KR101798682B1

KR101798682B1 - 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분 구조 및 변형 메카니즘을 나타내는 합금

Info

Publication number: KR101798682B1
Application number: KR1020127033172A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 제임스 브래너건; 브라이언 이. 미챔; 제이슨 케이. 월레저; 지코우 저우; 알라 세르기바
Original assignee: 더 나노스틸 컴퍼니, 인코포레이티드
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2017-11-16
Also published as: CA2800892A1; CN103228806A; CA2800892C; JP6104795B2; US20150307973A1; CN103228806B; EP2576852A2; WO2011150383A2; US10266930B2; EP2576852A4; JP2013541632A; US20110293463A1; WO2011150383A3; EP2576852B1; US20160304998A1; KR20130111232A

Abstract

49 원자 퍼센트 (원자%) 내지 65 원자%의 범위로 존재하는 철, 10.0 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 니켈, 0.1 원자% 내지 12 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 코발트, 12.5 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 붕소, 0.1 원자% 내지 8.0 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 규소, 2 원자% 내지 5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 탄소, 2.5 원자% 내지 13.35 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 크롬, 및 1.5 원자% 내지 2.5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 니오브를 포함하며, 10³K/s 내지 10⁴K/s의 범위의 속도로 냉각시 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분을 나타내고 0.001s^-1의 속도로 인가된 장력의 적용시 1.1 x l0² m^-1 초과 내지 10⁷ m^-1의 범위로 선형 미터당 다수의 전단 밴드를 발생시키는 합금 조성물.

Description

스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분 구조 및 변형 메카니즘을 나타내는 합금{ALLOYS EXHIBITING SPINODAL GLASS MATRIX MICROCONSTITUENTS STRUCTURE AND DEFORMATION MECHANISMS}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2010년 5월 27일에 출원된 미국 가출원 제61/348,823호의 출원일을 우선권 주장하며, 그의 교시 내용은 본원에 참고로 포함된다.

발명의 분야

본 출원은 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분(spinodal glass matrix microconstituent) 구조 및 선형 단위(linear unit)당 관련된 수(associated number)의 전단 밴드(shear band)의 형성을 촉발시킴으로써 실온에서 가소성(plasticity)을 발생시킬 수 있는 금속 조성물에 관한 것이다.

배경

높은 경도, 인장 응력(tensile stress) 및 파괴 강도(fracture strength)와 같은 유망한 특성 조합에도 불구하고, 금속성 유리(metallic glass) 및 나노재료의 실제 적용은 비교적 제한되어 있다. 두 재료 부류에서 생긴 한 문제는 재료가 비교적 부서지기 쉬운 반응(brittle response)을 나타낼 수 있다는 것이다. 이들 재료 부류의 상업적 이용은 변압기 및 고 에너지 밀도 영구 자석을 포함하는 적용을 위한, 및 더 최근에는, 표면 기술 적용을 위한 그의 연질 및 경질 자기 특성 (magnetic properties)을 이용함으로써 용이해왔고 그로 인해 이들 재료를 포함하는 코팅물(coating)을 표면에 적용하여 부식, 침식, 및/또는 마모 문제를 해결할 수 있다.

비록 금속성 유리 및 나노재료 둘 다가 압축 상태에서 시험시 연성(ductility)을 나타낼 수 있지만, 인장 상태에서 시험시 동일 재료는 일반적으로, 제로에 가까울 수 있는 인장 연성 및 부서지기 쉬운 방식으로 파괴를 나타낼 수 있다. 구조 질서의 극히 미세한 길이 규모(scale) (즉, 분자 회합)와 이들 재료의 결함(defect)이 거의 없는 특성 (즉, 1-d 전위(dislocation) 또는 2-d 결정립(grain) / 상 경계 결함 없음)으로 인해, 비교적 높은 강도가 수득될 수 있다. 그러나, 결정성의 부족으로 인해, 전위는 발견되지 않을 수 있고 지금까지 상당한 (즉, > 2%) 인장 신장률(tensile enlongation)을 위한 메카니즘이 있는 것으로 보이지 않는다. 금속성 유리는 이들 재료의 기술적 활용에 관한 관심일 수 있는 전단 밴드 및/또는 균열(crack)의 급속한 전파(propagation)와 관련된 비교적 제한된 파괴 인성(fracture toughness)을 나타낼 수 있다.

실온에서 변형된 금속성 유리에서, 가소성 변형이 전단 변환 구역(transformation zone)에서 협력적 원자 재편성(cooperative atomic reorganization)과 동질이 아닐 수 있고, 이는 전단 밴드의 얇은 밴드에서 일어날 수 있다. 제약이 없는 로딩(unconstrained loading)에서 예컨대 인장 하에, 전단 밴드는 걷잡을 수 없는 방식(runaway fashion)으로 전파된 후 그에 비례하는 균열의 핵형성이 일어날 수 있고, 이는 결과적으로 파멸적 실패(catastrophic failure)를 초래한다. 나노결정질 재료에 관해, 결정립 크기가 점진적으로 감소함에 따라, 전위 집적(pile-up)의 형성은 더 곤란해질 수 있고 그의 움직임은 많은 양의 2-d 결함 상 및 결정립 경계에 의해 제한될 수 있다. 그렇지 않으면 결정립 / 상 크기의 감소는 결정립/상 경계 영역에서의 슬립 시스템(slip system)의 유효한 파열로 인해 이동(mobile) 전위를 움직이지 않게 할 수 있다. 그 결과, 상당한 수준의 가소성 변형을 나타내는 나노규모 재료의 능력은 심지어 매우 연성의 나노규모 FCC 재료, 예컨대 구리 및 니켈에서 억제될 수 있다. 따라서, 나노결정질 재료에서 적당한 연성 (> 1%)의 달성은 도전 과제가 되어 왔다. 실온에서 인장 상태에서 변형가능하게 되는 이들 부류의 재료의 내재적 불능(inherent inability)은 파멸적 실패를 피하기 위해 고유 연성 (intrinsic ductility)이 필요할 수 있는 잠재적 구조 적용에 관한 상대적 제한 인자일 수 있다.

