas na moldagem de polímeros termoplásticos sejam aplicadas aos vidros metálicos (Figura 3).
[Figura 3: duas imagens, (a) e (b); barra de escala de 200 µm.]
Figura 3. Exemplos de processamento de vidros metálicos. (a) Microprimola produzida por litografia e (b) garrafa de paredes finas produzida por moldagem por sopro. Imagens cedidas pelo professor Jan Schroers (Universidade Yale).
Há duas limitações importantes ao processamento de vidros metálicos na região de líquido super-resfriado. Primeiro, os líquidos super-resfriados são metaestáveis e tendem a cristalizar; por isso há uma janela de tempo limitada (tipicamente da ordem de minutos) na qual o processamento deve ser concluído, se a estrutura vítrea for para ser mantida. Segundo, a viscosidade de muitas ligas formadoras de vidro perto da temperatura de transição vítrea é alta demais para um processamento conveniente. A viscosidade pode ser reduzida aumentando a temperatura de processamento, mas temperaturas mais altas promovem a cristalização
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1 Um metal cristalino, em contraste, funde abruptamente, passando de um sólido rígido a um fluido de baixa viscosidade muito rapidamente.
4
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Explica a fundição de vidros metálicos e a moldagem termoplástica no estado de líquido super-resfriado, com a Figura 3 (peças moldadas, créditos à Universidade Yale).
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL ~SI! 8HLY
Casting and Molding
Like other alloys, metallic glasses can be cast into net -shape or near-net-shape
geometries. Die casting into a permanent (metal) mold-because it provides the rapid
heat transfer needed to meet the requirement for relatively rapid cooling - ls the most
common casting technique. In most cases, casting is done in either a vacuum or an
inert atmosphere to prevent formation of oxide particles that promote crystallization.
Conventional casting, however, does not take advantage of the flexibility afforded by
the glassy nature of these alloys. If a metallic glass is heated to a temperature above
its glass transition temperature, it becomes a supercooled liquid. In this state, the
viscosity drops with increasing temperature over a wide range, making it possible to
control the viscosity by controlling the temperature. 1 This ability to control the viscosity
enables many of the processing techniques commonly used in molding thermoplastic
polymers to be applied to metallic glasses (Figure 3).
200 µm
Figure 3. Examples of Processing of Metallic Glasses. (a) Microsprlng produced by lithography and (b) thin
walled bottle produced by blow molding. Images are courtesy of Professor Jan Schroers (Yale University).
There are two important limitations on processing of metallic glasses in the supercooled
liquid region. First, supercooled liquids are metastable and have a tendency to
crystallize, so there is a lim ited window of time (typically on the order of minutes) in
which the processing must be completed if the glassy structure is to be maintained.
Second, the viscosity of many glass-forming alloys near the glass transition
temperature is too high for convenient processing. The viscosity can be reduced by
increasing the processing temperature, but higher temperatures promote crystallization
1 A crystalline metal, In contrast, melts abruptly, going from a rigid solid to a low-viscosity fluid very quickly.
4
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
e assim reduzem a janela de tempo disponível para a moldagem. Na prática, portanto, uma moldagem bem-sucedida exige controle cuidadoso das condições de processamento.
União
As aplicações estruturais inevitavelmente exigem a união de componentes, por exemplo por fixadores mecânicos, adesivos ou por soldagem, solda branda ou brasagem. O uso de fixadores e adesivos é muito parecido para vidros metálicos e para qualquer outro metal. Técnicas como soldagem, solda branda e brasagem são potencialmente problemáticas porque envolvem aquecer a liga vítrea, com o risco de cristalização (o que poderia tornar a junta mais frágil). Na soldagem, por exemplo, o metal a ser unido é de fato fundido e volta a solidificar ao esfriar. No caso de um vidro metálico, é preciso cuidado para garantir que a taxa de resfriamento seja rápida o bastante para evitar a cristalização. Há também o risco de que o material vítreo na zona afetada pelo calor (perto da região fundida, mas fora dela) cristalize. Foram feitos testes de laboratório com diversas técnicas de soldagem em várias ligas formadoras de vidro, com resultados mistos, e é claro que muito resta a fazer nessa área.
Espumas
Um desenvolvimento recente particularmente promissor é a capacidade de produzir espumas de vidro metálico. Aqui, a viscosidade relativamente alta das ligas formadoras de vidro é uma vantagem para produzir uma estrutura de espuma estável que pode ser solidificada, deixando uma espuma de alta porosidade com ligamentos de vidro metálico.9 Essas espumas têm alta resistência específica (isto é, resistência normalizada pela densidade) e alta rigidez específica e poderiam ter excelente tolerância a danos, embora isso não tenha sido demonstrado.
Filmes finos e revestimentos
A discussão acima trata do processamento de vidros metálicos autossustentados, com ênfase em aplicações estruturais. No entanto, também é possível produzir ligas amorfas como filmes finos ou revestimentos, usando técnicas como deposição física de vapor ou eletrodeposição. Embora as espessuras de material que podem ser produzidas assim sejam limitadas, elas são úteis para fazer revestimentos de liga amorfa (para resistência ao desgaste e à corrosão) ou filmes finos para aplicações magnéticas ou em sistemas microeletromecânicos (MEMS). Uma vantagem distinta das técnicas de filme fino é que, como as taxas efetivas de resfriamento na deposição de vapor são extremamente altas, uma gama muito mais ampla de ligas pode ser produzida em forma amorfa do que é possível com a fundição. Isso permite adaptar a composição da liga para otimizar propriedades funcionais, com menos preocupação com a capacidade de formação de vidro.
Comportamento mecânico próximo da temperatura ambiente
Quando um material é submetido a uma tensão, ele pode sofrer deformações elásticas e plásticas. A deformação elástica ocorre em tensões mais baixas e é recuperável quando a tensão aplicada é removida. O limite da deformação elástica é definido pela tensão de escoamento, o ponto em que começa a deformação plástica (não recuperável). Grande parte do interesse atual nos vidros metálicos surge porque suas tensões de escoamento (isto é, suas resistências) podem ser muito maiores que as de ligas cristalinas de composição semelhante; essa diferença é resultado direto da nova estrutura em escala atômica dos vidros metálicos. As características de fratura e fadiga dos vidros metálicos também são diferentes das
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Trata de união de componentes, espumas e filmes finos de vidro metálico e introduz os conceitos de deformação elástica e plástica.
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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPP!elAL ~SI: 8,.LY
and thus reduce the window of time available for molding. In practice, therefore,
successful molding requires careful control of the processing conditions.
Joining
Structural applications inevitably require joining of components, for instance by
mechanical fasteners or adhesives or by welding, soldering, or brazing. The use of
fasteners and adhesives is much the same for metallic glasses as for any other metal.
Techniques such as welding, soldering, and brazing are potentially problematic because
they involve heating the glassy alloy, running the risk of crystallization (which could
make the joint more brittle) . In welding, for instance, the metal to be joined is actually
melted and then resolidifies upon cooling. In the case of a metallic glass, care must be
taken to ensure the cooling rate is fast enough to avoid crystallization. There is also a
risk that the glassy material in the heat-affected zone (near to but not in the molten
region) might crystallize. Laboratory tests of a variety of welding techniques have been
performed on several glass-forming alloys with mixed results, and it is clear that much
remains to be done in this area.
Foams
One particularly promising recent development is the ability to produce metallic glass
foams. Here, the relatively high viscosity of glass-forming alloys is an advantage in
producing a stable foam structure that can be solidified, leaving a high-porosity foam
with metallic glass ligaments. 9 These foams have high specific strength (that is,
strength normalized to density) and specific stiffness and could have excellent damage
tolerance, although this has not been demonstrated.
Thin Films and Coatings
The discussion above focuses on the processing of free-standing metallic glasses, with
an emphasis on structural applications. However, it is also possible to produce
amorphous alloys as thin films or coatings using techniques such as physical vapor
deposition or electrodeposition. Although the thicknesses of material that can be
produced in this way are limited, they are useful for making amorphous alloy coatings
(for wear and corrosion resistance) or for thin films for magnetic or micro
electromechanical system (MEMS) applications. A distinct advantage of the thin film
techniques is that because the effective cooling rates during vapor deposition are
extremely high, a much wider range of alloys can be produced in amorphous form than
is possible with casting. This allows the alloy composition to be tailored for optimization
of functional properties, with less concern about glass-forming ability.
Mechanical Behavior Near Room Temperature
When a material is subjected to a stress, it can experience both elastic and plastic
deformations. Elastic deformation occurs at lower stresses and is recoverable when the
applied stress is removed. The limit of elastic deformation is defined by the yield
stress- the point at which plastic (nonrecoverable) deformation begins. Much of the
current interest in metallic glasses arises because their yield stresses (that is, their
strengths) can be much higher than those of crystalline alloys of similar composition;
this difference is a direct result of the novel atomic -scale structure of metallic glasses.
The fracture and fatigue characteristics of metallic glasses are also different from those
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI&ilAb WS& 8PtLYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 11, contando a capa.
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das ligas convencionais. Nesta seção, revisamos o comportamento mecânico dos vidros metálicos, com atenção especial às propriedades de interesse para aplicações aeroespaciais. Consideramos as propriedades reais em detalhe na seção abaixo sobre aplicações, na qual comparamos as propriedades dos vidros metálicos com as de outros materiais estruturais avançados.
Rigidez: deformação elástica
Rigidez é a resistência de um material à deformação elástica e é quantificada pelo módulo elástico (para cargas de tração ou compressão) ou pelo módulo de cisalhamento (para carga de cisalhamento). Os vidros metálicos tendem a ser um pouco menos rígidos (20 a 30 por cento) que ligas cristalinas de composição semelhante. O menor módulo é consequência da estrutura amorfa, na qual os átomos estão (em média) um pouco mais afastados que numa liga cristalina, o que permite certos relaxamentos atômicos impossíveis num cristal. O menor módulo das ligas amorfas é claramente uma preocupação em aplicações nas quais a rigidez é o critério principal, mas apresenta algumas vantagens. Por exemplo, algumas aplicações (molas, por exemplo) exigem a capacidade de armazenar energia de deformação elástica (resiliência), e aqui os vidros metálicos se saem muito bem. A resiliência também é uma figura de mérito essencial para a montagem por encaixe de materiais sem fixadores. No geral, porém, para aplicações estruturais a baixa rigidez dos vidros metálicos é uma desvantagem.
Resistência e ductilidade: deformação plástica
A resistência teórica de metais cristalinos perfeitos, sem defeitos, é várias ordens de grandeza maior que as resistências medidas em experimentos típicos de laboratório. A diferença existe porque os cristais metálicos inevitavelmente têm defeitos cristalinos (discordâncias) capazes de se mover em tensões relativamente baixas e causar deformação plástica (não recuperável). Como as discordâncias não podem existir numa estrutura amorfa, em princípio a resistência das ligas amorfas deveria se aproximar dos limites teóricos baseados na resistência inerente das ligações atômicas. Como mostra a Tabela 2, a resistência dos vidros metálicos à base de alumínio pode ser duas ou três vezes maior que a das ligas de alumínio convencionais (cristalinas) de alta resistência. Resistências igualmente altas são observadas em outras ligas amorfas; por exemplo, as melhores ligas à base de ferro têm resistência de aproximadamente 4 GPa, de novo duas ou três vezes maior que a dos aços convencionais de alta resistência.10 Resistências tão altas despertam grande interesse por possíveis aplicações estruturais dos vidros metálicos.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Compara a rigidez e a resistência dos vidros metálicos com as de ligas cristalinas; destaca a resistência alta e a menor rigidez.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFfl@IAL ~81: er•tv
of conventional alloys. In this section, we review the mechanical behavior of metallic
glasses, with particular attention to properties of interest for aerospace applications. We
consider actual properties in detail in the section below on applications, where we
compare the properties of metallic glasses with those of other advanced structural
materials.
Stiffness : Elastic Deformation
Stiffness is the resistance of a material to elastic deformation and is quantified by either
the elastic modulus (for tensile or compressive loads) or the shear modulus (for shear
loading). Metallic glasses tend to be somewhat (20 -30 percent) less stiff than
crystalline alloys of similar composition. The lower modulus is a consequence of the
amorphous structure, in which atoms are (on average) slightly farther apart than in a
crystalline alloy, enabling certain atomic relaxations that are not possible in a crystal.
The lower modulus of amorphous alloys is clearly a concern in applications where
stiffness is a primary criterion, but it does present some advantages. For instance,
some applications (springs, for example) require the ability to store elastic strain
energy (resilience), and here metallic glasses do quite well. Resilience is also a key
figure of merit for snap-fit assembly of materials without fasteners. Overall, however,
for structural applications, the low stiffness of meta llic glasses is a disadvantage.
Strength and Ductility : Plastic Deformation
The theoretical strength of perfect, defect -free crystalline metals is several orders of
magnitude larger than strengths measured in typical laboratory experiments. The
difference exists because metallic crystals inevitably have crystalline defects
(dislocations) that are able to move at relatively low stresses and cause plastic
(nonrecoverable) deformation . Because dislocations cannot exist in an amorphous
structure, in principle the strength of amorphous alloys should approach theoretical
limits based on the inherent strength of the atomic bonds. As shown in Table 2, the
strength of aluminum -based metallic glasses can be two or three times greater than
those of conventional (crystalline) high-strength aluminum alloys. Similarly high
strengths are seen for other amorphous alloys; for instance, the best iron -based alloys
have a strength of approximately 4 GPa-again, two or three times greater than those
of conventional high-strength steels.10 Such high strengths create great interest in
potential structural applications of metallic glasses.
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Tabela 2. Comparação das resistências de ligas de alumínio amorfas e cristalinas. Em comparação com a resistência máxima teórica (tomada como μ/30, em que μ é o módulo de cisalhamento do alumínio puro).
Material | Tensão de escoamento (MPa) | % da resistência teórica
Resistência teórica (cristal perfeito, sem defeitos) | 1.600 | -
Liga de alumínio típica de alta resistência (série 7xxx)11 | 400 a 500 | 25 a 31%
Melhor liga de alumínio cristalina12 | 770 | 48%
Vidro metálico à base de alumínio13 | 1.280 | 80%
Infelizmente, a ausência de discordâncias nas ligas amorfas também é seu calcanhar de aquiles. Nas ligas cristalinas, as discordâncias se movem e se multiplicam em resposta às tensões aplicadas, resultando em emaranhados de discordâncias que aumentam a resistência a mais movimento delas. Esse processo, chamado de endurecimento por deformação, é de importância crucial porque torna estável a deformação plástica. Se uma região de um material cristalino cede e começa a se deformar plasticamente, a região em deformação endurece por deformação e, assim, outra região se deformará em seu lugar. O resultado é que a deformação plástica não se concentra, mas se espalha por um grande volume de material. Os vidros metálicos, por não terem discordâncias, não endurecem por deformação e, de fato, amolecem por deformação em resposta à deformação plástica. Isso significa que, assim que qualquer região cede, toda deformação adicional ocorrerá nessa mesma região. Esse processo, conhecido como localização de cisalhamento, leva à formação de bandas de cisalhamento (Figura 4). Em qualquer geometria de carga na qual o vidro metálico sofra tração significativa, a fratura ocorre numa única banda de cisalhamento dominante, com ductilidade à tração essencialmente nula.2 Os vidros metálicos fraturam, portanto, de modo abrupto e aparentemente frágil na escala macroscópica (embora possa haver plasticidade significativa na escala microscópica). Essa falta de ductilidade é motivo evidente de preocupação para projetistas interessados em aplicações estruturais. Além disso, ela limita a capacidade de fabricar os vidros metálicos em diferentes formas por processos de deformação (por laminação ou forjamento, por exemplo) depois da fundição.
____
2 Isso pressupõe que não haja restrição geométrica impedindo a fratura. Algumas geometrias (como a simples flexão) podem envolver carga de tração, mas ainda pode haver deformação plástica significativa, porque as restrições geométricas inibem a propagação de bandas de cisalhamento através do corpo de prova.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Traz a Tabela 2, que compara a resistência de ligas de alumínio cristalinas e amorfas, e explica a localização da deformação em bandas de cisalhamento e a ruptura abrupta sob tração.
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UNCLASSIFIED/ /FOR O&&iliCilial.ls: W&E 8,.L'l
Table 2. Comparison of Strengths of Amorphous and Crystalline
Aluminum Alloys. Compared with the theoretical maximum strength
(taken to be µ/30, where µ is the shear modulus of pure aluminum).