개요

본 개시의 측면은 합금 조성물에 관한 것이다. 합금 조성물은 49 원자 퍼센트 (원자%) 내지 65 원자%의 범위로 존재하는 철, 10.0 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 니켈, 0.1 원자% 내지 12 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 코발트, 12.5 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 붕소, 0.1 원자% 내지 8.0 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 규소, 2 원자% 내지 5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 탄소, 2.5 원자% 내지 13.35 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 크롬, 및 1.5 원자% 내지 2.5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 니오브를 포함할 수 있고, 여기서 합금 조성물은 10³K/s 내지 10⁴K/s의 범위의 속도로 냉각시 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분을 나타내고 0.001s^-1의 속도로 인가된 장력의 적용시 1.1 x l0² m^-1 초과 내지 10⁷ m^-1의 범위로 선형 미터(linear meter)당 다수의 전단 밴드를 발생시킨다.

본 개시의 상기 언급된 그리고 다른 특질, 및 이를 수득하는 방식은 첨부된 도면과 함께 취해진 본원에 기재된 실시양태의 하기 설명을 참조하여 더 명백하고 잘 이해될 것이며, 여기서:
도 1은 평면 유동 주조 공정(Planar Flow Casting process)에 의해 합금 1로 부터 제조된 호일(foil)의 예를 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 테일러-울리토브스키 공정(Taylor-Ulitovsky process)에 의해 합금 2로부터 제조된 마이크로와이어(microwire)의 예를 나타낸 것이다.
도 3은 테일러-울리토브스키 공정에 의해 합금 3으로부터 제조된 마이크로와이어를 나타낸 것이다.
도 4는 평면 유동 주조 공정에 의해 합금 4로부터 제조된 호일을 나타낸 것이다.
도 5는 테일러-울리토브스키 공정에 의해 합금 4로부터 제조된 마이크로와이어를 나타낸 것이다.
도 6은 테일러-울리토브스키 공정에 의해 합금 5로부터 제조된 마이크로와이어를 나타낸 것이다.
도 7은 평면 유동 주조 공정에 의해 합금 6으로 제조된 호일을 나타낸 것이다.
도 8a 및 8b는 테일러-울리토브스키 공정에 의해 합금 7로부터 제조된 마이크로와이어를 나타낸 것이다.
도 9는 평면 유동 주조 공정에 의해 합금 8로부터 제조된 호일을 나타낸 것이다.
도 10은 테일러-울리토브스키 공정에 의해 합금 8로부터 제조된 마이크로와이어를 나타낸 것이다.
도 11은 하이퍼켄칭 공정(hyperquenching process)에 의해 합금 8로부터 제조된 섬유를 나타낸 것이다.
도 12는 평면 유동 주조 공정에 의해 합금 9로부터 제조된 호일을 나타낸 것이다.
도 13은 합금 6으로부터의 파형 호일(corrugated foil)의 이미지를 나타낸 것이다.
도 14는 휠 속도(wheel speed) 최적화의 함수로서 하이퍼켄칭 공정에 의해 합금 8로부터 제조된 섬유의 굽힘성(bendability)을 나타낸 것이다.
도 15a 및 15b는 하이퍼켄칭 공정에 의해 합금 8로부터 제조된 섬유 중 거대결함(macrodefect)을 나타낸 것이고; 여기서 도 15a는 좌측의 외부 표면을 나타낸 것이고 도 15b는 횡단면을 나타낸 것이다.
도 16a, 16b 및 16c는 융용-방사된(melt-spun) 리본 중 SGMM 구조의 TEM 현미경 사진을 나타낸 것이고; 여기서 도 16a는 합금 1의 TEM 현미경 사진을 나타낸 것이고; 도 16b는 합금 4의 TEM 현미경 사진을 나타낸 것이고, 도 16c는 합금 8의 TEM 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 17ai, 17aii, 17bi, 17bii, 17ci, 및 17cii는 테일러-울리토브스키 공정에 의해 제조된 마이크로와이어 중 SGMM 구조의 TEM 현미경 사진 및 SAED 패턴을 나타낸 것이고; 도 17ai)은 합금 1에 관한 TEM 현미경 사진을 나타낸 것이고 도 17aii는 합금 1에 관한 SAED 패턴을 나타낸 것이고; 도 17bi는 합금 4에 관한 TEM 현미경 사진을 나타낸 것이고 도 17bii는 합금 4에 관한 SAED 패턴을 나타낸 것이고; 도 17ci는 합금 8에 관한 TEM 현미경 사진을 나타낸 것이고 도 17cii는 합금 8에 관한 SAED 패턴을 나타낸 것이다.
도 18a 및 18b는 평면 유동 주조 공정에 의해 제조된 합금 8로부터의 호일 중 SGMM 구조의 TEM 현미경 사진 (18a) 및 상응하는 SAED (18b) 패턴을 나타낸 것이다.
도 19a 및 19b는 하이퍼켄칭 공정을 통해 제조된 합금 8로부터의 섬유 중 SGMM 구조의 TEM 현미경 사진 (19a) 및 SAED 패턴 (19b)을 나타낸 것이다.
도 20a 및 20b는 인장 시험 후 합금 1로부터 용융-방사된(melt-spun) 리본의 표면 상의 복수(multiple) 전단 밴드의 SEM 이미지를 나타낸 것이고; 도 20a는 휠 측(wheel side) 리본 표면 (즉, 주조 동안 휠과 접촉하는 리본의 표면)을 나타낸 것이고 도 20b는 자유(free) 측 리본 표면 (즉, 주조 동안 휠의 맞은 편 리본의 표면)을 나타낸 것이다.
도 21a 및 21b는 인장 시험 후 합금 2로부터 마이크로와이어의 표면 상의 복수 전단 밴드 (도 21a) 및 실패 이전의 네킹 (necking) (도 21b)을 나타낸 것이다.
도 22는 굴곡 시험 후 합금 1 (인장 측)로부터의 호일의 표면 상의 복수 전단 밴드를 나타낸 것이다.
도 23은 굴곡 시험 후 합금 8로부터의 섬유의 표면 상의 복수 전단 밴드를 나타낸 것이다.
도 24는 이동하는 전단 밴드에 앞서 발생하는 국소적 변형 유발 변화(localized deformation induced changes: LDIC)가 좌측에서 우측으로 이동하는 전단 밴드 앞에 TEM 현미경 사진의 중앙 근처에서 나타남을 나타낸 것이다.
도 25a 및 25b는 전단 밴드 주위의 국소적 변형 유발 변화 (LDIC)의 TEM 현미경 사진 (도 25a) 및 전파 전단 밴드에 의해 유발된 상 변환을 나타내는 상응하는 선택된 영역 전자 회절 (SAED) 패턴 (도 25b)을 나타낸 것이다.
도 26a 및 26b는 전파 전단 밴드와 SGMM 구조의 상호 작용이 원인이 된 합금 1로부터 변형된 용융-방사된 리본에서의 유발 전단 밴드 둔화 (Induced Shear Band Blunting: ISBB) (도 26a) 및 전파 전단 밴드에 앞서 LDIC를 나타내는 (a)에서 D로 표시된 영역의 확대된 이미지 (도 26b)를 나타낸 것이다.
도 27a 및 27b는 합금 4로부터 변형된 용융-방사된 리본에서의 전단 밴드 정지 상호 작용(Shear Band Arresting Interactions: SBAI)의 TEM 이미지 (도 27a) 및 전단 밴드 분지화(branching) 및 정지를 나타내는 전단 밴드 상호 작용 영역의 확대된 TEM 이미지 (도 27b)를 나타낸 것이다.
도 28은 합금 1로부터의 용융-방사된 리본, 테일러-울리토브스키 공정에 의해 제조된 합금 2로부터의 마이크로와이어, 평면 유동 주조 공정에 의해 제조된 합금 9로부터의 호일, 및 하이퍼켄칭 공정에 의해 제조된 합금 8로부터의 섬유를 포함하는 다양한 시판 제품 형태에 관한 응력-변형(stress-stain) 곡선을 나타낸 것이다.
도 29는 제약이 없는 인장-비틀림 로딩(tensile-torsion loading)하에 시험된 합금 3 마이크로와이어 샘플의 표면에서의 복수 수준의 전단 밴드를 나타내는 SEM 현미경 사진을 나타내는 것이다.