% of Theoretical Yield Stress (MPa) Stren th
Theoret ical
Strength (Defect 1,600
Free Crystal)
Typical High
Strength
Aluminum Alloy 400- 500 25- 31%
(7xxx Series)11
Best Crystalline
Aluminum Alloy 12 770 48%
Aluminum-Based
Metallic Glass13 1,280 80%
Unfortunately, the lack of dislocations in amorphous alloys is also their Achilles' heel. In
crystalline alloys, dislocations move and multiply in response to applied stresses,
resulting in dislocation tangles that increase the resistance to further dislocation
motion . This process, called strain harden ing, is of crucial importance because It makes
plastic deformation stable. If one region of a crystalline material yields and begins to
plastically deform, the deforming region strain hardens, and so another region will
deform instead. The result is that the plastic deformation is not concentrated but rather
spreads through a large volume of material. Metallic glasses, lacking dislocations, do
not strain harden and in fact strain sohen in response to plastic deformation . This
means that as soon as any one region yields, any further deformation will occur in the
same region. This process, known as shear localizati1on, leads to the formation of shear
bands (Figure 4 ). In any loading geometry where the metallic glass experiences
significant tensile loading, fracture occurs on a single dominant shear band with
essentially zero tensile ductility .2 Metallic glasses therefore fracture in an abrupt,
apparently brittle manner on the macroscopic scale (even though there can be
significant plasticity on a microscopic scale). This lack of ductility is of obvious concern
to designers interested in structural applications . Furthermore, it limits the ability to
fabricate metallic glasses into different shapes by deformation processing (by rolling or
forging, for instance) aher casting.
2 This assumes there is no geometrical constrai nt preventing fract ur,e. Some geometries (such as simple bending)
can involve tensile loading, but ther e can still be significant plastic deformation because the geometrica l constraints
Inhibit propagating of shear bands across the specimen.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIGlal.ls: Wii QfilLVConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 13, contando a capa.
TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
[Fotomicrografia, barra de escala de 200 µm.]
Figura 4. Bandas de cisalhamento. Produzidas pela flexão de um vidro metálico à base de zircônio.14
Tenacidade à fratura
A tenacidade à fratura é uma medida da resistência de um material ao crescimento de trincas, propriedade crítica para materiais estruturais submetidos a carga de tração. Em metais muito tenazes, a tenacidade geralmente resulta da deformação plástica que ocorre perto da ponta da trinca em avanço; a deformação plástica exige energia, e a necessidade de fornecer essa energia se traduz em resistência ao crescimento da trinca.3 Apesar da falta de ductilidade à tração, pelo menos alguns vidros metálicos não são frágeis no mesmo sentido que, por exemplo, as cerâmicas, porque podem sofrer deformação plástica significativa em torno da ponta da trinca durante a fratura. Por exemplo, a tenacidade à fratura (KIc) dos vidros metálicos à base de zircônio é de cerca de 20 MPa·m^1/2 15, um pouco menor que os cerca de 55 MPa·m^1/2 típicos das ligas cristalinas de zircônio16, mas muito maior que a tenacidade à fratura das cerâmicas (tipicamente 1 a 5 MPa·m^1/2). O fato de os vidros metálicos serem razoavelmente tenazes apesar da falta de ductilidade à tração sugere que as aplicações estruturais não estão fora de questão.
No entanto, alguns vidros metálicos parecem ser intrinsecamente frágeis, no sentido de que fraturam com apenas uma deformação plástica limitada perto da ponta da trinca e, portanto, têm valores muito baixos de tenacidade à fratura. Por isso, algumas ligas que seriam altamente desejáveis, como os vidros metálicos à base de ferro (por sua alta resistência e baixo custo) e os à base de magnésio (por sua baixa densidade), caem nessa categoria. As origens físicas da diferença entre vidros metálicos intrinsecamente frágeis e os capazes de deformação plástica limitada (e, assim, de alguma tenacidade) não são bem compreendidas.
____
3 Em outros materiais, notadamente os compósitos de matriz polimérica, outros mecanismos de aumento de tenacidade podem ser mais importantes.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Mostra, na Figura 4, bandas de cisalhamento numa fotomicrografia de vidro metálico de zircônio dobrado e discute a tenacidade à fratura.
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UNCLASSIFIED! /FOR err1e11ct l1!1! 614[1
200µm
Figure 4. Shear Bands. Produced by bending of a zirconium -based metallic glass. v,
Fracture Toughness
Fracture toughness is a measure of a material's resistance to growth of cracks, a critical
property for structural materials subjected to tensile loading. In very tough metals, the
toughness usually results from plastic deformation that occurs near the tip of the
advancing crack; plastic deformation requires energy, and the need to provide this
energy translates into resistance to crack growth. 3 Despite their lack of tensile ductility,
at least some metallic glasses are not brittle in the same sense that ceramics are, for
example, because they can experience significant plastic deformation around the crack
tip during fracture. For instance, the fracture toughness (Krc) of zirconium-based
metallic glasses is about 20 MPa-m112 15 -somewhat lower than the "' 55 MPa -m112
typical of crystalline zirconium alloys16 but much greater than the fracture toughness of
ceramics (typically 1-5 MPa-m112). The fact that metallic glasses are reasonably tough
despite their lack of tensile ductility suggests structural applications are not out of the
question.
However, some metallic glasses appear to be intrinsica lly brittle in that they fracture
with only limited plastic deformation near the crack top and thus have very low values
of fracture toughness. For this reason, some alloys t hat would otherwise be highly
desirable, such as iron-based metallic glasses (for their high strength and low cost) and
magnesium-based glasses (for their low density), fa II into this category. The physical
origins of the difference between intrinsically brittle metallic glasses and those capable
of limited plastic deformation (and thus some toughness) are not well understood.
3 In other materials, notably polymer-matr ix composites, other mechanisms of toughening can be more important.
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFIGI.t.k lel&E 0,.LYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 14, contando a capa.
TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
Mesmo alguns vidros metálicos de tenacidade razoável podem ser fragilizados pela exposição a temperaturas elevadas. Isso pode ocorrer na zona afetada pelo calor durante a soldagem (como discutido acima) ou ser um subproduto do processamento na região de líquido super-resfriado (como na moldagem por injeção, por exemplo). As causas da fragilização também não são bem compreendidas, e não se conhece forma de reverter a fragilização depois que ela ocorre.
Fadiga
Fadiga é um processo pelo qual os materiais podem sofrer crescimento incremental de trincas devido a carregamento cíclico, mesmo em tensões bem abaixo da tensão de escoamento. Se nada o detiver, as trincas de fadiga podem crescer até um comprimento crítico no qual ocorre uma fratura catastrófica abrupta. Estima-se que até 90 por cento das falhas de componentes estruturais em serviço sejam causadas por fadiga, o que torna a resistência à fadiga de óbvia importância para os projetistas.
A resistência dos vidros metálicos à fadiga não é muito boa. Uma medida comum da resistência à fadiga é o limite de fadiga: a amplitude de tensão (faixa) abaixo da qual não ocorrerá falha por fadiga, independentemente do número de ciclos de carga que o material sofra. O limite de fadiga das ligas cristalinas de alta resistência é tipicamente de cerca de 40 por cento da resistência à tração, mas nos vidros metálicos é de apenas cerca de 5 por cento da resistência à tração (Figura 5). A razão dessa diferença tem a ver com a estrutura do material. Numa liga cristalina há características microestruturais (como contornos de grão e partículas precipitadas) que podem inibir o crescimento de trincas de fadiga. Nos vidros metálicos, a microestrutura é completamente sem características, e nada impede as trincas de fadiga de crescer depois de iniciadas.
A má resistência dos vidros metálicos à fadiga é uma limitação crítica para aplicações estruturais aeroespaciais, porque implica a necessidade de superdimensionar os componentes para manter as tensões muito abaixo da tensão de escoamento. Assim, grande parte da vantagem de ter um material de alta resistência é perdida. O desejo de melhorar o desempenho dos vidros metálicos em fadiga levou ao desenvolvimento de compósitos de matriz de vidro metálico com propriedades notáveis, como discutido adiante.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Trata da fragilização por calor e da fadiga: o limite de fadiga dos vidros metálicos é de cerca de 5% da resistência à tração, contra cerca de 40% nas ligas cristalinas de alta resistência.
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UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE O14LV
Even some metallic glasses with reasonable toughness may be embrittled by exposure
to elevated temperatures. This may occur in the heat -affected zone during weld ing (as
discussed above), or it may be a by-product of processing in the supercooled liquid
region (as in injection molding, for instance). The causes of embrittlement are also not
well understood, and there is no known way to reverse embrittlement once it occurs.
Fatigue
Fatigue is a process by which materials can experience incremental crack growth owing
to cyclic loading, even at stresses well below the yield stress. If unabated, fatigue
cracks can grow to a critical length at which abrupt catastrophic fracture occurs. Up to
90 percent of failures of structural components in service are estimated to be caused by
fatigue, making fatigue resistance of obvious importance to designers.
The fatigue resistance of metallic glasses is not very good. A common measure of
fatigue resistance is the fatigue limit - the stress amplitude (range) below which no
fatigue failure will occur, regardless of the number of loading cycles the material
experiences. The fatigue limit for high-strength crystalline alloys is typically about 40
percent of the tensile strength, but for metallic glasses, it is only about S percent of the
tensile strength (Figure 5). The reason for this difference has to do with the structure of
the material. In a crystalline alloy, there are microstructural features (such as grain
boundaries and precipitate particles) that can inhibit the growth of fatigue cracks. In
metallic glasses, the microstructure is completely featureless, and there is nothing to
prevent fatigue cracks from grow ing once they have been initiated.
The poor fatigue resistance of metallic glasses is a cr itical limitation for structural
applicat ions in aerospace because it implies a need to overdesign components to keep
the stresses far below the yield stress. Thus, much of the advantage of having a high
strength material in the first place is lost. The desire to improve metallic glasses'
fatigue performance has led to the development of metallic-glass -matrix composites
with outstanding properties, as discussed below.
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TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
[Gráfico da Figura 5. Eixo vertical: amplitude de tensão / resistência última à tração, de 0,01 a 1. Eixo horizontal: número de ciclos até a falha, de 10^3 a 10^8. Rótulos no gráfico: "Compósito dendrítico", "Aço de alta resistência" e "Vidro metálico monofásico". Setas à direita indicam amostras que não falharam.]
Figura 5. Limite de fadiga de vidros metálicos e de compósitos de matriz de vidro metálico. Dados de vida em fadiga de um vidro metálico monofásico à base de zircônio (vermelho) e de um compósito dendrítico de matriz de vidro metálico (azul). Dados representativos de aço (300-M) de resistência à tração semelhante são mostrados para comparação.17 18 19
Resistência ao desgaste
Por causa da alta tensão de escoamento, os vidros metálicos também têm dureza muito alta. Isso, por sua vez, implica que podem ter bom comportamento tribológico, o que seria de particular interesse quando combinado com a boa resistência à corrosão de algumas ligas (ver abaixo), abrindo aplicações potenciais como revestimentos de mancais secos para uso espacial.20 No entanto, a tendência dos vidros metálicos de formar bandas de cisalhamento e (em alguns casos) cristalizar parcialmente por causa da deformação faz com que sua resistência ao desgaste talvez não seja tão boa quanto sua alta dureza sugeriria. Mesmo assim, a resistência ao desgaste dos vidros metálicos ainda pode ser bastante boa e, de fato, um dos principais mercados atuais das ligas amorfas é o de revestimentos resistentes ao desgaste e à corrosão para ferramentas como brocas.
Corrosão e corrosão sob tensão
Costuma-se afirmar que os vidros metálicos têm excelente resistência à corrosão, mas isso nem sempre é verdade. A falta de contornos de grão e de partículas de segunda fase torna alguns vidros metálicos extremamente resistentes à corrosão, mas isso não vale para todas as ligas (algumas das quais oxidam rapidamente no ar). De modo geral, a resistência à corrosão dos vidros metálicos à base de níquel e de ferro é melhor que a das ligas à base de zircônio, titânio e cobre (particularmente em ambientes que contêm íons cloreto).21 Algumas ligas são suscetíveis à corrosão localizada por pites, provavelmente facilitada pela presença de inclusões cristalinas.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Traz o gráfico da Figura 5 (vida em fadiga de vidro metálico, compósito dendrítico e aço) e discute desgaste e corrosão.
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Figure 5. Fatigue Limit of Metallic Glasses and Metallic-Glass-Matrix Composites. Fatigue life data for
single-phase zirconium -based metallic glass (red) and a dendrltlc metallic glass matrix composite (blue).
Representative data for steel (300 -M) of similar tensile strength are shown for comparison .17 16 19
Wear Resistance
Because of their high yield strength, metallic glasses also have very high hardness.
This, in turn, implies they might have good tribological behavior, which would be of
particular interest when combined with the good corrosion resistance of some alloys
(see below), opening up potential applications such as coatings on dry bearings for
space applications. 20 However, the tendency of metallic glasses to form shear bands
and (in some cases) partially crystallize owing to deformation means their wear
resistance is perhaps not as good as their high hardness would suggest. Nevertheless,
the wear resistance of metallic glasses can still be quite good, and in fact one of the
principal current markets for amorphous al loys is as wear- and corrosion-resistant
coatings for tools such as drill bits.
Corrosion and Stress -Corrosion Cracking
It is frequently stated that metallic glasses have excellent corrosion resistance, but this
is not always true. The lack of grain boundaries and second-phase particles makes
some metallic glasses extreme ly resistant to corrosion, but th is is not true of all alloys
(some of which oxidize rapidly in air). Broadly speaking, the corrosion resistance of
nickel- and iron-based metallic glasses is better than that of alloys based on zirconium,
titanium, and copper (particularly in environments containing chloride ions) .21 Some
alloys are susceptible to localized pitting corrosion, probably facilitated by the presence
of crystalline inclusions.
10
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TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
O tema da corrosão sob tensão em vidros metálicos, apesar de sua óbvia importância para aplicações estruturais, recebeu pouca atenção na literatura. O pouco trabalho feito concentrou-se em vidros à base de zircônio, com a observação de que essas ligas são muito suscetíveis à corrosão sob tensão em ambientes aquosos que contêm íons cloreto, provavelmente porque não formam camadas protetoras de óxido na superfície.22
Comportamento mecânico em temperatura elevada
A discussão acima refere-se ao comportamento mecânico em temperaturas bem abaixo da temperatura de transição vítrea. Em temperaturas elevadas, a resistência cai e a deformação plástica passa a um modo homogêneo, ocorrendo em todo o corpo de prova em vez de se localizar em bandas de cisalhamento (Figura 6). Acima da temperatura de transição vítrea, a liga se torna um fluido, com viscosidade que cai exponencialmente com o aumento da temperatura. Como a resistência do material é baixa, temperaturas acima ou abaixo da transição vítrea podem ser úteis para o processamento, como discutido acima. No entanto, a queda de resistência e a tendência à cristalização em temperaturas elevadas impedem o uso de vidros metálicos em aplicações estruturais em temperaturas próximas da temperatura de transição vítrea.
[Gráfico da Figura 6. Eixo vertical esquerdo: tensão normalizada, τ/μ, de 10^-3 a 10^-1; eixo vertical direito: tensão de cisalhamento a 300 K (GPa), de 0,1 a 1. Eixo horizontal: T/Tg, de 0,4 a 1,2. Regiões rotuladas: "Deformação inomogênea (localização de cisalhamento)", "Elástico (fluxo desprezível)", "Não newtoniano", "Deformação homogênea" e "Newtoniano". Linhas tracejadas para taxas de deformação de 10^-10, 10^-6, 10^-3 e 1 s^-1.]
Figura 6. Mapa de deformação de vidros metálicos. Em função da temperatura (normalizada pela temperatura de transição vítrea) e da tensão de cisalhamento aplicada τ (normalizada pelo módulo de cisalhamento, μ). Em tensões altas, a deformação plástica ocorre de forma inomogênea, localizada em bandas de cisalhamento. Em temperaturas altas, a deformação plástica se torna homogênea. As linhas tracejadas representam diferentes taxas de deformação. As tensões absolutas indicadas são representativas do vidro metálico em massa bem estudado Zr41,2Ti13,8Cu12,5Ni10Be22,5, mas espera-se que as características gerais do mapa se apliquem a todos os vidros metálicos.23
11
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Fecha a discussão de corrosão sob tensão e trata do comportamento em alta temperatura; a Figura 6 é um mapa de deformação por temperatura e tensão.