상세한 설명

본 출원은 비교적 상당한 연성 (~1.0% 이상의 신장률) 및 높은 인장 강도 (와이어에 관해 2.35 GPa 이상 및 섬유에 관해 0.62 GPa 이상)를 나타내는 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분 (SGMM) 구조를 형성하도록 촉발될 수 있는 금속성 유리 형성 화학적 구조(chemistries)에 관한 것이다. 또한, 본원에서의 합금은 1.1 x l0² m^-1 초과 내지 10⁷ m^-1의 범위로 선형 미터당 전단 밴드를 제공하도록 구성될 수 있다.

스피노달 미시적 성분은 제어된 핵형성이 아닌 변환 메카니즘에 의해 형성된 미시적 성분으로서 이해될 수 있다. 더 기본적으로, 스피노달 분해는, 합금의 2종 이상의 성분 (예를 들어 금속 조성물)의 용액이 분명하게 상이한 화학적 조성 및 물리적 특성을 갖는 별개의 영역 (distinct region) (또는 상)으로 분리될 수 있는 메카니즘으로서 이해될 수 있다. 이러한 메카니즘은 상 분리가 단지 불연속한(discrete) 핵형성 부위에서가 아니라 재료 전반에 걸쳐 균일하게 일어날 수 있다는 점에서 전통적인 핵형성과는 상이하다. 따라서 1종 이상의 반결정질 클러스터 또는 결정질 상은, 화학 변동(chemistry fluctuation)이 적어도 하나의 별개의 결정질 상을 야기할 때까지, 국소 수준으로 원자의 연속적 확산을 통해 형성될 수 있다. 본원에서 반-결정질 클러스터는 2 nm 이하의 최대 선형 치수(largest linear dimension)를 나타내는 것으로 이해될 수 있으며, 한편 결정질 클러스터는 2 nm 초과의 최대 선형 치수를 나타낼 수 있다. 스피노달 분해의 초기 단계 동안에, 형성된 클러스터는 비교적 작을 수 있고, 그의 화학적 구조가 유리 매트릭스와 상이하지만, 여전히 이들은 완전히 결정질인 것은 아니며, 정배열 결정질 주기성(well ordered crystalline periodicity)을 달성하지 못했다는 점에 주목한다. 추가의 결정질 상은 동일한 결정 구조 또는 별개의 구조를 나타낼 수 있다. 더욱이 유리 매트릭스는 함께 랜덤하게 패킹될 수 있는 고체 상(solid phase)에서 구조 단위의 회합을 나타낼 수 있는 미세 구조(microstructure)를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 구조 단위의 정밀화의 수준, 또는 크기는 옹스트롬 규모 범위 (즉 5Å 내지 100Å)이고 추가로 크기가 nm 범위 (10 내지 100 nm)까지 이르게 될 수 있다. SGMM 구조의 예는 본 출원에 사례(Case Example)에 포함되어 있다.

또한, 합금은 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분 (SGMM)과 관련된 유발 전단 밴드 둔화 (ISBB) 및 전단 밴드 정지 상호 작용 (SBAI)을 포함하는 변형 반응(deformation response)을 제공하도록 촉발될 수 있다. ISBB는 SGMM 구조와의 상호 작용을 통해 전단 밴드의 전파를 둔화시키고 중지시키는 능력을 포함한다. SBAI는 전단 밴드 / 전단 밴드 상호 작용을 통한 전단 밴드의 정지를 포함하고 초기 또는 1차(primary) 전단 밴드가 ISBB를 통해 둔화된 후 일어난다.

종래의 재료는 결정질 재료 내의 특정 슬립 시스템 상을 이동하는 전위를 통해 변형되며, 한편 본원에서의 합금은 국소적 변형 유발 변화 (LDIC)에 의해 둔화되는 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분 중 이동하는 전단 밴드 (즉, 국소적 변형이 발생하는 불연속부)를 포함하도록 구성된다. LDIC는 본원에 추가로 기재된다. 응력의 수준이 증가됨에 따라, 일단 전단 밴드가 둔화되면, 새로운 전단 밴드가 핵형성된 다음, 인장 상태에서 비교적 높은 전단 밴드 밀도 및 비교적 상당한 수준의 가소성의 발생을 창출하는 기존의 전단 밴드와 상호작용할 수 있다. 따라서, 촉발된 SGMM 구조를 갖는 본원에서의 합금은 인장 상태에서 전단 밴드 전파를 방지하거나 완화할 수 있으며, 이는 결과적으로 인장 시험 동안 비교적 상당한 인장 연성 (≥ 1% 신장률)을 초래하고 변형 경화를 야기한다. 합금 및 그의 특성의 구체적 예는 하기 보고된 사례에 포함된다.

스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분 구조를 포함하는 조성물을 형성하기 위해 사용될 수 있는 유리 형성 화학적 구조는 특정 철 기재 유리 형성 합금을 포함할 수 있고 그 다음 이를 가공하여 본원에서 서술된 SGMM 구조를 제공한다.

조작가능한 시스템 크기는 SGMM 구조를 함유하는 재료의 용적으로서 정의될 수 있다. 추가로, 냉각(chill) 표면, 예컨대 휠 또는 롤러 (이는 기술 (engineering)이 허용할 만큼 광범위할 수 있음) 상에서 액체 용융물 냉각에 관해 2-차원 냉각이 지배적이고 따라서 두께는 구조 형성 및 생성된 조작가능한 시스템 크기에 대한 제한 인자가 될 것이다. 메카니즘 크기에 비해 합리적인 시스템 크기 초과의 두께에서, 연성 메카니즘은 영향을 받지 않을 것이다. 예를 들어, 전단 밴드 폭은 비교적 작고 (10 내지 100 nm) 심지어 구조와 LDIC 상호 작용을 사용하여도 상호 작용 크기는 20 내지 200 nm이다. 따라서, 예를 들어, 100 마이크로미터 두께에서 상당한 연성 (≥ 1%)의 달성은 시스템 두께가 이미 연성 메카니즘 크기보다 500 내지 10,000배 초과임을 의미한다. 초과시 ISBB 및 SBAI 상호 작용을 가능하게 할 조작가능한 시스템 크기는 두께 ~ 1 마이크로미터 또는 용적 1 μm³일 것이다. ~ 1 마이크로미터 초과의 두께 또는 1 μm³ 초과의 조작가능한 용적의 달성은 가소성의 상당한 수준의 조작가능한 메카니즘 또는 달성에 상당히 영향을 미칠 것으로 예상되지 않을 것이다. 따라서, SGMM 구조가 형성되는 한, 확인되는 유사한 방식으로 ISBB 및 SBAI 메카니즘으로 조작가능한 연성을 달성하기 위하여 더 큰 두께 또는 더 큰 용적의 샘플 또는 제품이 고려될 것이다.

한 실시양태에서, 유리 형성 합금은, 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 44 내지 59의 원자비로 존재하는 철을 포함할 수 있고, 니켈은 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 13 내지 15의 원자비로 존재할 수 있고, 코발트는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 2 내지 11의 원자비로 존재할 수 있고, 붕소는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 11 내지 15의 원자비로 존재할 수 있고, 규소는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 0.4 내지 8의 원자비로 존재할 수 있고, 탄소는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 1.5 내지 4.5의 원자비로 선택적으로 존재할 수 있고, 크롬은 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 2 내지 3의 원자비로 선택적으로 존재할 수 있고, 니오브는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 1.5 내지 2.0의 원자비로 선택적으로 존재할 수 있다. 상기 원자비는 기재 합금 조성물에 존재하는 소정의 원소 대 나머지 원소의 비로서 인식될 수 있다. 기재 합금 조성물은 소정의 유리 형성 화학적 구조의, 그 안에 모든 값 및 범위, 예컨대 하기 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100으로부터 선택된 하나 이상의 값 또는 범위를 포함하여 70 내지 100 퍼센트의 범위로 존재할 수 있음을 인식할 수 있다.