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UNCLASSIFIED//50A OFFIEJIAL ~!! e..c,
The subject of stress-corrosion cracking of metallic glasses, despite its obvious
importan ce for structural applications, has received scant attention in the literature.
What little work that has been done has focused on zirco nium -based glasses, with the
observation that these alloys are very susceptible to stress-corrosion cracking in
aqueous environm ents containing chloride ions, likely owing to the fact that they do not
form protective oxide surface layers. 22
Mechanical Behavior at Elevated Temperature
The discussion above relates to mechanical behavior at temperatures well below the
glass transition temperature. At elevated temperatures, the strength drops and plastic
deformation transitions to a homogeneous mode, occurring throug hout the specimen
instead of being localized into shear bands (Figure 6). Above the glass transit ion
temperature, the alloy becomes a fluid, with a viscosity that drops exponentially with
increasing temperature. Because the strength of the material is low, temperatures
either above or below the glass transition may be useful for processing, as discussed
above. However, the decrease in strength and the tendency for crystallization at
elevated temperat ures preclude use of metallic glasses from structural applications at
temperatures approaching the glass transition temperature.
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Figure 6. Deformation Map for Metallic Glasses. As a funct ion of temperature (normalized to the glass
transition temperatur e) and applied shear stress 1 (norm alized to the shear modulus, µ). At high stresses, plastic
deformation occurs inhomogeneously, being localized into shear bands. At high temperatures, plastic deformation
becomes homogeneous. The dashed lines represent different strai n rates. The absolute stresses given are
representative of the well-studied bulk metallic glass Zr41.2Ti13.8Cu12 .5Ni10Be22.5, but the general features of
the map are expected to apply to all metallic glasses.23
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UNCLASSIFIED/ /iiOA OFFI&iIAt 1!18! 8flt IConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 17, contando a capa.
TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
Outras propriedades: magnéticas, elétricas, ópticas, térmicas e acústicas
Embora a maior parte do interesse atual nos vidros metálicos se concentre em suas propriedades mecânicas, é apropriado considerar outras propriedades de utilidade potencial. Entre elas, destacam-se as propriedades magnéticas dos vidros metálicos ferromagnéticos.24 Existe uma variedade de ligas ferromagnéticas formadoras de vidro, baseadas principalmente em metais de transição (ferro, níquel e cobalto). A presença de elementos de liga (necessários para tornar o material formador de vidro) faz com que a magnetização de saturação dos vidros metálicos não seja tão grande quanto a dos elementos puros. No entanto, algumas ligas amorfas têm coercividade muito baixa (uma medida de quão forte deve ser um campo magnético para mudar a direção da magnetização do material), devido à falta de defeitos cristalinos (como contornos de grão) e de anisotropia magnetocristalina. Além disso, a resistividade elétrica relativamente alta das ligas amorfas (ver abaixo) minimiza as perdas por correntes parasitas causadas pela magnetização e desmagnetização em alta frequência. Algumas ligas amorfas também têm fortes efeitos magnetoelásticos (acoplamento entre propriedades magnéticas, como a suscetibilidade ou a magnetização, e a deformação elástica). As aplicações atuais e futuras potenciais dessas propriedades magnéticas são discutidas adiante.
Como as ligas cristalinas, os vidros metálicos têm elétrons de condução que os tornam condutores elétricos e térmicos,25 embora sua desordem estrutural e o alto teor de elementos de liga os tornem maus condutores. Além disso, num comportamento útil em algumas aplicações, a condutividade dos vidros metálicos não é muito sensível à temperatura; uma exceção é perto do zero absoluto, onde algumas ligas amorfas se tornam supercondutoras.
Outra consequência da estrutura amorfa dos vidros metálicos é que eles tendem a ter amortecimento acústico muito baixo. Isso pode ser útil em aplicações como giroscópios de estrutura vibrante para orientação de veículos.26
Um equívoco comum entre quem ouve falar de vidros metálicos pela primeira vez é pensar que são transparentes. Não é o caso; as ligas amorfas são altamente refletivas, com brilho metálico semelhante ao de outros metais (Figura 7). Isso resulta da presença dos elétrons de condução, que espalham e absorvem a luz incidente.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Resume propriedades magnéticas, elétricas, térmicas, acústicas e ópticas dos vidros metálicos e esclarece que eles não são transparentes.
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UNCLASSIFIED/ /fOK OfflEIAL ~SE 8PtLY
Other Properties: Magnetic, Electrical, Optical, Thermal , and Acoustic
Although most of the current interest in metallic glasses centers on their mechanical
properties, it is appropriate to consider other properties of potential utility. Of these,
the magnetic properties of ferromagnetic metallic glasses stand out. 24 A variety of
ferromagnetic glass-forming alloys exist, mostly based on transition metals (iron,
nickel, and cobalt). The presence of alloying elements (necessary to make the material
glass-forming) means the saturation magnetization of metallic glasses is not as large as
that of the pure elements . However, some amorphous alloys have very low coercivity (a
measure of how strong a magnetic field must be to change the direction of
magnetization of the material) owing to the lack of crystalline defects (such as grain
boundaries) and magnetocrystalline anisotropy. In addition, the relatively high electrical
resistivity of amorphous alloys (see below) minimizes eddy current losses caused by
high-frequency magnetization/demagnetization. Some amorphous alloys also have
strong magnetoelastic effects (coupling between magnetic properties such as
susceptibility or magnetization and elastic strain). Current and potential future
applications of these magnetic properties are discussed below.
Like crystalline alloys, metallic glasses have conduction electrons that make them both
electrically and thermally conductive,25 although their structural disorder and high alloy
content make them poor conductors. In addition, in a behavior that is useful in some
applications, the conductivity of metallic glasses is not very sensitive to temperature;
an exception is near absolute zero, where some amorphous alloys become
superconducting.
Another consequence of tlhe amorphous structure of metallic glasses is that they tend to
have very low acoustic damping. This may be useful in applications such as vibrating
structure gyroscopes for vehicle orientation. 26
A common misperception among those hearing about metallic glasses for the first time
is to think they are transparent. This is not the case; amorphous alloys are highly
reflective, with a shiny luster similar to that of other metals (Figure 7). This is a result
of the presence of the conduction electrons, which scatter and absorb incident light.
12
UNCLASSIFIED/ /EAR O551£1.t.k W&li 8PtLYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 18, contando a capa.
TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19
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[Fotografia de uma peça em forma de cunha, de aspecto metálico brilhante.]
Figura 7. Cunha de vidro metálico fundido. Cunha de um vidro metálico em massa à base de zircônio, produzida por fundição. Note o brilho metálico, típico dos vidros metálicos.27
Compósitos de matriz de vidro metálico
Como discutido acima, a falta de defeitos cristalinos dá aos vidros metálicos alta resistência, mas compromete sua ductilidade e tenacidade à fratura. Em particular, a tendência de a deformação plástica se localizar em bandas de cisalhamento impede que o material se deforme de modo "gracioso". Por isso, não surpreende que tenha havido muitas tentativas de controlar o início e a propagação de bandas de cisalhamento fazendo materiais compósitos formados por partículas ou fibras de algum outro material (mais comumente um metal cristalino dúctil) numa matriz de vidro metálico. A ideia é produzir um material com ductilidade, tenacidade à fratura e propriedades de fadiga melhores, sem (espera-se) sacrificar as qualidades, especialmente a resistência e a flexibilidade de processamento, que tornam os vidros metálicos interessantes desde o início.
PROCESSAMENTO E ESTRUTURA DOS COMPÓSITOS
De modo geral, há dois tipos de compósitos de matriz de vidro metálico: ex situ e in situ. Nos compósitos ex situ, o vidro metálico e a fase cristalina (seja em forma de partículas ou de fibras) são combinados fisicamente, por exemplo adicionando partículas ao fundido antes da fundição. Os compósitos in situ são diferentes porque a fase cristalina é produzida diretamente a partir do fundido (por precipitação) durante o processamento. Essa diferença fundamental de processamento leva a diferenças significativas na estrutura e, portanto, nas propriedades.
13
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: A Figura 7 mostra uma cunha de vidro metálico fundido, para ilustrar o brilho metálico; a página também apresenta os compósitos de matriz de vidro metálico, ex situ e in situ.
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UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPl@IAL WS& 0,u.v
Figure 7. Cast Metallic Glass Wedge. Wedge of a zirconium -based bulk metallic glass produced by
casting. Note t he shiny metallic luster, typical of metallic glasses. 27
Metallic Glass Matrix Composites
As discussed above, the lack of crystalline defects gives metallic glasses high strength
but compromises their ductility and fracture toughness. In part icular, the tendency for
plastic deformation to localize into shear bands prevents the material from deforming in
a "graceful" manner. So it should not be surpris ing that there have been many
attempts to control shear band initiation and propagation by making composite
materials consisting of particles or fibers of some other mater ial (most commo nly a
ducti le crystalline metal) in a metallic glass matrix. The idea is to produce a material
with improved ductility, fracture toughness, and fatigue properties while (hopefully) not
sacrificing the qualities - especially strength and processing flexibility - that make
metallic glasses interesting in the first place.
PROCESSING AND STRUCTURE OF COMPOSITES
Broadly speaking, there are two kinds of metallic glass matrix composites: ex situ and
in situ. In ex situ composites, the metallic glass and the crystalline phase (be it in the
form of particles or fibers) are physically combined, for instance by adding particles to
the melt before casting . In situ composites are different in that the crystalline phase is
produced directly from the melt (by precipitation) during processing . This fundamental
difference in processing leads to significant differences in structure and therefore in
properties.
13
UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPlelAL liS! 8HLVConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 19, contando a capa.
TRECHO 12 · PÁGINA FÍSICA 2
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
Vidros metálicos: situação atual e perspectivas para aplicações aeroespaciais
Preparado por:
Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3)
Escritório de Alerta de Defesa
Diretoria de Análise
Agência de Inteligência de Defesa
Autor:
AAP Person 63
Nota administrativa
AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a disseminação adicional das fotografias desta publicação.
Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a [AAP Person 1], gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100.
ii
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Página de expediente: identifica a divisão da DIA que preparou o relatório, o autor com nome omitido, o programa AAWSA e o aviso de direitos autorais sobre as fotografias.
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UNCLASSIFIED/ j FOR OFFICIJl!tt t,9!! 8HLV
Metallic Glasses: Status and Prospects for Aerospace
Applications
Prepared by:
Acquisition Support Division (DWO-3)
Defense Warning Office
Directorate for Analysis
Defense Intelligence Agency
Author:
AAP Person 63
Administrative Note
COPYRIGHT WARNlNG: Further dissemination of the photographs in this publication is not authorized .
This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009
under the Defense Intellige nce Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace
Weapon System Applications (AAWSA) Program. Comments or
1
uestions pertaining to
this document should be addressed to !AAP Person 1 , AAWSA Program
Manager, Defense Inte lligence Agency, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington,
DC 20340-5100 .
ii
UNCLASSIFIED//P'elt eP'P'!CUlt[ USE 014LfConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 2, contando a capa.
TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
COMPÓSITOS EX SITU
Há duas maneiras básicas de fazer compósitos ex situ, nos quais a matriz de vidro metálico e a fase cristalina são combinadas fisicamente, sem reação química:
• Adicionar partículas cristalinas a um fundido de liga formadora de vidro e depois fundir em condições que permitam à matriz formar um vidro metálico.
• Fazer uma pré-forma de uma fase cristalina (empacotando fibras num molde, por exemplo) e depois fundir a liga formadora de vidro em torno da pré-forma.
As duas abordagens têm limitações. Na primeira, a adição de partículas ao fundido aumenta consideravelmente a viscosidade (que já é bastante alta em relação a ligas não formadoras de vidro), até um ponto em que a fundição se torna impossível. Isso limita a fração de volume de partículas que pode ser adicionada, o que por sua vez limita o controle sobre a microestrutura e, em particular, sobre o espaçamento entre as partículas. Com uma pré-forma, a fração de volume da fase cristalina pode ser muito maior (até cerca de 80 por cento em volume), mas então o problema é como infiltrar o fundido de alta viscosidade na pré-forma sem deixar vazios e, ao mesmo tempo, garantir um resfriamento suficientemente rápido para formar uma matriz vítrea. Nas duas abordagens, reações interfaciais entre a fase cristalina e o fundido podem causar cristalização parcial ou completa da matriz, degradando as propriedades mecânicas.
COMPÓSITOS IN SITU
A dificuldade de fazer compósitos ex situ satisfatórios levou ao desenvolvimento de uma nova abordagem, na qual a fase cristalina é precipitada diretamente do fundido, seja durante a fundição28 ou numa etapa separada antes da fundição.29 30 A precipitação durante a fundição, embora mais fácil, é problemática do ponto de vista prático porque variações na taxa de resfriamento (da superfície ao centro de uma peça fundida, por exemplo) levam a variações significativas na estrutura e, portanto, nas propriedades.
Um dos avanços recentes mais promissores na área dos vidros metálicos é o desenvolvimento de compósitos in situ nos quais a fase cristalina é precipitada na forma de dendritos, seja durante a fundição (Figura 8) ou mantendo a liga em temperatura elevada antes da fundição.31 Escolhendo adequadamente a composição da liga, o tempo de permanência e a temperatura, a fração de volume, o tamanho e o espaçamento da fase dendrítica podem ser controlados. Esse controle dá grande flexibilidade para determinar as propriedades mecânicas do material resultante. Como a fase cristalina é produzida antes da fundição, a variação da taxa de resfriamento ao longo da peça fundida é muito menos importante, embora a taxa de resfriamento ainda precise ser alta o bastante para garantir que a matriz forme um vidro ao esfriar. Uma vez formada a matriz vítrea, o compósito pode ser reaquecido acima da temperatura de transição vítrea, o que permite a conformação termoplástica de modo semelhante ao dos vidros metálicos monofásicos (como descrito acima). Por fim, a presença da segunda fase dendrítica permite processos de deformação (por exemplo, laminação a frio ou forjamento) semelhantes aos das ligas cristalinas.32
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Compara as dificuldades dos compósitos ex situ com o controle de dendritos dúcteis nos compósitos in situ.
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UNCLASSIFIED//iiOA. OiiiiICI0I. Pili O111.V
EX SITU COMPOSIT ES
There are two basic ways of making ex situ composites, in which the metallic glass
matrix and the crystalline phase are combined physically, without a chemical reaction:
• Add crystalline particles to a melt of a glass-forming alloy and then cast under
conditions that allow the matrix to form a metalliic glass.
• Make a preform of a crystalline phase (by packing fibers into a mold, for instance)
and then cast the glass-forming alloy around the preform.
Both approaches have lim itat ions. In the first, the addition of particles to the melt
increases the viscosity (which is already quite high relative to non-glass-form ing alloys)
considerably, ultimately to a point where casting becomes impossi ble. This limits the
volume fraction of particles that can be added, which in turn limits the control one has
over the microstructure and, in particular, the spacing of the particles. With a perform,
the volume fraction of the crystalline phase can be much higher (up to about 80
percent by volume), but the problem then is how to infiltrate the high-viscosity melt
into the preform without leaving voids and while still ensuring sufficiently rapid cooling
to form a glassy matrix. With both approaches, interfacial reactions between the
crystalline phase and the melt can cause partial or complete crystallization of the
matrix, degrading the mechanical properties.
IN SITU COMPOSITES
The difficulty of making satisfactory ex situ composites has led to the development of a
new approach in which the crystalline phase is precipitated directly from the melt,
either during casting28 or in a separate step prior to casting. 29 30 Precipitation during
casting, although easier, is problematic from a practical standpoint because variations
in the cooling rate (from the surface to the center of a casting, for instance) lead to
significant variations in structure and, hence, in properties.
One of the most promising recent advances in the metallic glass field is the
development of in situ composites in which the crystalline phase is precipitated as
dendrites, either during casting (Figure 8) or by holding the alloy at an elevated
temperature prior to casting. 31 By suitably choosing alloy composition, holding time,
and temperature, the volume fraction, size, and spacing of the dendritic phase can be
controlled. This control provides great flexibility in determining the mechanical
properties of the resulting material. Because the crystalline phase is produced prior to
casting, variation in the cooling rate across the casting is much less important, though
the cooling rate must still be sufficiently high to ensure the matrix forms a glass during
cooling. Once the glassy matrix is formed, the composite can be reheated above the
glass transition temperature, allowing for thermopla stic forming in a manner similar to
single-phase metallic glasses (as described above). Finally, the presence of the
dendritic second phase allows for deformation processes (for example, by cold rolling or
forging), similar to crystalline alloys. 32
14
UNCLASSIFIED/ /FOR OPPICIAL l:IS& 0PIL¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 20, contando a capa.
TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
[Micrografias (a) e (b) de um compósito in situ de matriz de vidro metálico.]
Figura 8. Microestrutura de um compósito in situ de matriz de vidro metálico. Com dendritos cristalinos dúcteis. (a) Micrografia eletrônica de varredura mostrando os dendritos (cinza-claro) na matriz vítrea (cinza-escuro). (b) Compósito após deformação plástica; note a multiplicidade de degraus de deslizamento, que indicam extensa interação das bandas de cisalhamento com os dendritos.33
A principal limitação desses compósitos in situ é que nem todo sistema de ligas é capaz de formá-los. Embora qualquer liga forme fases cristalinas em temperaturas elevadas, em geral as fases cristalinas que se formam são intermetálicos frágeis, que degradam em vez de melhorar as propriedades mecânicas. Para ser eficaz no controle das bandas de cisalhamento, a fase precipitada precisa ser dúctil, ter módulo de cisalhamento menor que o da matriz vítrea e (de preferência) formar-se como dendritos. Até hoje, os únicos relatos publicados de sistemas que satisfazem esses critérios dizem respeito a ligas baseadas em metais de transição iniciais, notadamente zircônio e titânio. Se compósitos in situ podem ser desenvolvidos em outros sistemas de ligas é algo que ainda resta ver.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS COMPÓSITOS
A capacidade de produzir uma microestrutura mista amorfo-cristalina oferece a capacidade de controlar a formação e a propagação de bandas de cisalhamento. Os materiais resultantes podem ter boa resistência à fratura e à fadiga, mantendo a alta resistência e a flexibilidade de processamento associadas aos vidros metálicos.
A origem desses efeitos está relacionada ao desenvolvimento de uma região de deformação plástica na ponta de uma trinca em avanço. Para uma trinca que se abre sob carga de tração, o tamanho da região plástica é dado aproximadamente por:
R_p ≈ (1/2π) · (K_Ic / σ_y)², (Equação 1)
em que K_Ic é a tenacidade à fratura em deformação plana (mencionada acima) e σ_y é a tensão de escoamento. O tamanho da zona plástica varia de ~1 µm para os vidros metálicos "intrinsecamente frágeis" a ~1 mm para os vidros capazes de alguma deformação plástica.34 Se o material tem estrutura nessa escala de comprimento (ou se a própria amostra tem esse tamanho), então
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Traz a Figura 8, com micrografias de um compósito de matriz vítrea com dendritos, e a Equação 1, que estima o tamanho da zona plástica na ponta de uma trinca.
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Figure 8. Microstructure of In Situ Metallic Glass Matrix Composite. With ductile crystal line dendrites .
(a) Scanning electron micrograph showing the dendrites (light gray) in the glassy matrix (dark gray) .
(b) Composite after plastic deformation; note the multiplicity of slip steps, indicating extensive
interaction of shear bands with the dendrltes .33
The key limitat ion of these in situ composites is that not every alloy system is capable
of forming them. While any alloy will form crystalline phases at elevated temperatures,
usually the crystalline phases that form are brittle intermetallics that degrade rather
than enhance the mechanical properties. To be effective in controlling shear bands, the
precipitated phase needs to be ductile, have a shear modulus lower than that of the
glassy matrix, and (preferably) form as dendrites. To date, the only published reports
of systems that satisfy these criteria concern alloys based on early transition metals,
notably zirconium and titanium. Whether in situ composites can be developed in other
alloy systems remains to be seen.
MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITES
The ability to produce mixed amorphous -crystalline microstructure provides the ability
to control the formation and propagation of shear bands. The resulting materials can
have good fracture and fatigue resistance while retaining the high strength and
processing flexibility associated with metallic glasses.
The origin of these effects is related to the development of a region of plastic
deformation at the tip of an advancing crack. For a crack opening under tensile loading,
the size of the plastic region is approximately given by:
(Equation 1)
where Kie is the plane-strain fracture toughness (mentioned above) and crv is the yield
strength. The size of the plastic zone varies from ~1 µm for "int rinsically britt lle"
metallic glasses to ,.., 1 mm for glasses capable of some plastic deformation. 34 If the
material has structure on this length scale (or if the sample itself is of this size), the n
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a deformação pode prosseguir de maneira estável, pela geração e subsequente contenção de bandas de cisalhamento. A chave do projeto de compósitos é produzir uma microestrutura com a escala de comprimento correta para impedir que as bandas de cisalhamento em propagação se tornem trincas catastróficas. Isso se revela relativamente difícil com compósitos ex situ, pelas razões de processamento descritas acima. Como resultado, os compósitos dendríticos in situ, desenvolvidos recentemente, têm as propriedades mais promissoras, e concentramos neles o restante da discussão.
RESISTÊNCIA E DUCTILIDADE: DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Como em outros materiais compósitos, a tensão de escoamento dos compósitos de matriz de vidro metálico pode ser aproximada por uma simples regra das misturas baseada na fração de volume das duas fases. Como as fases cristalinas dúcteis úteis para limitar a propagação de bandas de cisalhamento são mais fracas que a matriz amorfa, ao produzir um compósito algum sacrifício de resistência é inevitável. No entanto, os ganhos em ductilidade à tração podem ser significativos. Por exemplo, os vidros metálicos monolíticos à base de titânio (como todos os vidros metálicos) têm ductilidade à tração essencialmente nula, mas foram relatados compósitos in situ à base de titânio com alongamento à tração de até 12 por cento.35 Isso é comparável à ductilidade da Ti-6Al-4V (a liga de titânio convencional mais comum), mas num material com resistência cerca de 30 por cento maior. As propriedades dos compósitos de matriz de vidro metálico e de materiais mais convencionais são comparadas adiante.
FRATURA E FADIGA
O desenvolvimento de uma zona plástica estável significa que é necessária energia adicional para a propagação da trinca, o que torna os compósitos in situ muito mais resistentes à fratura e à fadiga que os vidros monofásicos. Por exemplo, a tenacidade à fratura em deformação plana de alguns compósitos in situ à base de zircônio pode ultrapassar 170 MPa·m^1/2, 7 vezes maior que a dos vidros monofásicos e maior que a de praticamente qualquer outra liga metálica.36 Essa resistência à propagação de trincas também se manifesta num melhor desempenho em fadiga. A resistência à fadiga dos compósitos in situ à base de zircônio é de 20 a 30 por cento da resistência à tração; em comparação, os vidros metálicos monolíticos têm resistência à fadiga de apenas ~5 por cento da resistência à tração.37 A resistência à fadiga dos compósitos in situ é, portanto, comparável à das ligas estruturais convencionais.
Aplicações aeroespaciais dos vidros metálicos
APLICAÇÕES ESTRUTURAIS
As propriedades-chave dos materiais para aplicações estruturais aeroespaciais são:
• Resistência.
• Rigidez (módulo de Young).
• Densidade (peso).
• Tenacidade à fratura (tolerância a danos).
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Descreve compósitos de titânio com alongamento de até 12% e compósitos de zircônio com tenacidade e resistência à fadiga muito superiores às dos vidros monofásicos; começa a lista de critérios para uso aeroespacial.
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deformation can proceed in a stable manner by generation and subsequent arrest of
shear bands. The key to composite design is to produce a microstructure with t he
correct length scale to prevent propagating shear bands from becoming catastrophic
cracks. This turns out to be relatively difficult with ex situ composites, for reasons of
processing described above. As a result, the recently developed dendritlc in situ
composites have the most prom ising properties, and we focus the remainder of our
discussion on them.
STRENGTH AND DUCTILITY: PLASTIC DEFORMATION
As with other composite materials, the yield strength of metallic glass matrix
composites can be approx imated as a simple rule of mixtures based on the volume
fract ion of the two phases. Because the ductile crystalline phases useful for limit ing
shear band propagation are weaker than the amorphous matrix, in producing a
composite, some sacrifice in strength is inevitable. However, the gains in tensi 'le
ductility can be significant. For instance, monolithic titanium -based metallic glasses
(like all metallic glasses) have essentially zero tensile ductility, but in situ composites
based on titanium have been reported with tensile elongation as large as 12 percent. 35
This is comparable to the ductility of Ti-6Al-4V (the most common convent ional
titan ium alloy), but in a material with about 30 percent greater strength. The properties
of metallic glass matrix composites and more conventional materials are further
compared below.
FRACTURE AND FATIGUE
The development of a stable plastic zone means additional energy is required for crack
propagation, making in situ composites much more resistant to fracture and fatigue
than are single-phase glasses. For instance, the plane-strain fracture toughness of
some zirconium -based in situ composites can exceed 170 MPa m112- 7 times greater
than that of single-phase glasses and greater than that of virtually any other metallic
alloy. 36 This resistance to crack propagation is also manifested as improved fatigue
performance. The fatigue strength of the zirconium-based in situ composites is 20-30
percent of the tensile strength; in comparison, monolithic metallic glasses have a
fatigue strength of only~ 5 percent of the tensile strength. 37 The fatigue strength of
the in situ composites is thus comparable to that of conventional structural alloys.
Aerospace Applications of Metallic Glasses
STRUCTURAL APPLICATIONS
The key properties of materials for structural applications in aerospace are:
• Strength.
• Stiffness (Young's modulus) .
• Density (weight) .
• Fracture toughness (damage tolerance) .
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• Resistência à fadiga (incluindo a resistência tanto ao início quanto ao crescimento de trincas de fadiga).
• Resistência à corrosão (incluindo a corrosão sob tensão).
• Custo (incluindo matérias-primas, conformação e montagem).
A Figura 9 ilustra as propriedades mecânicas dos vidros metálicos e dos compósitos de matriz de vidro metálico em comparação com outros materiais estruturais. Como o peso é uma preocupação particular em aplicações aeroespaciais, na Figura 9(a) normalizamos tanto a tensão de escoamento (σy) quanto a rigidez (E) pela densidade (ρ); dois materiais com a mesma resistência específica (σy/ρ) ou a mesma rigidez específica (E/ρ) poderiam ser usados para produzir um componente com a mesma resistência ou rigidez global, respectivamente, com o mesmo peso. Os materiais no canto superior direito do gráfico têm a melhor combinação de resistência e rigidez para um dado peso. Note que os vidros metálicos (e os compósitos dendríticos) podem ser mais resistentes que praticamente todos os metais cristalinos, embora a rigidez dos vidros metálicos tenda a ser um pouco menor que a de ligas cristalinas de composição semelhante.
A Figura 9(b) ilustra a tolerância a danos dos vidros metálicos em comparação com outros materiais. Ao traçar a tenacidade à fratura (KIc) contra o módulo (E), podemos também comparar a energia de fratura (GIc ≈ (KIc)²/E) dos materiais; as linhas diagonais tracejadas são linhas de energia de fratura constante. A Figura 9(b) revela vários aspectos interessantes da tolerância a danos dos vidros metálicos. Primeiro, embora a tenacidade à fratura de alguns vidros metálicos seja comparável à dos metais cristalinos, alguns vidros metálicos, notadamente os à base de ferro (Fe) e de magnésio (Mg), são tão frágeis quanto qualquer cerâmica. Segundo, tanto a tenacidade à fratura quanto a energia de fratura dos compósitos dendríticos de matriz de vidro metálico podem ser superiores às de todos os metais, exceto os mais resistentes à fratura.
Essas considerações sugerem que os compósitos dendríticos de matriz de vidro metálico poderiam de fato encontrar aplicações como materiais estruturais em aeronaves e/ou espaçonaves. As aplicações mais óbvias seriam substituir o aço em certos componentes nos quais a resistência é crítica, mas o espaço é limitado. Entre eles poderiam estar estruturas de pilone e trem de pouso,38 embora ainda não tenha sido demonstrado que os compósitos possam ser fabricados nos tamanhos necessários. Além disso, a resistência à corrosão e à corrosão sob tensão desses materiais não foi totalmente avaliada.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Lista os critérios de materiais estruturais aeroespaciais e sugere que compósitos dendríticos possam substituir o aço em componentes sob limitação de espaço, ressalvando que a fabricação em tamanho real e a corrosão ainda não foram demonstradas.
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UNCLASSIFIED/ /FOA &FFI&IAb lltSE 8HL'l
• Fatigue resistance (including resistance to both fatigue crack initiation and fatigue
crack growth).
• Corrosion resistance (including stress-corrosion cracking).
• Cost (including raw materials, shaping, and assembly).
Figure 9 illustrates the mechanical properties of metallic glasses and metallic glass
matrix composites compared with other structural materials. Since weight is a
particular concern in aerospace applications, in Figure 9(a) we normalize both yield
strength (cry) and stiffness (E) to density (p); two materials with the same specific
strength (cry /p) or specific stiffness (E/p) could be used to produce a component with
the same overall strength or stiffness, respectively, at the same weight. Materials in the
upper-right corner of the plot have the best combination of strength and stiffness for a
given weight. Notice that the metallic glasses (and dendritic composites) can be
stronger than virtually all crystalline metals, although the stiffness of metallic glasses
tends to be somewhat smaller than that of crystalline alloys of similar composition.
Figure 9(b) illustrates the damage tolerance of metallic glasses compared with other
materials. By plott ing the fracture toughness (Klc) against modulus (E), we can also
compare the fracture energy (Glc ~ (Klc)2/E) of the materials; the dashed diagonal
lines are lines of constant fracture energy . Figure 9(b) reveals several interesting
aspects of the damage tolerance of metallic glasses. First, although the fracture
toughness of some metallic glasses is comparable to that of crystalline metals, some
metallic glasses- most notably those based on iron (Fe) and magnesium (Mg) - are as
brittle as any ceramic. Second, both the fracture toughness and the fracture energy of
the dendritic metall ic glass matrix composites can be superior to those of all but the
most fracture-resistant metals.
These considerations suggest the dendritic metallic glass matrix composites might
indeed find applications as structural materials in aircraft and/or spacecraft . The most
obvious applications would be to replace steel in certain components where strength is
critical but space is limited. These might include pylon structures and landing gear,38
although it has yet to be demonstrated that the composites can be fabricated in the
sizes necessary. Furthermore, the corrosion and stress-corrosion cracking resistance of
these materials has not been fully evaluated.
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[Figura 9, dois gráficos de propriedades de materiais.
(a) Eixo vertical: resistência específica, σy/ρ (MPa m³ kg⁻¹), de 0,001 a 1. Eixo horizontal: rigidez específica, E/ρ (MPa m³ kg⁻¹), de 0,1 a 100. Regiões rotuladas: vidros metálicos, compósitos dendríticos, madeira (ao longo do grão), titânio, alumínio, carbeto de silício, alumina, CFRP (iso), GFRP (iso), polímeros, náilon, PEEK, espumas poliméricas, papel, cortiça, madeira (através do grão), biológicos, cerâmicas e metais (cristalinos).
(b) Eixo vertical: tenacidade à fratura, KIc (MPa √m), de 1 a 100. Eixo horizontal: rigidez, E (GPa), de 1 a 1000. Regiões rotuladas: compósitos dendríticos (à base de Zr e à base de Ti), vidros metálicos, aços de baixa liga, superligas à base de níquel, titânio, metais, zircônia, nitreto de silício, carbeto de silício, polímeros, PET, papel, madeira dura (ao longo do grão), CFRP (iso), GFRP (iso), biológicos, compensado, cerâmicas; ligas de vidro metálico Zr41,2Ti13,8Cu12,5Ni10Be22,5, Ce-Al-Ni-Cu, Mg-Cu-Tb e Fe-Mn-Mo-Cr-C-B indicadas. Linhas tracejadas de energia de fratura constante (GIc).]
Figura 9. Gráficos de propriedades de materiais. (a) Resistência e rigidez (ambas normalizadas pela densidade) de vidros metálicos (amarelo) e de compósitos dendríticos de matriz de vidro metálico (vermelho) em comparação com outros materiais. (b) Tolerância a danos. Neste gráfico, as linhas tracejadas representam contornos de igual energia de fratura. Nos dois gráficos, os compósitos poliméricos (CFRP e GFRP) são representados por médias isotrópicas; compósitos de fibra contínua podem ter maior resistência e rigidez na direção paralela às fibras.39
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Dois gráficos de propriedades comparam a resistência e a rigidez específicas e a tenacidade à fratura de vidros metálicos, compósitos dendríticos e materiais comuns.