따라서, 철은 하기 44.0, 44.1, 44.2, 44.3, 44.4, 44.5, 44.6, 44.7, 44.8, 44.9, 45.0, 45.1, 45.2, 45.3, 45.4, 45.5, 45.6, 45.7, 45.8, 45.9, 46.0, 46.1, 46.2, 46.3, 46.4, 46.5, 46.6, 46.7, 46.8, 46.9, 47.0, 47.1, 47.2, 47.3, 47.4, 47.5, 47.6, 47.7, 47.8, 47.9, 48.0, 48.1, 48.2, 48.3, 48.4, 48.5, 48.6, 48.7, 48.8, 48.9, 49.0, 49.1, 49.2, 49.3, 49.4, 49.5, 49.6, 49.7, 49.8, 49.9, 50.0, 50.1, 50.2, 50.3, 50.4, 50.5, 50.6, 50.7, 50.8, 50.9, 51.0, 51.1, 51.2, 51.3, 51.4, 51.5, 51.6, 51.7, 51.8, 51.9, 52.0, 52.1, 52.2, 52.3, 52.4, 52.5, 52.6, 52.7, 52.8, 52.9, 53.0, 53.1, 53.2, 53.3, 53.4, 53.5, 53.6, 53.7, 53.8, 53.9, 54.0, 54.1, 54.2, 54.3, 54.4, 54.5, 54.6, 54.7, 54.8, 54.9, 55.0, 55.1, 55.2, 55.3, 55.4, 55.5, 55.6, 55.7, 55.8, 55.9, 56.0, 56.1, 56.2, 56.3, 56.4, 56.5, 56.6, 56.7, 56.8, 56.9, 57.0, 57.1, 57.2, 57.3, 57.4, 57.5, 57.6, 57.7, 57.8, 57.9, 58.0, 58.1, 58.2, 58.3, 58.4, 58.5, 58.6, 58.7, 58.8, 58.9, 또는 59.0으로부터 선택된 하나 이상의 원자비로 존재할 수 있고, 니켈은 하기 10.0, 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8, 10.9, 11.0, 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7, 11.8, 11.9, 12.0, 12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6, 12.7, 12.8, 12.9, 13.0, 13.1, 13.2, 13.3, 13.4, 13.5, 13.6, 13.7, 13.8, 13.9, 14.0, 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6, 14.7, 14.8, 14.9, 또는 15.0으로부터 선택된 하나 이상의 원자비로 존재할 수 있고, 코발트는 하기 0.1, 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 4.0, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 5.0, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, 6.0, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 7.0, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8, 7.9, 8.0, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, 8.6, 8.7, 8.8, 8.9, 9.0, 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9, 10.0, 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8, 10.9, 또는 11.0으로부터 선택된 하나 이상의 원자비로 선택적으로 존재할 수 있고, 붕소는 하기 11.0, 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7, 11.8, 11.9, 12.0, 12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6, 12.7, 12.8, 12.9, 13.0, 13.1, 13.2, 13.3, 13.4, 13.5, 13.6, 13.7, 13.8, 13.9, 14.0, 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6, 14.7, 14.8, 14.9, 또는 15.0으로부터 선택된 하나 이상의 원자비로 존재할 수 있고, 규소는 하기 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 4.0, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 5.0, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, 6.0, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 7.0, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8, 7.9, 또는 8.0으로부터 선택된 하나 이상의 원자비로 선택적으로 존재할 수 있고, 탄소는 하기 0, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 4, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 또는 4.5로부터 선택된 하나 이상의 원자비로 존재할 수 있고, 크롬은 하기 0, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 4.0, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 5.0, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, 6.0, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 7.0, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8, 7.9, 8.0, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, 8.6, 8.7, 8.8, 8.9, 9.0, 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9, 10.0, 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8, 10.9, or 11.0, 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7, 11.8, 11.9, 12.0, 12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6, 12.7, 12.8, 12.9, 13.0, 13.1, 13.2, 13.3, 13.4, 13.5, 13.6, 13.7, 13.8, 13.9, 또는 14.0으로부터 선택된 하나 이상의 원자비로 존재할 수 있고, 니오브는 하기 0, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 또는 2.0으로부터 선택된 하나 이상의 원자비로 존재할 수 있음을 인식할 수 있다. 원자비는 기재 합금 조성물의 원자비이다.

또 다른 실시양태에서, SGMM을 형성할 수 있는 유리 형성 화학적 구조는 49 원자 퍼센트 (원자%) 내지 65 원자%의 범위로 존재하는 철, 10.0 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 니켈, 0.1 원자% 내지 12 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 코발트, 12.5 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 붕소, 0.1 원자% 내지 8.0 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 규소, 2 원자% 내지 5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 탄소, 2.5 원자% 내지 13.35 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 크롬, 및 1.5 원자% 내지 2.5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 니오브를 포함하거나, 이들로 이루어지거나 이들로 필수적으로 이루어질 수 있다. 10 원자% 이하의 조성물은 불순물을 포함할 수 있음을 인식할 수 있다. 또 한편 원자 퍼센트는 기재 합금 조성물의 원자 퍼센트일 수 있고, 이는 유리 형성 화학적 구조 중, 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 70 원자% 내지 100 원자%의 범위, 예컨대 70 원자%, 71 원자%, 72 원자%, 73 원자%, 74 원자%, 75 원자%, 76 원자%, 77 원자%, 78 원자%, 79 원자%, 80 원자%, 81 원자%, 82 원자%, 83 원자%, 84 원자%, 85 원자%, 86 원자%, 87 원자%, 88 원자%, 89 원자%, 90 원자%, 91 원자%, 92 원자%, 93 원자%, 94 원자%, 95 원자%, 96 원자%, 97 원자%, 98 원자%, 99 원자%, 100 원자%로 존재할 수 있다. 예를 들어, 10 원자% 이하의 조성물은 불순물을 포함할 수 있음을 인식할 수 있다.

철은 하기 원자 백분율: 49.0 원자%, 49.1 원자%, 49.2 원자%, 49.3 원자%, 49.4 원자%, 49.5 원자%, 49.6 원자%, 49.7 원자%, 49.8 원자%, 49.9 원자%, 50.0 원자%, 50.1 원자%, 50.2 원자%, 50.3 원자%, 50.4 원자%, 50.5 원자%, 50.6 원자%, 50.7 원자%, 50.8 원자%, 50.9 원자%, 51.0 원자%, 51.1 원자%, 51.2 원자%, 51.3 원자%, 51.4 원자%, 51.5 원자%, 51.6 원자%, 51.7 원자%, 51.8 원자%, 51.9 원자%, 52.0 원자%, 52.1 원자%, 52.2 원자%, 52.3 원자%, 52.4 원자%, 52.5 원자%, 52.6 원자%, 52.7 원자%, 52.8 원자%, 52.9 원자%, 53.0 원자%, 53.1 원자%, 53.2 원자%, 53.3 원자%, 53.4 원자%, 53.5 원자%, 53.6 원자%, 53.7 원자%, 53.8 원자%, 53.9 원자%, 54.0 원자%, 54.1 원자%, 54.2 원자%, 54.3 원자%, 54.4 원자%, 54.5 원자%, 54.6 원자%, 54.7 원자%, 54.8 원자%, 54.9 원자%, 55.0 원자%, 55.1 원자%, 55.2 원자%, 55.3 원자%, 55.4 원자%, 55.5 원자%, 55.6 원자%, 55.7 원자%, 55.8 원자%, 55.9 원자%, 56.0 원자%, 56.1 원자%, 56.2 원자%, 56.3 원자%, 56.4 원자%, 56.5 원자%, 56.6 원자%, 56.7 원자%, 56.8 원자%, 56.9 원자%, 57.0 원자%, 57.1 원자%, 57.2 원자%, 57.3 원자%, 57.4 원자%, 57.5 원자%, 57.6 원자%, 57.7 원자%, 57.8 원자%, 57.9 원자%, 58.0 원자%, 58.1 원자%, 58.2 원자%, 58.3 원자%, 58.4 원자%, 58.5 원자%, 58.6 원자%, 58.7 원자%, 58.8 원자%, 58.9 원자%, 59.0 원자%, 59.1 원자%, 59.2 원자%, 59.3 원자%, 59.4 원자%, 59.5 원자%, 59.6 원자%, 59.7 원자%, 59.8 원자%, 59.9 원자%, 60.0 원자%, 60.1 원자%, 60.2 원자%, 60.3 원자%, 60.4 원자%, 60.5 원자%, 60.6 원자%, 60.7 원자%, 60.8 원자%, 60.9 원자%, 61.0 원자%, 61.1 원자%, 61.2 원자%, 61.3 원자%, 61.4 원자%, 61.5 원자%, 61.6 원자%, 61.7 원자%, 61.8 원자%, 61.9 원자%, 62.0 원자%, 62.1 원자%, 62.2 원자%, 62.3 원자%, 62.4 원자%, 62.5 원자%, 62.6 원자%, 62.7 원자%, 62.8 원자%, 62.9 원자%, 63.0 원자%, 63.1 원자%, 63.2 원자%, 63.3 원자%, 63.4 원자%, 63.5 원자%, 63.6 원자%, 63.7 원자%, 63.8 원자%, 63.9 원자%, 64.0 원자%, 64.1 원자%, 64.2 원자%, 64.3 원자%, 64.4 원자%, 64.5 원자%, 64.6 원자%, 64.7 원자%, 64.8 원자%, 64.9 원자%, 또는 65.0 원자% 중 하나 이상으로 존재할 수 있고, 니켈은 하기 원자 백분율: 10.0 원자%, 10.1 원자%, 10.2 원자%, 10.3 원자%, 10.4 원자%, 10.5 원자%, 10.6 원자%, 10.7 원자%, 10.8 원자%, 10.9 원자%, 11.0 원자%, 11.1 원자%, 11.2 원자%, 11.3 원자%, 11.4 원자%, 11.5 원자%, 11.6 원자%, 11.7 원자%, 11.8 원자%, 11.9 원자%, 또는 12.0 원자%, 12.5 원자%, 12.6 원자%, 12.7 원자%, 12.8 원자%, 12.9 원자%, 13.0 원자%, 13.1 원자%, 13.2 원자%, 13.3 원자%, 13.4 원자%, 13.5 원자%, 13.6 원자%, 13.7 원자%, 13.8 원자%, 13.9 원자%, 14.0 원자%, 14.1 원자%, 14.2 원자%, 14.3 원자%, 14.4 원자%, 14.5 원자%, 14.6 원자%, 14.7 원자%, 14.8 원자%, 14.9 원자%, 15.0 원자%, 15.1 원자%, 15.2 원자%, 15.3 원자%, 15.4 원자%, 15.5 원자%, 15.6 원자%, 15.7 원자%, 15.8 원자%, 15.9 원자%, 16.0 원자%, 16.1 원자%, 16.2 원자%, 16.3 원자%, 16.4 원자%, 또는 16.5 원자% 중 하나 이상으로 존재할 수 있고, 코발트는 하기 원자 백분율: 0.0 원자%, 0.1 원자%, 0.2 원자%, 0.3 원자%, 0.4 원자%, 0.5 원자%, 0.6 원자%, 0.7 원자%, 0.8 원자%, 0.9 원자%, 1.0 원자%, 1.1 원자%, 1.2 원자%, 1.3 원자%, 1.4 원자%, 1.5 원자%, 1.6 원자%, 1.7 원자%, 1.8 원자%, 1.9 원자%, 2.0 원자%, 2.1 원자%, 2.2 원자%, 2.3 원자%, 2.4 원자%, 2.5 원자%, 2.6 원자%, 2.7 원자%, 2.8 원자%, 2.9 원자%, 3.0 원자%, 3.1 원자%, 3.2 원자%, 3.3 원자%, 3.4 원자%, 3.5 원자%, 3.6 원자%, 3.7 원자%, 3.8 원자%, 3.9 원자%, 4.0 원자%, 4.1 원자%, 4.2 원자%, 4.3 원자%, 4.4 원자%, 4.5 원자%, 4.6 원자%, 4.7 원자%, 4.8 원자%, 4.9 원자%, 5.0 원자%, 5.1 원자%, 5.2 원자%, 5.3 원자%, 5.4 원자%, 5.5 원자%, 5.6 원자%, 5.7 원자%, 5.8 원자%, 5.9 원자%, 6.0 원자%, 6.1 원자%, 6.2 원자%, 6.3 원자%, 6.4 원자%, 6.5 원자%, 6.6 원자%, 6.7 원자%, 6.8 원자%, 6.9 원자%, 7.0 원자%, 7.1 원자%, 7.2 원자%, 7.3 원자%, 7.4 원자%, 7.5 원자%, 7.6 원자%, 7.7 원자%, 7.8 원자%, 7.9 원자%, 8.0 원자%, 8.1 원자%, 8.2 원자%, 8.3 원자%, 8.4 원자%, 8.5 원자%, 8.6 원자%, 8.7 원자%, 8.8 