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Figure 9. Materials Property Charts. (a) Strength and stiffness (both norma lized to density) of meta llic glasses
(yellow) and dendrltic metall ic glass matrix composites (red) compared with other mater ials. (b) Damage
tolerance. On this plot, the dashed lines represent contours of equal fracture energy. In both plots, polymer
composites (CFRP and GFRP) are represented by Isotropic averages; continuous fiber composites can have greater
strength and stiffness In a direction parallel to the flbers.39
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UNCLASSIFIED/ /liiOA. OfifilQl.t.k lel&& 8HLY
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As espumas de vidro metálico (ver acima) também oferecem possibilidades intrigantes para aplicações estruturais. Mostrou-se recentemente que espumas de vidro metálico com resistência notável podem ser formadas controlando o tamanho dos ligamentos entre os poros.40 Trata-se de um desenvolvimento novo, e essas espumas não foram totalmente caracterizadas, mas parece provável que espumas otimizadas tenham rigidez específica (E/ρ) superior à das espumas poliméricas, junto com alta resistência e amortecimento acústico. Tais espumas estruturais poderiam ser úteis em aplicações que exigem resistência e rigidez sob cargas de compressão, como painéis estruturais para edifícios extraterrestres. É concebível que essas espumas estruturais possam até ser produzidas no local (a partir de matéria-prima bruta), reduzindo o volume de material que precisa ser lançado.
Uma última possibilidade é que os vidros metálicos sejam combinados com compósitos poliméricos em materiais laminados de fibra e metal. Laminados semelhantes (com ligas de alumínio cristalinas) estão sendo empregados em grande quantidade no novo Airbus 380 e provavelmente terão uso crescente no futuro.41 O uso de vidros metálicos nesses laminados é atraente por sua alta resistência específica (embora a rigidez específica seja menor que a do alumínio). Além disso, as camadas individuais do laminado são suficientemente finas para que uma ampla gama de ligas formadoras de vidro possa ser considerada (em contraste com seções estruturais mais espessas, que serão limitadas pela capacidade de formação de vidro da liga).
OUTRAS APLICAÇÕES
Os vidros metálicos monolíticos são únicos entre os materiais metálicos por não terem microestrutura em escalas de comprimento maiores que poucos espaçamentos atômicos. Em princípio, portanto, os vidros metálicos deveriam ser capazes de reproduzir detalhes até essa escala. Essa possibilidade é facilitada pela capacidade de os vidros metálicos serem conformados na faixa de temperatura do líquido super-resfriado, com viscosidade controlável. De fato, já foi demonstrada a conformação superplástica de superfícies de vidro metálico com detalhes de apenas 13 nanômetros.42 Essa capacidade poderia ser explorada para a estampagem direta de nanoestruturas em polímeros ou outros materiais. Estruturas nessa escala de comprimento também são potencialmente úteis como redes de difração para radiação ultravioleta e de raios X moles.
Numa área relacionada, os vidros metálicos têm uma variedade de propriedades úteis para aplicação em atuadores de sistemas microeletromecânicos (MEMS), incluindo grandes deformações elásticas e alta resiliência (armazenamento de energia de deformação elástica), boa resistência à corrosão e ao desgaste e excelente acabamento de superfície.43 A escala desses dispositivos é menor que o tamanho da zona plástica (Equação 1 acima), o que torna improvável a fratura frágil. Além disso, uma variedade muito maior de ligas amorfas pode ser feita em forma de filme fino (por deposição de vapor) do que é possível por fundição.
Por fim, as propriedades magnéticas de certas ligas amorfas são exploradas há muito tempo. Por exemplo, sua baixa coercividade e alta resistividade elétrica tornam as ligas amorfas ferromagnéticas atraentes como transformadores elétricos de alta eficiência, particularmente em altas frequências. É provável que tais aplicações continuem por muito tempo no futuro.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Propõe espumas e laminados estruturais, citando painéis para edifícios extraterrestres como cenário futuro, e descreve usos em nanoconformação, MEMS e transformadores.
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UNCLASSIFIED/ /&OR OFFIQlal.ls: W&& 8rtLY
Metallic glass foams (see above) also provide intriguing possibilities for structural
applications. It has recently been shown that metall ic glass foams with outstanding
strength can be formed by controlling the size of the ligaments between pores. 40 This is
a new development, and these foams have not been fully characterized, but it seems
likely that optimized foams will have a specific stiffness (E/p) superior to that of
polymer foams, along with high strength and acoustic damping. Such structural foams
could be useful in applications requiring strength and stiffness under compressive loads,
such as structural panels for extraterrestrial buildings. Conceivably, such structural
foams might even be produced on site (from raw feedstock), reducing the volume of
material that needs to be launched.
A final possibility is that metallic glasses might be combined with polymer composites
into metal-fiber laminate materials. Similar laminates (with crystalline aluminum alloys)
are being employed in large quantities on the new Airbus 380 and are likely to find
increased application in the future. 41 The use of metallic glasses in these laminates is
appealing because of their high specific strength (although the specific stiffness is lower
than that of aluminum). Furthermore, the individual layers in the laminat e are
sufficiently thin that a wide range of glass-forming alloys might be considered (in
contrast to thicker structural sections, which will be limited by the glass-forming ability
of the alloy).
OTHER APPLICATIONS
Monolithic metallic glasses are unique among metallic materials in having no
microstructure at length scales of more than a few atomic spacings. In principle then,
metallic glasses should be capable of replicating features down to this scale. This
possibility is facilitated by the ability of metallic glasses to be formed in the supercooled
liquid temperature range with controllable viscosity . Indeed, superplastic forming of
metallic glass surfaces with features as small as 13 nanometers has been
demonstrated. 42 This ability could be exploited for direct embossing of nanostructures
in polymers or other materials. Structures on this length scale are also potentially
useful as diffraction gratings for ultraviolet and so~ x-ray radiation.
In a related area, metallic glasses have a variety of useful properties for application in
micro-electromechanical system (MEMS) actuators, including large elastic strains and
high resilience (elastic strain energy storage), good corrosion and wear resistance, and
an excellent surface finish. 43 The scale of these devices is smaller than the plastic zone
size (Equation 1 above), making brittle fracture unlikely. Furthermore, a much wider
variety of amorphous alloys can be made in thin film form (by vapor deposition) than is
possible by casting.
Finally, the magnetic properties of certain amorphous alloys have long been exploited.
For instance, their low coercivity and high electrical resistivity make ferromagnetic
amorphous alloys attractive as high-efficiency electrical transformers, particularly at
high frequencies. Such applications are likely to continue well into the future.
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UNCLASSIFIED/ /F8R 8ffl@IAL 1?181: 8,.LYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 25, contando a capa.
TRECHO 19 · PÁGINA FÍSICA 26
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Desafios atuais e perspectivas para o futuro
PROJETO DE LIGAS
Uma limitação crítica da tecnologia atual dos vidros metálicos (e dos compósitos relacionados) é a relativa escassez de ligas com boa capacidade de formação de vidro. As melhores ligas formadoras de vidro baseiam-se em elementos caros (por exemplo, paládio) ou contêm elementos tóxicos (por exemplo, berílio nas melhores ligas à base de zircônio e de titânio). Para aplicações aeroespaciais, a falta mais gritante é que, apesar de esforços significativos de projeto de ligas nos Estados Unidos (por meio do programa Metais Amorfos Estruturais da DARPA), no Japão, na China e em outros lugares, não há boas ligas formadoras de vidro à base de alumínio. As tentativas de fazer componentes de vidro metálico à base de alumínio por consolidação de pós amorfos tiveram sucesso limitado. De modo semelhante, todos os bons vidros metálicos à base de ferro contêm quantidades consideráveis de elementos não metálicos (notadamente carbono, boro, silício e/ou fósforo), que se acredita contribuírem para a tenacidade à fratura muito baixa dessas ligas (Figura 9(b)).
No entanto, há motivo para esperar que mais progresso seja possível. Resultados experimentais recentes mostraram que algumas das "regras" empíricas de capacidade de formação de vidro44 são, na verdade, bastante flexíveis, e que essa capacidade é muito mais sensível à composição do que se havia percebido antes.45 Portanto, é altamente provável que algumas composições excelentes de ligas formadoras de vidro ainda estejam por ser descobertas, possivelmente incluindo vidros de baixa densidade à base de alumínio.
Identificar essas boas ligas formadoras de vidro será um desafio. A maior parte do desenvolvimento de ligas até hoje foi feita por abordagem de força bruta, mas é provável que técnicas combinatórias46 permitam uma triagem muito mais rápida. Uma questão é a identificação de métricas adequadas de capacidade de formação de vidro, já que as abordagens combinatórias usam filmes finos depositados por vapor, e não está claro quais características desses filmes se correlacionam com a capacidade de formação de vidro no material em massa. Do mesmo modo, o desenvolvimento continuado de técnicas de dinâmica molecular ab initio deve permitir identificar ligas candidatas por simulações de computador, particularmente à medida que os computadores aumentam de potência.
Uma área que recebeu atenção insuficiente é a influência das condições de processamento sobre a capacidade de formação de vidro. Por exemplo, a aplicação de vibrações eletromagnéticas durante o resfriamento supostamente aumenta de modo significativo a capacidade de formação de vidro de vidros metálicos à base de magnésio.47 Essa abordagem poderia, em princípio, ser aplicada a outras ligas, possivelmente ampliando muito a faixa de ligas e composições que podem ser produzidas como vidros metálicos em massa.
PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS E PROCESSAMENTO TERMOPLÁSTICO
A maior parte do interesse prático nos vidros metálicos monofásicos (monolíticos) se concentra na possibilidade de processamento termoplástico próximo ou acima da temperatura de transição vítrea. No entanto, as propriedades e o comportamento termofísicos dos vidros metálicos não são bem compreendidos. Por exemplo, a viscosidade do fundido de vidro metálico (ou do líquido super-resfriado) é de importância crítica, mas não sabemos como e por que a composição da liga influencia a viscosidade. Do ponto de vista da engenharia, os aspectos práticos da moldagem de vidros metálicos estão apenas começando a ser explorados. Certamente muitos
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Aponta a falta de ligas leves adequadas, o custo e o berílio tóxico, propõe triagem combinatória e simulação computacional e registra um relato de vibração eletromagnética no resfriamento de ligas de magnésio.
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UNCLASSIFIED//POlll OPPIE!IAL WS& 0,u.v
Current Challenges and Prospects for the Future
ALLOY DESIGN
A critical limitation of existing metallic glass technology (and related composites) is the
relative dearth of alloys with good glass-forming ability. The best glass-forming alloys
are either based on expensive elements (for example, palladium) or contain toxic
elements (for example, beryllium in the best zirconium- and titanium-based alloys). For
aerospace applications, the most glaring lack is that, despite significant alloy design
efforts in the United States (through the DARPA Structural Amorphous Metals program),
Japan, China, and elsewhere, there are no good glass-forming alloys based on
aluminum. Attempts to make aluminum-based metallic glass components by
consolidating amorphous powders have met with limited success. Similarly, all of the
good iron-based metallic glasses contain considerable amounts of nonmetallic elements
(notably carbon, boron, silicon, and/or phosphorus), which are thought to contribute to
the very low fracture toughness of these alloys (Figure 9(b)).
However, there is reason to expect that further progress is possible. Recent
experimental results have shown that some of the empirical "rules" of glass-forming
ability 44 are actually quite flexible, and that glass-forming ability is much more sensitive
to composition than had been previously appreciated. 45 So it is highly probable that
some excellent glass-formin g alloys compositions remain to be discovered, possibly
including some low-density glasses based on aluminum.
Identifying these good glass-forming alloys will be a challenge. Most alloy development
to date has been done with a brute-force approach, but combinatorial techniques 46 re
likely to enable much more ra pid screening. One issue is identification of suitable
metrics for glass-forming ability, since the combinatorial approaches use vapor
deposited thin films, and it is not clear what characteristics of such a film correlate with
glass-forming ability in the bulk. Similarly, continued development of ab initio molecular
dynamics techniques should enable identification of candidate alloys from computer
simulations, particularly as computers continue to increase in power.
One area that has received insufficient attention is the influence of processing
conditions on glass-forming ability. For instance, application of electromagnetic
vibrations during cooling reportedly significantly enhances the glass-forming ability of
magnesium-based metallic glasses.47 This approach could, in princ iple, be applied to
other alloys, possibly greatly extending the range of alloys and compositions that can
be produced as bulk metallic glasses.
THERMOPHYSICAL PROPERTIES AND THERMOPLASTIC PROCESSING
Most of the practical interest in single-phase (monolithic) metallic glasses centers on
the potential for thermoplastic processing near to or above the glass transition
temperature. However, the thermophysical properties and behavior of metallic glasses
are not well understood. For instance, the viscosity of the metallic glass melt (or
supercooled liquid) is of critical importance, but we do not know how and why alloy
composition influences viscosity. From an engineering point of view, the practical
aspects of molding of metallic glasses are just beginning to be explored. Certainly many
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UNCLASSIFIED/ /iOlil OfiFiliCiili.t.k WS& 8HL¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 26, contando a capa.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
paralelos podem ser traçados com a conformação termoplástica de polímeros, mas certamente haverá também muitas diferenças.
Os desenvolvimentos continuados nessa área têm alta probabilidade de resultar na capacidade de produzir peças complexas de forma final numa única etapa de processamento. Essa facilidade de processamento poderia compensar o maior custo das matérias-primas dos vidros metálicos, tornando-os competitivos numa faixa muito mais ampla de aplicações. Além disso, como observado acima, a capacidade de reproduzir detalhes extremamente pequenos (< 20 nanômetros) em vidros metálicos provavelmente será explorada na fabricação de dispositivos nanoestruturados.48 49
Por fim, o desenvolvimento de espumas de vidro metálico continuará e será auxiliado por um melhor entendimento das propriedades termofísicas. É altamente provável que espumas sejam produzidas numa ampla gama de ligas formadoras de vidro e que sejam desenvolvidas técnicas para o controle preciso da porosidade, do tamanho dos poros, do tamanho dos ligamentos e da conectividade. Isso permitirá adaptar as propriedades dessas espumas a aplicações específicas.
COMPÓSITOS E A BUSCA POR DUCTILIDADE
Do ponto de vista das aplicações estruturais, a localização da deformação plástica em bandas de cisalhamento é o maior desafio isolado, porque essa tendência limita a ductilidade à tração, a tenacidade à fratura e a resistência à propagação de trincas de fadiga dos vidros metálicos. Pode muito bem não haver solução para esse problema nos vidros metálicos monolíticos, pela simples razão de que eles não têm microestrutura que interaja com as bandas de cisalhamento.
É provável que o progresso ocorra em duas frentes. Primeiro, está hoje bem estabelecido que algumas ligas são inerentemente frágeis, no sentido de que sofrem muito pouca deformação plástica em torno da ponta de uma trinca, enquanto outras ligas apresentam deformação plástica extensa (embora localizada em bandas de cisalhamento). A razão precisa dessa diferença não é compreendida atualmente, mas parece provável que será esclarecida com a continuação do trabalho sobre os aspectos fundamentais da deformação plástica e da fratura. Isso provavelmente levará ao desenvolvimento de novas ligas com tenacidade à fratura razoável, embora não com ductilidade à tração. No entanto, mesmo isso será um passo importante se essas ligas puderem ser usadas como matrizes de compósitos.
Segundo, para obter ductilidade à tração, parece ser necessário haver algumas características microestruturais que interajam com as bandas de cisalhamento. Além disso, a escala de comprimento da microestrutura é claramente um parâmetro crítico para deter a propagação de bandas de cisalhamento. De novo, as razões precisas disso não são conhecidas, mas é bem provável que a pesquisa continuada leve a um melhor entendimento das interações entre partículas de segunda fase e bandas de cisalhamento.
No momento, a abordagem mais promissora para produzir materiais compósitos com a escala de comprimento microestrutural adequada é a formação de compósitos dendríticos, como discutido acima. Uma limitação crítica é que esse processo foi demonstrado em apenas duas ligas muito próximas entre si e não parece ser um fenômeno geral. Infelizmente, nosso entendimento da termodinâmica e da formação de fases em ligas multicomponentes complexas não permite prever a priori quais ligas são capazes de produzir dendritos dúcteis numa matriz formadora de vidro. Até que esse entendimento seja desenvolvido, a descoberta de novos materiais compósitos dendríticos continuará sendo uma questão de tentativa
21
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Prevê avanços na moldagem e nas espumas, mas ressalva que a ductilidade à tração exige microestruturas que contenham as bandas de cisalhamento e que os compósitos dendríticos eficazes eram raros.
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UNCLASSIFIED/ ,'POI\ OP'P'ICIAL USE ONLf
parallels can be drawn with thermoplastic forming of polymers, but there are certain to
be many differences as well .
Continued developments in this area are highly likely to result in the ability to produce
complex net-shape parts in a single processing step. This ease of processing could
offset the higher raw materials costs for metallic glasses, making them competitive in a
much wider range of applications. Furthermore, as noted above, the ability to replicate
extremely small features ( < 20 nanometers) in metallic glasses is likely to be exploited
in the manufacture of nanostructured devices.48 49
Finally, development of metallic glass foams will continue and will be aided by improved
understanding of thermophysical properties . It is highly likely that foams will be
produced in a wide range of glass-form ing alloys, and that techn iques will be developed
for precise control of the porosity, pore size, ligament size, and connectivity. This will
allow the properties of these foams to be tailored to particular applications.
COMPOSITES AND THE QUEST FOR DUCTILITY
From the point of view of structural applications, localization of plastic deformation into
shear bands is the single biggest challenge because this tendency limits the tensile
ductility, fracture toughness, and fatigue crack resistance of metallic glasses. There
may well be no solution to this problem for monolithic metallic glasses, for the simple
reason that they lack any microstructure to interact with shear bands.
Progress is likely to occur on two fronts. First, it is now well established that some
alloys are inherently brittle, in the sense that they experience very little plastic
deformation around a crack tip, while other alloys show extensive plastic deformation
(albeit localized into shear bands). The precise reason for this difference is not
understood at present, but it seems likely that it willl be resolved with continued work
on fundamental aspects of plastic deformat ion and fracture . This is likely to lead to
development of new alloys with reasonable fracture toughness, although not to tensile
ductility . However, even this will be an important step if such alloys can be used as
matrices for composites.
Second, in order to achieve tensile ductility, it appears to be necessary to have some
microstructural features to interact with shear bands. Furthermore, the length scale of
the microstructure is clearly a critical parameter in arresting shear band propagation.
Again, the precise reasons for this are not known, but continued research quite likely
will lead to an improved understand ing of the interactions between second-phase
particles and shear bands.
At present, the most promising approach to producing composite materials with the
proper microstructural length scale is the formation of dendritic composites, as
discussed above. A critica 'I limitation is that this process has been demonstrated in only
two, closely related alloys and does not appear to be a general phenomenon .
Unfortunately, our understanding of thermodynamics and phase formation in complex
multicomponent alloys is not such that we can predict a priori which alloys are capable
of producing ductile dendrites in a glass-forming matrix. Until that understanding is
developed, discovery of new dendritic composite materials will remain a matte r of trial
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIO! 11SF AN! XConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 27, contando a capa.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
e erro. Os benefícios potenciais são significativos, porém, porque existe a possibilidade de fazer materiais com resistência, tenacidade à fratura e resistência à fadiga excepcionalmente altas.
Resumo e recomendações
Os vidros metálicos combinam algumas das propriedades mecânicas vantajosas dos metais (resistência, rigidez e, em alguns casos, tenacidade) com a flexibilidade de processamento normalmente associada aos polímeros termoplásticos. A ausência de defeitos cristalinos permite que os vidros metálicos sejam muito mais resistentes que as ligas convencionais, mas também significa que têm ductilidade à tração quase nula e má resistência à fadiga. Em aplicações estruturais, portanto, é mais provável que os vidros metálicos sejam úteis sob a forma de compósitos formados por dendritos cristalinos dúcteis numa matriz de vidro metálico. Esses compósitos dendríticos sacrificam parte da resistência, mas podem ter tenacidade à fratura excepcionalmente alta, além de boa resistência à fadiga, e poderiam substituir aços de alta resistência em certos componentes estruturais de veículos aeroespaciais, sujeitos a limitação de carga, nos quais o espaço é restrito.
Por serem vidros verdadeiros, a conformação termoplástica próxima da temperatura de transição vítrea dá aos vidros metálicos enorme flexibilidade de processamento. Por exemplo, componentes de vidro metálico podem ser formados numa única etapa (por exemplo, por moldagem por injeção) em geometrias complexas que seriam difíceis ou impossíveis de produzir com ligas convencionais. Além disso, espumas de vidro metálico podem ser feitas com relativa facilidade, o que levanta a possibilidade de produzir espumas estruturais de alta resistência e rigidez. Por fim, como não têm estrutura de grãos cristalinos, os vidros metálicos podem ser usados para formar detalhes em escala nanométrica com alta fidelidade. Isso pode torná-los úteis numa variedade de aplicações em sistemas microeletromecânicos (MEMS).
Os vidros metálicos também têm limitações significativas para aplicações aeroespaciais, porém. A principal delas é a falta de boas ligas formadoras de vidro; em particular, não há boas ligas formadoras de vidro ricas em alumínio, as ligas conhecidas à base de titânio são relativamente densas (devido às altas concentrações de elementos de liga) ou contêm berílio, e as ligas conhecidas à base de magnésio e de ferro são todas bastante frágeis, com baixa tenacidade à fratura. Embora os compósitos de matriz de vidro metálico possam ter propriedades notáveis (particularmente resistência e tenacidade à fratura), o número de bons sistemas de compósitos conhecidos hoje também é bastante limitado.
Para que os vidros metálicos (e seus compósitos) tenham utilidade ampla em aplicações estruturais aeroespaciais, é necessário avançar nas seguintes áreas:
• Desenvolvimento de novas ligas leves e novos sistemas de compósitos, de preferência por abordagens computacionais e/ou combinatórias, e não por tentativa e erro.
• Compreensão do comportamento mecânico, especialmente:
– O efeito da composição e da estrutura da liga sobre a deformação plástica.
– O projeto microestrutural de compósitos para tenacidade ótima.
• Desenvolvimento de técnicas de processamento, incluindo o processamento termofísico de detalhes complexos e/ou em escala nanométrica, bem como a produção de espumas de vidro metálico.
22
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Seção final de resumo e recomendações: repete as conclusões do resumo e recomenda novas ligas leves, estudo da deformação plástica e processamento de geometrias finas e espumas.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /POK orr1e11ct tt!I! er•t f
and error. The potential benefits are significant, however, because there exists the
possibility of making materials with exceptionally high strength, fracture toughness,
and fatigue resistance.
Summary and Recommendations
Metallic glasses combine some of the advantageous mechanical properties of metals
strength, stiffness, and in some cases toughness - with the processing flexibility usually
associated with thermoplastic polyme rs. The absence of crystalline defects allows
metallic glasses to be much stronger than conventional alloys but also means they have
near-zero tensile ductility and poor fatigue resistance. In structural applications,
therefore, metallic glasses are most likely to be useful in the form of composites
consisting of ductile crystalline dendrites in a metallic glass matrix. These dendritic
composites sacrifice some strength but can have exceptionally high fracture toughness,
as well as good fatigue resistance, and could replace high-strength steels in certain
load-limited structural components in aerospace vehicles where space is limited.
Because they are true glasses, thermoplastic forming near the glass transition
temperature affords metallic glasses tremendous flexibility in processing. For instance,
metallic glass components can be formed in a single step (for example, by injection
molding) in complex geometries that would be difficult or impossible to produce with
conventional alloys. In addition, metallic glass foams can be made with relative ease,
raising the possibility of making structural foams with high strength and stiffness.
Finally, because they lack a crystalline grain structure, metallic glasses can be used to
form nanoscale features with high fidelity. This may make metallic glasses useful in a
variety of micro -electromechanical systems (MEMS) applications.
Metallic glasses also have significant limitations for aerospace applications, however.
Foremost among these is a lack of good glass-forming alloys; in particular, there are no
good aluminum -rich glass-forming alloys, the known titanium-based alloys are either
relatively dense ( owing to high concentrations of alloying elements) or contain
beryllium, and the known magnesium- and iron-based alloys are all quite brittle, with
low fracture toughness. Although metallic glass matrix composites can have
outstanding properties (particularly strength and fracture toughness), the number of
good composite systems known at present is also quite limited.
For metallic glasses (and their composites) to be of broad utility in aerospace structural
applications, progress in the following areas is required:
• Development of new lightweight alloys and composite systems, preferably lby
computational and/or combinatorial approaches rather than by trial and error .
• Understanding of mechanical behavior, especially:
- The effect of alloy compos ition and structure on plastic deformation .
- Microstructural design of composites for optimal toughness .
• Development of processing techniques, including thermophysical processing of
complex and/or nanoscale features as well as production of metallic glass foams.
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UNCLASSIFIED/ /EAR OFFICIO! !!&i ONL¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 28, contando a capa.
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É altamente provável que o trabalho continuado nos próximos 20 a 50 anos resulte em avanços significativos em todas essas áreas, e que os vidros metálicos e os compósitos de matriz de vidro metálico tenham aceitação crescente como materiais estruturais. Se alcançarão ou não uso generalizado em aplicações aeroespaciais, porém, depende de forma crítica do desenvolvimento de novas ligas leves.
[referências bibliográficas no original: notas 1 a 39, com artigos científicos, capítulos de livros e bases de dados de materiais. Os elementos descritivos são: nota 11 e 12, dados do banco de dados MatWeb; nota 14 e 23, gráficos reproduzidos de artigo de Schuh, Hufnagel e Ramamurty (Acta Materialia, 2007) com permissão da editora Elsevier; micrografia original de Conner, Johnson, Paton e Nix (2003); nota 27, fotografia de Todd Hufnagel; nota 33, gráficos reproduzidos do mesmo artigo, com arte original de Charlie Hays, do Caltech; nota 39, dados de materiais do Cambridge Materials Selector.]
23
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Fecha o texto principal, com a projeção de aceitação futura dos vidros metálicos condicionada ao desenvolvimento de ligas leves, e começa a lista de referências bibliográficas.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ ,«FOA 8FFI&ilal.k W&& 8rtLY
It is highly likely that continued work over the next 20-50 years will result in significant
advances in all these areas, and that meta llic glasses and metallic glass matr ix
composites will see increasing acceptance as structural materials. Whether or not they
achieve widespread use in aerospace applications, however, depends critica lly on the
developme nt of new, lightweight alloys.
J Z. P. Lu, Y. Liu, and C. T. Liu, Chapter 4 In Bulk Metallic Glasses, M. Miller and P. K. Liaw, eds. (Springe r, 2009).
2 H. Men, W. T. Kim, and D. H. Kim, Mater. Trans. 44, 2142 (2003).
3 A. Peker and W. L. Johnson, Appl. Phys. Lett. 63, 2342 {1993).
4 N. Nishiyama and A, Inoue, Mater. Trans. JIM 37, 1531 (1996),
5 W. Zhang, Q. S. Zha ng, and A. Inoue, Mater. Trans. 50, 679 (2009).
6 J. Schroers and W. L. Johnson, Appl. Phys. Lett. 84, 3666 (2004 ).
7 F. Guo, H. Wang, S. J. Poon, and G. J. Shiflet, Appl. Phys. Lett. 86, 091907 (2005).
8 V. Ponnambalam, S. J. Poon, and G. J. Shiflet, J. Mater. Res. 19, 1320 (2004) .
9 A. H. Brothers and D. C. Dunand, Scripta Mater. 54, 513 (2006) .
10 x. J. Gu, s. J. Poon, and G. J. Shiflet, J. Mater. Res. 22, 344 (2007) .
11 Data from MatWeb, <www.matweb.com >.
12 Data from MatWeb, <www.matweb.com>.
13 Y. He, G. M. Dougherty, G. J. Slhiflet, and S. J. Poon, Acta Metall. Mater. 41, 337 (1993) .
14 Graphic reproduced from C. A. Schuh, T. C. Hufnagel, and U. Rammamurty, Acta Mater. 55, 4067 (2007) and
used with the permission of Elsevier, Ltd . Original micrograph Is from R. D. Conner, W. L. Johnson, N. E. Paton,
and W. D. Nix, J. Appl. Phys. 94,904 (2003).
15 P. Lowhaphandu and J. J. Lewandwoskl, Scripta Mater. 38, 1811 (1998) .
16 Data from MatWeb, <www.matweb.com> .
17 C. J. GIibert, V. Schroeder, and R. 0 . Ritchie, Metall. Mater. Trans. A 30, 1739 (1999).
18 B. Menzel and R. H. Dauskardt, Acta Mater. 54, 935 (2006).
19 M. E. Launey, D. C. Hofmann, W. L. Johnson, and R. 0. Ritchie, Proc. Nat. Acad. Sci. 106, 4986 (2009) .
20 A. L. Greer, K. L. Rutherford, and I. M. Hutchings, Int. Mater. Rev. 47, 87 (2002 ).
21 B. A. Green, P. K. Liaw, and R. A. Buchanan, Chapter 8 In Bulk Metallic Glasses, M. Miller and P. K.Llaw, eds.
(Springer, 2009) .
22 V. Schroeder and R. 0. Ritchie, Acta Metall. 54, 1785 (2006).
23 Graphic reproduced from C. A. Schuh, T. C. Hufnagel, and U. Rammamurty, Acta Mater. 55, 4067 (2007) and
used with the permission of Elsevier, Ltd.
24 A. Hernando and M. Vazquez, Ch. 17 in Rapidly Solidified Alloys, H. H. Liebermann, ed. (Marcel Dekker, 1993).
25 T. Richmond and H.J. Guntherodt, Ch. 14 In Rapidly Solidified Alloys, H. H. Liebermann, ed. (Marcel Dekker,
1993) .
26 C. Haan, D. Camel, B. Drevet, and J. M. Pelletier, Meta ll. Mater. Trans. A 39, 1791 (2008).
27 Photograph by Todd Hufnagel.
28 C. C. Hays, C. P. Kim, and W. L. Johnson, Phys. Rev. Lett. 84, 2901 (2000).
29 C. Fan, R. T. Ott, and T. C. Hufnagel, Appl. Phys. Lett. 81, 1020 (2002).
30 D. Hofmann, J.-Y. Suh, A. Wiest, G. Duan, M.L. Lind, M. D. Demetriou, and W. L. Johnson, Nature 451, 1085
{2008).
31 D. Hofmann, J.-Y. Suh, A. Wiest, G. Duan, M.L. Lind, M. D. Demetriou, and W. L. Johnson, Nature 451, 1085
(2008).
32 D. Hofmann, J.-Y. Suh, A. Wiest, G. Duan, M.L. Lind, M. D. Demetriou, and W. L. Johnson, Nature 451, 1085
(2008) .
33 Graphics reproduced from C. A. Schuh, T. C. Hufnagel, and U. Rammamurty , Acta Mater. 55, 4067 (2007) and
used with the permission of Elsevier, Ltd. Original artwork provided by Charlie Hays, Caltech.
34 M. F. Ashby and A. L. Greer, Scrlpta Mater . 54, 321 (2006).
35 D. C. Hofmann, J.Y. Suh, A. Wiest, M.L. Lind, M. D. Demetriou, and W. L. Johnson, Proc. Nat. Acad. Sci. 105,
20136 (2008) .
36 D. Hofmann, J.-Y. Suh, A. Wiest, G. Duan, M.L. Lind, M. D. Demetriou, and W. L. Johnson, Nature 451, 1085
(2008).
37 M. E. Launey, D. C. Hofmann, W. L. Johnson, and R. 0 . Ritchie, Proc. Nat. Acad. Sci. 106, 4986 {2009) .
38 N. Barrington and M. Black, Ch. 1 In Aerospace Materials, B. Cantor, H. Assender, and P. Grant, eds. (Institute of
Physics, 1998).
39 Data for metallic glasses are from X. J. Gu, S. J. Poon, and G. J. Shiflet, J. Mater. Res. 22, 344 (2007); D.
Hofmann, J.-Y. Suh, A. Wiest, G. Duan, M.L. Lind, M. D. Demetriou, and W. L. Johnson, Nature 451, 1085 (2008);
M. F. Ashby and A. L. Greer, Scripta Mater. 54, 321 (2006); D. C. Hofmann, J.Y. Suh, A. Wiest, M.L. Lind, M. D.
Demetriou, and W. L. Johnson, Proc. Nat. Acad. Sci. 105, 20136 (2008); J. J. Lewandowski, W. H. Wang, and A. L.