원자%, 8.9 원자%, 9.0 원자%, 9.1 원자%, 9.2 원자%, 9.3 원자%, 9.4 원자%, 9.5 원자%, 9.6 원자%, 9.7 원자%, 9.8 원자%, 9.9 원자%, 10.0 원자%, 10.1 원자%, 10.2 원자%, 10.3 원자%, 10.4 원자%, 10.5 원자%, 10.6 원자%, 10.7 원자%, 10.8 원자%, 10.9 원자%, 11.0 원자%, 11.1 원자%, 11.2 원자%, 11.3 원자%, 11.4 원자%, 11.5 원자%, 11.6 원자%, 11.7 원자%, 11.8 원자%, 11.9 원자%, 또는 12.0 원자% 중 하나 이상으로 존재할 수 있고, 붕소는 하기 원자 백분율: 12.5 원자%, 12.6 원자%, 12.7 원자%, 12.8 원자%, 12.9 원자%, 13.0 원자%, 13.1 원자%, 13.2 원자%, 13.3 원자%, 13.4 원자%, 13.5 원자%, 13.6 원자%, 13.7 원자%, 13.8 원자%, 13.9 원자%, 14.0 원자%, 14.1 원자%, 14.2 원자%, 14.3 원자%, 14.4 원자%, 14.5 원자%, 14.6 원자%, 14.7 원자%, 14.8 원자%, 14.9 원자%, 15.0 원자%, 15.1 원자%, 15.2 원자%, 15.3 원자%, 15.4 원자%, 15.5 원자%, 15.6 원자%, 15.7 원자%, 15.8 원자%, 15.9 원자%, 16.0 원자%, 16.1 원자%, 16.2 원자%, 16.3 원자%, 16.4 원자%, 또는 16.5 원자% 중 하나 이상으로 존재할 수 있고, 규소는 하기 원자 백분율: 0.0 원자%, 0.1 원자%, 0.2 원자%, 0.3 원자%, 0.4 원자%, 0.5 원자%, 0.6 원자%, 0.7 원자%, 0.8 원자%, 0.9 원자%, 1.0 원자%, 1.1 원자%, 1.2 원자%, 1.3 원자%, 1.4 원자%, 1.5 원자%, 1.6 원자%, 1.7 원자%, 1.8 원자%, 1.9 원자%, 2.0 원자%, 2.1 원자%, 2.2 원자%, 2.3 원자%, 2.4 원자%, 2.5 원자%, 2.6 원자%, 2.7 원자%, 2.8 원자%, 2.9 원자%, 3.0 원자%, 3.1 원자%, 3.2 원자%, 3.3 원자%, 3.4 원자%, 3.5 원자%, 3.6 원자%, 3.7 원자%, 3.8 원자%, 3.9 원자%, 4.0 원자%, 4.1 원자%, 4.2 원자%, 4.3 원자%, 4.4 원자%, 4.5 원자%, 4.6 원자%, 4.7 원자%, 4.8 원자%, 4.9 원자%, 5.0 원자%, 5.1 원자%, 5.2 원자%, 5.3 원자%, 5.4 원자%, 5.5 원자%, 5.6 원자%, 5.7 원자%, 5.8 원자%, 5.9 원자%, 6.0 원자%, 6.1 원자%, 6.2 원자%, 6.3 원자%, 6.4 원자%, 6.5 원자%, 6.6 원자%, 6.7 원자%, 6.8 원자%, 6.9 원자%, 7.0 원자%, 7.1 원자%, 7.2 원자%, 7.3 원자%, 7.4 원자%, 7.5 원자%, 7.6 원자%, 7.7 원자%, 7.8 원자%, 7.9 원자%, 또는 8.0 원자% 중 하나 이상으로 존재할 수 있고, 탄소는 하기 원자 백분율: 0 원자%, 2.0 원자%, 2.1 원자%, 2.2 원자%, 2.3 원자%, 2.4 원자%, 2.5 원자%, 2.6 원자%, 2.7 원자%, 2.8 원자%, 2.9 원자%, 3.0 원자%, 3.1 원자%, 3.2 원자%, 3.3 원자%, 3.4 원자%, 3.5 원자%, 3.6 원자%, 3.7 원자%, 3.8 원자%, 3.9 원자%, 4.0 원자%, 4.1 원자%, 4.2 원자%, 4.3 원자%, 4.4 원자%, 4.5 원자%, 4.6 원자%, 4.7 원자%, 4.8 원자%, 4.9 원자%, 또는 5.0 원자% 중 하나 이상으로 존재할 수 있고, 크롬은 하기 원자 백분율: 0 원자%, 2.5 원자%, 2.6 원자%, 2.7 원자%, 2.8 원자%, 2.9 원자%, 또는 3.0 원자%, 3.1 원자%, 3.2 원자%, 3.3 원자%, 3.4 원자%, 3.5 원자%, 3.6 원자%, 3.7 원자%, 3.8 원자%, 3.9 원자%, 4.0 원자%, 4.1 원자%, 4.2 원자%, 4.3 원자%, 4.4 원자%, 4.5 원자%, 4.6 원자%, 4.7 원자%, 4.8 원자%, 4.9 원자%, 5.0 원자%, 5.1 원자%, 5.2 원자%, 5.3 원자%, 5.4 원자%, 5.5 원자%, 5.6 원자%, 5.7 원자%, 5.8 원자%, 5.9 원자%, 6.0 원자%, 6.1 원자%, 6.2 원자%, 6.3 원자%, 6.4 원자%, 6.5 원자%, 6.6 원자%, 6.7 원자%, 6.8 원자%, 6.9 원자%, 7.0 원자%, 7.1 원자%, 7.2 원자%, 7.3 원자%, 7.4 원자%, 7.5 원자%, 7.6 원자%, 7.7 원자%, 7.8 원자%, 7.9 원자%, 8.0 원자%, 8.1 원자%, 8.2 원자%, 8.3 원자%, 8.4 원자%, 8.5 원자%, 8.6 원자%, 8.7 원자%, 8.8 원자%, 8.9 원자%, 9.0 원자%, 9.1 원자%, 9.2 원자%, 9.3 원자%, 9.4 원자%, 9.5 원자%, 9.6 원자%, 9.7 원자%, 9.8 원자%, 9.9 원자%, 10.0 원자%, 10.1 원자%, 10.2 원자%, 10.3 원자%, 10.4 원자%, 10.5 원자%, 10.6 원자%, 10.7 원자%, 10.8 원자%, 10.9 원자%, 11.0 원자%, 11.1 원자%, 11.2 원자%, 11.3 원자%, 11.4 원자%, 11.5 원자%, 11.6 원자%, 11.7 원자%, 11.8 원자%, 11.9 원자%, 또는 12.0 원자%, 12.5 원자%, 12.6 원자%, 12.7 원자%, 12.8 원자%, 12.9 원자%, 13.0 원자%, 13.1 원자%, 13.2 원자%, 13.3 원자%, 13.4 원자%, 13.5 원자%, 13.6 원자%, 13.7 원자%, 13.8 원자%, 13.9 원자%, 14.0 원자% 중 하나 이상으로 존재할 수 있고, 니오브는 하기 원자 백분율: 0 원자%, 1.5 원자%, 1.6 원자%, 1.7 원자%, 1.8 원자%, 1.9 원자%, 2.0 원자%, 2.1 원자%, 2.2 원자%, 2.3 원자%, 2.4 원자%, 또는 2.5 원자% 중 하나 이상으로 존재할 수 있음을 인식할 수 있다.