Greer, Phil. Mag. Lett. 85, 77 (2005). Data for other materials are from Cambridge Materials Selector,
<http://www.grantadesign.com/>.
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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI&iIAk Wili Ofilk¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 29, contando a capa.
TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 3
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
Sumário
Resumo ........ v
Vidros metálicos ........ 1
Estrutura ........ 1
Processamento ........ 2
Ligas formadoras de vidro ........ 2
Fundição e moldagem ........ 4
União ........ 5
Espumas ........ 5
Filmes finos e revestimentos ........ 5
Comportamento mecânico próximo da temperatura ambiente ........ 5
Rigidez: deformação elástica ........ 6
Resistência e ductilidade: deformação plástica ........ 6
Tenacidade à fratura ........ 8
Fadiga ........ 9
Resistência ao desgaste ........ 10
Corrosão e corrosão sob tensão ........ 10
Comportamento mecânico em temperatura elevada ........ 11
Outras propriedades: magnéticas, elétricas, ópticas, térmicas e acústicas ........ 12
Compósitos de matriz de vidro metálico ........ 13
Processamento e estrutura dos compósitos ........ 13
Compósitos ex situ ........ 14
Compósitos in situ ........ 14
Propriedades mecânicas dos compósitos ........ 15
Resistência e ductilidade: deformação plástica ........ 16
Fratura e fadiga ........ 16
Aplicações aeroespaciais dos vidros metálicos ........ 16
Aplicações estruturais ........ 16
Outras aplicações ........ 19
iii
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Primeira página do sumário do relatório, com a estrutura de capítulos sobre vidros metálicos, compósitos e aplicações aeroespaciais.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL 1:181!!! flNLY
Contents
Summary ................................................................................................................. v
Metallic Glasses ...................................................................................................... 1
Structure ............................................................................................................ 1
Processing.......................................................................................................... 2
Glass-Forming Alloys ...................................................................................... 2
Casting and Molding ............. ................................................... ....................... 4
Joining ........................................................................................................... 5
Foams ................................................................................................. ............ 5
Thin Films and Coatings ................................................................................. 5
Mechanical Behavior Near Room Temperature ............................................... 5
Stiffness: Elastic Deformation ........................................................................ 6
Strength and Ductility: Plastic Deformation ................................................... 6
Fracture Toughness ........................................................................................ 8
Fatigue ........................................................................................................... 9
Wear Resistance ........................................................................................... 10
Corrosion and Stress-Corrosion Cracking ..................................................... 10
Mechanical Behavior at Elevated Temperature ............................................. 11
Other Properties: Magnetic, Electrical, Optical, Thermal, and Acoustic ........ 12
Metallic Glass Matrix Composites ......................................................................... 13
Processing and Structure of Composites .......................................................... 13
Ex Situ Composites ........................................................................................... 14
In Situ Composites ................................... ........................................................ 14
Mechanical Properties of Composites ............................................................... 15
Strength and Ductility: Plastic Deformation ..................................................... 16
Fracture and Fatigue ........................................................................................ 16
Aerospace Applications of Metallic Glasses .......................................................... 16
Structural Applications ..................................................................................... 16
Other Applications ............................................................................................ 19
iii
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl&IAL YSE ONLI/Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 3, contando a capa.
TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 30
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
[referências bibliográficas no original: notas 40 a 49, com artigos científicos e livros sobre espumas de vidro metálico, o material laminado Glare, nanoconformação, regras de formação de vidro e triagem combinatória.]
24
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Última página: continuação das referências bibliográficas do relatório.
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UNCLASSIFIED/f POI\ OPPlelAL tt!II!! 8HLY
40 M. D. Demetriou, C. Veazey, J. S. Harmon, J. P. Schramm, and W. L. Johnson, Phys. Rev. Lett. 101, 145702
(2008).
41 C. Vermeeren, ed. Around Glare : A New Aircraft Material In Context (Kluwer, 2002) .
42 D. V. Louzguine-Luzgin, D. 8. Miracle, and A. Inoue, Adv. Eng. Mater . 10, 1008 (2008).
4J A. L. Greer, Materials Today 12(1-2), 14 (2009) .
44 D. V. Louzguine-Luzgin, D. 8. Miracle, and A. Inoue, Adv. Eng. Mater. 10, 1008 (2008) .
45 Y. LI, Q. Guo, J. A. Kalb, and C. V. Thompson, Science 322, 1816 (2008) .
46 Y. LI, Q. Guo, J. A. Kalb, and C. V. Thompson, Science 322, 1816 (2008).
'17 T. Tamura, K. Amiya, R. S. Rachmat, Y. Mizutani, and K. Miwa, Nature Mater. 4, 289 (2005).
48 G. Kumar, H. X. Tang, and J. Schroers, Nature 457, 868 (2009).
49 A. L. Greer, Materials Today 12(1 · 2), 14 (2009) .
24
UNCLASSIFIED/ /FOA OFFIGI.t.k lel&E 8,.LYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 30, contando a capa.
TRECHO 25 · PÁGINA FÍSICA 4
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
Desafios atuais e perspectivas para o futuro ........ 20
Projeto de ligas ........ 20
Propriedades termofísicas e processamento termoplástico ........ 20
Compósitos e a busca por ductilidade ........ 21
Resumo e recomendações ........ 22
Figuras
1. Estrutura amorfa versus cristalina ........ 1
2. Taxa crítica de resfriamento ........ 2
3. Exemplos de processamento de vidros metálicos ........ 4
4. Bandas de cisalhamento ........ 8
5. Limite de fadiga de compósitos de matriz de vidro metálico ........ 10
6. Mapa de deformação de vidros metálicos ........ 11
7. Cunha de vidro metálico fundido ........ 13
8. Microestrutura de um compósito in situ de matriz de vidro metálico ........ 15
9. Gráficos de propriedades de materiais ........ 18
Tabelas
1. Ligas selecionadas formadoras de vidro em massa ........ 3
2. Comparação das resistências de ligas de alumínio amorfas e cristalinas ........ 7
iv
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Segunda página do sumário, com a lista de figuras e tabelas do relatório.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /f8R 8FFI&IJA. W&& e,u.v
Current Challenges and Prospects for the Future ....................................... .......... 20
Alloy Design .................................................... ....... ................................ .......... 20
Thermo physical Properties and Thermoplastic Processing ..................... .......... 20
Composites and the Quest for Ductility ................ ................... ........ ......... .... .... ... 21
Summary and Recommendations ............................................................... .......... 22
Figures
1. Amorphous Versus Crystalline Structure ................................................ ............ 1
2. Critical Cooling Rate ............................................................................... ............ 2
3. Examples of Processing of Metallic Glasses ............................................ ............ 4
4. Shear Bands ........................................................................................... ............ 8
5. Fatigue Limit of Metallic-Glass-Matrix Composites ................................. .......... 10
6. Deformation Map for a Metallic Glasses ........................ .......................... .......... 11
7. Cast Metallic Glass Wedge ...................................................................... .......... 13
8. Microstructure of In Situ Metallic Glass Matrix Composite ...................... .......... 15
9. Materials Property Charts ....................................................................... .......... 18
Tables
1. Selected Bulk Glass-Forming Alloys ........................................................ ............ 3
2. Comparison of Strengths of Amorphous and Crystalline Aluminum Alloys ........ . 7
iv
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIOIAL 1:18! 8HLYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 4, contando a capa.
TRECHO 26 · PÁGINA FÍSICA 5
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL
Vidros metálicos: situação atual e perspectivas para aplicações aeroespaciais
Resumo
Os vidros metálicos combinam algumas das propriedades mecânicas vantajosas dos metais (resistência, rigidez e, em alguns casos, tenacidade) com a flexibilidade de processamento normalmente associada aos polímeros termoplásticos. A ausência de defeitos cristalinos permite que os vidros metálicos sejam muito mais resistentes que as ligas convencionais, mas também significa que têm ductilidade à tração quase nula e má resistência à fadiga. Em aplicações estruturais, portanto, é mais provável que os vidros metálicos sejam úteis sob a forma de compósitos formados por dendritos cristalinos dúcteis numa matriz de vidro metálico. Esses compósitos dendríticos sacrificam parte da resistência, mas podem ter tenacidade à fratura excepcionalmente alta, além de boa resistência à fadiga, e poderiam substituir aços de alta resistência em certos componentes estruturais de veículos aeroespaciais, sujeitos a limitação de carga, nos quais o espaço é restrito.
Por serem vidros verdadeiros, a conformação termoplástica próxima da temperatura de transição vítrea dá aos vidros metálicos enorme flexibilidade de processamento. Por exemplo, componentes de vidro metálico podem ser formados numa única etapa (por exemplo, por moldagem por injeção) em geometrias complexas que seriam difíceis ou impossíveis de produzir com ligas convencionais. Além disso, espumas de vidro metálico podem ser feitas com relativa facilidade, o que levanta a possibilidade de produzir espumas estruturais de alta resistência e rigidez. Por fim, como não têm estrutura de grãos cristalinos, os vidros metálicos podem ser usados para formar detalhes em escala nanométrica com alta fidelidade. Isso pode torná-los úteis numa variedade de aplicações em sistemas microeletromecânicos (MEMS).
Os vidros metálicos também têm limitações significativas para aplicações aeroespaciais, porém. A principal delas é a falta de boas ligas formadoras de vidro; em particular, não há boas ligas formadoras de vidro ricas em alumínio, as ligas conhecidas à base de titânio são relativamente densas (devido às altas concentrações de elementos de liga) ou contêm berílio, e as ligas conhecidas à base de magnésio e de ferro são todas bastante frágeis, com baixa tenacidade à fratura. Embora os compósitos de matriz de vidro metálico possam ter propriedades notáveis (particularmente resistência e tenacidade à fratura), o número de bons sistemas de compósitos conhecidos hoje também é bastante limitado.
Portanto, para que os vidros metálicos (e seus compósitos) tenham utilidade ampla em aplicações estruturais aeroespaciais, é necessário avançar nas seguintes áreas:
• Desenvolvimento de novas ligas leves e novos sistemas de compósitos, de preferência por abordagens computacionais e/ou combinatórias, e não por tentativa e erro.
• Compreensão do comportamento mecânico, especialmente:
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Início do resumo do relatório: vantagens e limitações dos vidros metálicos para uso aeroespacial e áreas em que seria preciso avançar.
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UNCLASSIFIED//FOR err1e1J1tt t,91! 014[1
Metallic Glasses: Status and Prospects for Aerospace
Applications
Summary
Metallic glasses combine some of the advantageous mechanical properties of
metals-strength, stiffness, and in some cases toughness-with the processing
flexibility usually associated with thermoplastic polymers. The absence of
crystalline defects allows metallic glasses to be much stronger than
conventional alloys but also means they have near-zero tensile ductility and
poor fatigue resistance. In structural applications, therefore, metallic glasses
are most likely to be useful in the form of composites consisting of ductile
crystalline dendrites in a metallic glass matrix. These dendritic composites
sacrifice some strength but can have exceptionally high fracture toughness, as
well as good fatigue resistance, and could replace high-strength steels in
certain load-limited structural components in aerospace vehicles where space
is limited.
Because they are true glasses, thermoplastic forming near the glass transition
temperature affords metallic glasses tremendous flexibility in processi 'ng. For
instance, metallic glass components can be formed in a single step (for
example, by injection molding) in complex geometries that would be difficult
or impossible to produce with conventional alloys. In addition, metallic glass
foams can be made with relative ease, raising the possibility of making
structural foams with high strength and stiffness. Finally, because they lack a
crystalline grain structure, metallic glasses can be used to form nanoscale
features with high fide ity. This may make metallic glasses useful in a variety
of micro-electromechanical systems (MEMS) applications.
Metallic glasses also have significant limitations for aerospace applications,
however. Foremost among these is a lack of good glass-forming alloys; in
particular, there are no good aluminum-rich glass-forming alloys, the known
titanium-based alloys are either relatively dense (owing to high
concentrations of alloying elements) or contain beryllium, and the known
magnesium- and iron-based alloys are all quite brittle, with low fracture
toughness. Although metallic glass matrix composites can have outstanding
properties (particularly strength and fracture toughness), the number of good
composite systems known at present is also quite limited.
Therefore, in order for metallic glasses (and their composites) to be of broad
utility in aerospace structural applications, progress in the following areas is
required:
• Development of new lightweight alloys and composite systems, preferably
by computational and/or combinatorial approaches rather than by trial and
error.
• Understanding of mechanical behavior, especially:
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UNCLASSIFIED/ /liiAR AfifilCIAk lel&E 8,.L'&'Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 5, contando a capa.
TRECHO 27 · PÁGINA FÍSICA 6
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– O efeito da composição e da estrutura da liga sobre a deformação plástica.
– O projeto microestrutural de compósitos para tenacidade ótima.
• Desenvolvimento de técnicas de processamento, incluindo o processamento termofísico de detalhes complexos e/ou em escala nanométrica, bem como a produção de espumas de vidro metálico.
É altamente provável que o trabalho continuado nos próximos 20 a 50 anos resulte em avanços significativos em todas essas áreas, e que os vidros metálicos e os compósitos de matriz de vidro metálico tenham aceitação crescente como materiais estruturais. Se alcançarão ou não uso generalizado em aplicações aeroespaciais, porém, depende de forma crítica do desenvolvimento de novas ligas leves.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Fim do resumo: projeta avanços ao longo de 20 a 50 anos, condicionados ao desenvolvimento de ligas leves.
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UNCLASSIFIED/ /F8R 8ffl@IAL ~SI! 8HLY
- □ The effect of alloy composition and structure on plastic deformation.
- 0Microstructural design of composites for optimal toughness.
• Development of processing techniques, including thermophysical
processing of complex and/or nanoscale features as well as production of
metallic glass foams.
It is highly likely that continued work over the next 20-50 years will result in
significant advances in all these areas, and that metallic glasses and metallic
glass matrix composites will see increasing acceptance as structural materials.
Whether or not they achieve widespread use in aerospace applications,
however, depends critically on the development of new, lightweight alloys.
vi
UNCLASSIFIED//509 AEEICJOL: 1155 OIIL:VConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 6, contando a capa.
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Vidros metálicos
ESTRUTURA
A estrutura em escala atômica da maioria dos metais e ligas é cristalina; isto é, os átomos se organizam de modo altamente ordenado numa rede periódica nas três dimensões, como mostra a Figura 1(a). Em contraste com essa estrutura cristalina, os vidros metálicos não têm a ordem de longo alcance de uma rede e por isso são chamados de amorfos, como mostra a Figura 1(b). Embora a palavra "amorfo" sugira ausência completa de ordem estrutural, na verdade a estrutura atômica dos vidros metálicos não é verdadeiramente aleatória. Restrições de empacotamento atômico geram forte ordem de curto alcance; por exemplo, em média os átomos têm um determinado número de vizinhos atômicos mais próximos a uma distância bem definida. Mas essa ordem de curto alcance persiste apenas por distâncias de poucos átomos; não há ordem de longo alcance como numa liga cristalina. De várias maneiras, a estrutura em escala atômica dos vidros metálicos se parece mais com a estrutura altamente desordenada de um líquido do que com a de uma liga cristalina.
[Figura 1: dois esquemas de átomos, (a) cristalino e (b) amorfo (vidro).]
Figura 1. Estrutura amorfa versus cristalina. Estrutura esquemática, em escala atômica, de metais cristalinos (a) e amorfos (b). Numa estrutura cristalina, a ordem persiste por longas distâncias (muitas dimensões atômicas). Num vidro, há ordem de curto alcance, mas não de longo alcance.
Um corolário dessa diferença de estrutura é que a natureza dos defeitos estruturais é bem diferente entre ligas cristalinas e amorfas. As ligas cristalinas, por exemplo, têm defeitos lineares estendidos na estrutura do cristal, chamados discordâncias, que são (em grande parte) responsáveis por determinar o comportamento mecânico. A falta de ordem cristalina impede a existência de discordâncias nos vidros metálicos, mas outros tipos de defeitos podem estar presentes e podem influenciar propriedades e comportamento.
Do ponto de vista das aplicações, a estrutura amorfa dos vidros metálicos tem duas implicações principais. Primeiro, as propriedades mecânicas das ligas amorfas são significativamente diferentes das de suas contrapartes cristalinas; algumas dessas diferenças são vantajosas, mas outras não. Segundo, porque os vidros metálicos são
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Primeira página do corpo do relatório: explica a estrutura atômica amorfa dos vidros metálicos e a ausência de discordâncias; a Figura 1 é um esquema.
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UNCLASSIFIED/ /FOR QFFI&iIJ.b Wfi& 8PtLY
Metallic Glasses
STRUCTURE
The atomic -scale structure of most metals and alloys is crystalline; that is, the atoms
are arranged in a highly ordered manner on a lattice that is periodic in three
dimensions, as depicted in Figure l(a). In contrast to this crystalline structure, metallic
glasses lack the long-range order of a lattice and are therefore said to be amorphous,
as depicted in Figure l(b) . Although the word "amorphous" implies a complete lack of
structural order, in fact the atomic structure of metallic glasses is not truly random.
Constraints on atomic packing provide strong short-range order; for instance, on
average the atoms have a particular number of nearest atomic neighbors at a well
defined distance. But this short-range order persists only over distances of a few
atoms; there is no long-range order as there is in a crystalline alloy. In many ways, the
atom ic-scale structure of metallic glasses more closely resembles the highly disordered
structure of a liquid than the structure of a crystalline alloy.
Cry ta ll in Amorph u (gla s)
Figure 1, Amorphous Versus Crystalline Structure. Schematic atomic-scale structure of crystalline
(a) and amorphous (b) metals. In a crystalline structure, order persists over long distances (many
atomic dimensions}. In a glass, there is short range order but no long-range order.
A corollary of this difference in structure is that the nature of structural defects is quite
different between crystalline and amorphous alloys. Crystalline alloys, for example,
have extended linear defects in the crystal structure, called dislocations, that are (in
large part) responsible for determining mechanical behavior. The lack of crystalline
order precludes the existence of dislocations in metallic glasses, but other sorts of
defects can be present and may influence properties and behavior.
From an applications point of view, the amorphous structure of metallic glasses has two
principal implications. First, the mechanical properties of amorphous alloys are
significantly different from those of their crystalline counterparts; some of these
differences are advantageous, but others are not. Second, because metallic glasses are
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UNCLASSIFIED/ /FQA 8FFIGIAk W&& QP..,¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 7, contando a capa.
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vidros no sentido verdadeiro da palavra, em vez de fundirem abruptamente (como fazem os metais cristalinos), eles amolecem e fluem ao longo de uma faixa de temperaturas, de maneira semelhante aos vidros comuns (de óxidos). Isso cria oportunidades de enorme flexibilidade no processamento dos vidros metálicos.
PROCESSAMENTO
Ligas formadoras de vidro
A chave para fazer um vidro metálico é manter a estrutura desordenada, em escala atômica e semelhante à de um líquido, durante o resfriamento a partir do fundido. Todos os materiais tendem a cristalizar ao esfriar, porque o estado cristalino é a estrutura mais estável em qualquer temperatura abaixo do ponto de fusão. Mas a cristalização leva tempo; por isso, se o resfriamento for rápido o bastante, é possível contornar a cristalização e formar uma estrutura amorfa na temperatura de transição vítrea (Figura 2(a)). A formação de vidro e a cristalização são, portanto, processos concorrentes; qual deles ocorrerá depende do material e das condições de processamento.
[Figura 2, gráficos (a) e (b). Em (a): eixo vertical Temperatura, eixo horizontal Tempo; regiões "Líquido", "Cristal", "Líquido super-resfriado" e "Vidro"; linhas de "Temperatura de fusão" e "Temperatura de transição vítrea"; curvas numeradas 1, 2 e 3. Em (b): eixo vertical "Taxa crítica de resfriamento (K/s)", eixo horizontal "Temperatura de transição vítrea reduzida (Tg/Tm)", de 0,2 a 0,8; pontos para "Níquel puro", "Vidros metálicos 'convencionais' (espessura máxima < 1 mm)" e "Vidros metálicos em massa (espessura máxima > 1 mm)", com as ligas Pd40Cu30Ni10P20 e Zr41,2Ti13,8Cu12,5Ni10Be22,5 indicadas.]
Figura 2. Taxa crítica de resfriamento. (a) Efeito da taxa de resfriamento sobre a formação de vidro: se a taxa de resfriamento for lenta (caminho 1), o fundido cristaliza antes de passar pela transição vítrea. Se a taxa de resfriamento for rápida o bastante (caminho 2), o fundido pode formar um vidro. A taxa crítica de resfriamento (caminho 3) é a taxa mais lenta com que o fundido pode ser resfriado e ainda formar um vidro. (b) Taxas críticas de resfriamento de várias ligas metálicas: o eixo horizontal é a temperatura de transição vítrea normalizada pela temperatura de fusão (liquidus). 1
Para alguns materiais, como a sílica (dióxido de silício) e a maioria dos polímeros termoplásticos, o processo de cristalização é lento, porque as estruturas cristalinas são complexas e as unidades estruturais básicas (por exemplo, segmentos de cadeias poliméricas) demoram a se rearranjar em forma cristalina. Esses materiais podem, portanto, ser produzidos em forma vítrea mesmo com taxas de resfriamento muito baixas; na verdade, pode ser difícil cristalizá-los. Metais e ligas são outra história, porque as estruturas cristalinas são relativamente simples e as unidades estruturais básicas são átomos individuais, altamente móveis. Os cristais metálicos nucleiam e crescem rapidamente, o que torna a produção de um vidro metálico mais difícil.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Explica a competição entre cristalização e formação de vidro no resfriamento de ligas metálicas; a Figura 2 mostra o conceito de taxa crítica de resfriamento.
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UNCLASSIFIED/ /POI\ OFPl@IAL WS& &Nia¥
glasses in the true sense of the word, rather than melt ing abruptly (as crysta lline
metals do), they soften and flow over a range of temperatures in a manner akin to
common (oxide) glasses. This creates opportunities for tremendous flexibi lity in the
processing of metallic glasses.
PROCESSING
Glass-Forming Alloys
The key to making a meta llic glass is to retain the disordered, liquid- like atomic scale
structure during cooling from the melt. All materials have a tendency to crystal lize upon
cooling because the crystalline state is the most stable structure at any tempe rature
below the melting point. But crystallization takes time, so if the cooling is fast enough,
it is possible to bypass crysta llization and form an amorphous structure at the glass
transition temperature (Figure 2(a)) . Glass format ion and crystallization are therefore
competitive processes; which one will occur depends on the material and the processing
conditions.
(a) (b)
Temperature 101(1
Liquid
~
g_ "' 10~
Me ll ii1g
,.,1ompcrarurc
i§ 10<•
"'1)
I:
8 10"
u
el u 102
lass lr:msiti on ··o c:
temperatu.re u
1011
I0.2
0 Purt: nickel
- , " o nventional' metallic gla scs
I 0 , (max Lh1clme < I mm)
\ cg \
\ O \ Bulk metallic glasses
\ (max lb icknes > l mm)
' 0 -- -'_I I O o' '
\ ~ ' 'x,o~\ \ Pd., u.,N11,P,,
. . 0 I Zr,.,T1 1,.Cu,,,N1"Bc,.,, ...._ _,,
0
Time 01 OJ OA 05 Oh 0~ OB
Reduced glass tran ition temperature (T ,IT,,.)
Figure 2. Critica l Cooling Rate . (a) Effect of the cooling rate on glass formation - If the cooling rate ls slow (path
1), then the melt c rystallizes befo re going through the glass transition . If the cooling rate is fast enough (path 2),
then the melt can form a glass. The crit ical cooling rate (path 3) is the slowest rate at which the melt can be cooled
and still form a glass. (b) Critical cooling rates for various metallic alloys - The horizontal axis is the glass transition
temperature normalized to the melting (liquidus) temperature. 1
For some materials, such as silica (silicon dioxide) and most the rmoplastic polyme rs,
the crystallization process is slow because the crystal structures are complex and the
basic structura l units (for example, segments of polymer chains) are slow to rearrange
into a crystalline form. These materials can therefore be produced in glassy form even
at very low cooling rates; in fact, it can be difficult to crystallize them at all. Metals and
alloys are another matter because the crystal structures are relat ively simple and the
basic structura l units are individual atoms, which are highly mobi le. Metallic crystals
nucleate and grow quickly, making production of a meta llic glass more challenging.
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UNCLASSIF I ED/ /FOA OFFICI.li.la Wili 8PU11¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 8, contando a capa.
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Uma forma de quantificar a capacidade de uma liga metálica de ser produzida em forma vítrea é a taxa crítica de resfriamento: a taxa mais lenta com que um líquido metálico pode ser resfriado e ainda produzir uma estrutura totalmente amorfa, como mostra a Figura 2(a). A taxa crítica de resfriamento de diversas ligas metálicas formadoras de vidro aparece na Figura 2(b). Os primeiros vidros metálicos (descobertos nas décadas de 1960 e 1970) eram ligas binárias, com taxas críticas de resfriamento tipicamente da ordem de 10^4 a 10^7 K/s. Obter taxas de resfriamento tão altas exige técnicas especializadas (como a fiação do fundido) e limita a espessura máxima do vidro metálico a < 100 µm, pela necessidade de extrair calor do fundido muito rapidamente. Como resultado, esses primeiros vidros metálicos só podiam ser produzidos numa faixa limitada de formas, incluindo fitas, folhas, fios e pós.
Extensos esforços de pesquisa em projeto de ligas nas duas últimas décadas resultaram no desenvolvimento de ligas multicomponentes com taxas críticas de resfriamento muito menores (0,1 K/s ou até menos). Isso permitiu a produção de amostras de vidro metálico em tamanhos maiores, em alguns casos acima de 1 cm de espessura de seção. A prática comum na área é chamar de vidro metálico "em massa" (bulk) qualquer liga que possa ser fundida numa seção de pelo menos 1 mm de espessura. Essas ligas podem ser fundidas ou moldadas em formas adequadas a aplicações estruturais.
Atualmente não é possível prever a priori a capacidade de formação de vidro de uma liga de composição arbitrária. Foram propostas diversas regras empíricas para escolher elementos de liga e composições, e foram demonstradas técnicas para busca eficiente no espaço de composições. Mas a identificação de ligas com boa capacidade de formação de vidro ainda é, na maior parte, uma questão de tentativa e erro. Como resultado, o número de ligas formadoras de vidro verdadeiramente excelentes (definidas de modo aproximado como as que podem ser fundidas como vidro numa espessura de pelo menos 1 cm) é bastante limitado (ver Tabela 1).
Tabela 1. Ligas selecionadas formadoras de vidro em massa. Ligas selecionadas, relatadas como de excelente capacidade de formação de vidro, quantificada aqui como a espessura máxima de uma peça fundida totalmente amorfa. (referências 2 a 8)
Composição | Espessura máxima (mm) | Referência
Mg65Cu15Ag5Pd5Gd10 | 10 | 2
Zr41,2Ti13,8Cu12,5Ni10Be22,5 | 50 | 3
Pd40Cu30Ni10P20 | 72 | 4
Cu47Zr45Ag4Al4 | 10 | 5
Pt57,5Cu14,7Ni5,3P22,5 | 16 | 6
Ti40Zr25Ni3Cu12Be20 | 14 | 7
Fe48Cr15Mo14Er2C15B6 | 12 | 8
Ao passar do laboratório para a prática industrial, é importante notar que outros fatores além da composição da liga podem afetar a capacidade de formar vidro. Em particular, algumas ligas são sensíveis à presença de impurezas; por exemplo, a capacidade de formação de vidro de algumas ligas que contêm zircônio é drasticamente reduzida pela presença de oxigênio. As condições de processamento também influenciam a capacidade de fazer um vidro; entre elas podem estar o material e o acabamento da superfície do molde e a temperatura do líquido antes da fundição. Por fim, a capacidade de formação de vidro pode ser bastante sensível a pequenas variações de composição, que podem ser difíceis de controlar na prática industrial.
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIALNota editorial: Define taxa crítica de resfriamento e vidro metálico em massa e traz a Tabela 1, com ligas e espessuras máximas fundidas como vidro.
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UNCLASSIFIED// FOR OFFICIAL tt!I! 8,.LY
One way to quantify the ability of a metallic alloy to be produced in glassy form is
through the critical cooling rate - the slowest rate at which a metallic liquid may be
cooled and still produce a fully amorphous structure, as shown in Figure 2(a). The
critical cooling rate for a variety of metallic glass-forming alloys is shown in Figure 2(b).
Early metallic glasses (discovered in the 1960s and 1970s) were binary alloys with
critical cooling rates typically on the order of 104 to 107 K/s. Achieving such high
cooling rates requires specialized techniques (such as melt spinning) and limits the
maximum thickness of the metallic glass to < 100 µm because of the need to rapidly
extract heat from the melt. As a result, these early metallic glasses could be produced
in only a limited range of forms, including ribbons, foils, wires, and powders.
Extensive research efforts in alloy design over the past two decades have resulted in
the development of multi-component alloys with much lower critical cooling rates (0.1
K/s or even lower). This has enabled the production of metallic glass specimens in
larger sizes-in some cases exceeding 1-cm section thickness. Common practice in the
field is to refer to any alloy capable of being cast into a section at least 1-mm thick as a
"bulk" metallic glass. These alloys may be cast or molded into forms suitable for
structural applications.
At present, it is not possible to predict a priori the glass-forming ability of an alloy of
arbitrary composition. A variety of empirical rules for selecting alloying elements and
compositions have been proposed, and techniques have been demonstrated for efficient
searching of composition space. But identification of alloys with good glass-forming
ability is still mostly a matter of trial and error. As a result, the number of truly
outstanding glass-forming alloys (loosely defined as being able to be cast as a glass to
a thickness of at least 1 cm) is quite limited (see Table 1).
Table 1. Selected Bulk Glass-Forming Alloys. Selected alloys reported to have
excellent glass forming ability, quantified here as the maximum thickness of a
fully amorphous casting. 2 3 4 s 6 7 s
Composition Maximum Thickness
(mm) Reference
MgGsCu 1sAgsPdsGd10 10 2
Zr41.2Ti13.sCu 12.sNi10 Be22.s 50 3
Pd40Cu30N i 10P:w 72 4
CU41Zr4sAg4Al4 10 5
Pts1.sCU14_7N is.J P22.s 16 6
Ti40Zr2sNi3Cu12Be20 14 7
Fe4sCr1sM014Er2C1sBG 12 8
Moving from the laboratory to industrial practice, it is important to note that factors
besides alloy composition can affect glass-forming ability. In particular, some alloys are
sensitive to the presence of impurities; for example, the glass-forming ability of some
zirconium-containing alloys is dramatically reduced by the presence of oxygen.
Processing conditions also influence the ability to make a glass; these may include the
material and surface finish of the mold and the temperature of the liquid prior to
casting . Finally, glass-forming ability can be quite sensitive to small variations in
composition, which may be difficult to control in indust rial practice.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAk WSE 8Hk¥Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 9, contando a capa.
Datas e contexto documental
- Acontecimento
- 14/12/2009 — Data do relatório; data de corte das informações: 1º de dezembro de 2009.
- Documento
- 14/12/2009 — Data impressa na capa.
- Publicação
- Não estabelecida — Data de divulgação pública não indicada no documento.
Origem e divulgação
Agência de Inteligência de Defesa (DIA), Escritório de Alerta de Defesa, Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3); autor: AAP Person 63 (nome omitido) · DOW-UAP-D117_AAWSAP-DIRD-Metallic-Glasses-for-Aerospace-Applications-December-14-2009.pdf
Páginas 1 a 30 do PDF, incluindo capa, expediente e sumário.
Relatos relacionados e suas diferenças
- A contratação do AAWSAP pela DIA (2008)
- DIRDs sobre invisibilidade e metamateriais (2010)
- DIRDs sobre fusão aneutrônica (2010)
Perguntas para continuar a investigação
- Quais outros relatórios da série AAWSA de 2009 foram produzidos além deste, e que áreas técnicas cobrem?
- O estudo foi usado em alguma decisão de aquisição ou pesquisa da DIA? O documento não diz.
GEOGRAFIA DO CASO
Washington, D.C., EUA
Referência aproximada à sede da DIA, citada no expediente do relatório, posicionada pela redação. Não indica local de pesquisa dos materiais nem de qualquer observação.
RASTRO DOCUMENTAL
Volte às fontes
As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.
- DOW-UAP-D117_AAWSAP-DIRD-Metallic-Glasses-for-Aerospace-Applications-December-14-2009.pdf
Páginas físicas 1 a 30: capa, expediente, sumário, resumo, texto, figuras, tabelas e referências do DIRD de 14/12/2009 (DIA-08-0911-012)
DOW · 30 páginas
Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.