한 실시양태에서, 합금 조성물은 최소 5종의 상기 열거된 원소로 필수적으로 이루어질 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 합금 조성물은 5 내지 7종의 상기 열거된 원소로 필수적으로 이루어질 수 있다. 추가 실시양태에서, 합금 조성물은 철, 니켈, 붕소, 규소 및 하나 이상의 하기 코발트, 크롬, 탄소 및 니오브로 필수적으로 이루어질 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 합금 조성물은 철, 니켈, 붕소, 규소 및 크롬으로 필수적으로 이루어질 수 있다.

예를 들어, SGMM을 형성할 수 있는 유리 형성 화학적 구조는 49 원자% 내지 65 원자%의 범위로 존재하는 철, 14.5 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 니켈, 2.5 원자% 내지 12 원자%의 범위로 존재하는 코발트, 12.5 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 붕소, 0.4 원자% 내지 8.0 원자%의 범위로 존재하는 규소, 2 원자% 내지 5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 탄소, 2.5 원자% 내지 13.35 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 크롬, 및 1.5 원자% 내지 2.5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 니오브를 포함하거나, 이들로 이루어지거나 이들로 필수적으로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 한 실시양태에서, 합금은 53 원자% 내지 62 원자% 철, 15.5 원자% 내지 16.5 원자% 니켈, 선택적으로 4 원자% 내지 10 원자% 코발트, 12 원자% 내지 16 원자% 붕소, 4.5 원자% 내지 4.6 원자% 탄소, 및 0.4 원자% 내지 0.5 원자% 규소를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 합금은 51 원자% 내지 65 원자% 철, 16.5 원자% 니켈, 선택적으로 3 원자% 내지 12 원자% 코발트, 15 원자% 내지 16.5 원자% 붕소, 및 0.4 원자% 내지 4 원자% 규소를 포함할 수 있다. 추가 실시양태에서, 합금은 49 원자% 내지 61 원자% 철, 14.5 원자% 내지 16 원자% 니켈, 2.5 원자% 내지 12 원자% 코발트, 13 원자% 내지 16 원자% 붕소, 3 원자% 내지 8 원자% 규소, 및 2.5 원자% 내지 3 원자% 크롬을 포함할 수 있다. 또 추가 실시양태에서, 합금은 57 원자% 내지 60 원자% 철, 14.5 원자% 내지 15.5 원자% 니켈, 2.5 원자% 내지 3 원자% 코발트, 13 원자% 내지 14 원자% 붕소, 3.5 원자% 내지 8 원자% 규소, 2.5 원자% 내지 3 원자% 크롬 및 선택적으로 2 원자% 니오브를 포함할 수 있다.

잉곳 형태의 합금은, 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 입방 센티미터당 7.5 그램 (g/cm³) 내지 7.8 g/cm³의 범위, 예컨대 7.50, 7.51, 7.52, 7.53, 7.54, 7.55, 7.56, 7.57, 7.58, 7.59, 7.60, 7.61, 7.62, 7.63, 7.64, 7.65, 7.66, 7.67, 7.68, 7.69, 7.70, 7.71, 7.72, 7.73, 7.74, 7.75, 7.76, 7.77, 7.78, 7.79, 7.80의 밀도를 나타낼 수 있다.

합금은 리본, 섬유, 호일 (비교적 얇은 시트), 비교적 두꺼운 시트 및 마이크로와이어를 포함하여 얇은 제품 형태를 산출하는 다수의 가공 기술에 의해 가공될 수 있다. 본원에서 SGMM 구조 및 관련 가소성을 제공하도록 구성될 수 있는 가공 기술의 예에는 용융-방사/ 제트 주조(jet Casting), 하이퍼켄칭, 테일러-울리토브스키 와이어 주조, 평면 유동 주조, 및 트윈 롤 주조(twin roll casting)가 포함되지만 이에 제한되지는 않는다. 본원에서 SGMM 구조를 제공하는 방식으로 조작되는 이들 제조 기술의 추가의 상세 사항은 하기에 포함되어 있다. 냉각 속도는 그 안에 모든 값 및 범위를 포함하여 10³K/s 내지 10⁶K/s의 범위, 예컨대 10⁴K/s 내지 10⁶K/s 등을 포함할 수 있다. 또한, 생성물은 그 안에 모든 값 및 범위를 포함하여 0.001 mm 내지 3 mm의 범위의 두께를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 생성물은 0.001 mm 내지 0.15 mm, 0.001 mm 내지 0.12 mm, 0.016 mm 내지 0.075 mm 등의 범위의 두께를 가질 수 있다.

용융-방사 공정에서, 액체 용융물을 급속히 이동하는 구리 휠 상으로 기체 압력을 사용하여 방출시킬 수 있다. 연속 또는 분할된(broken up) 길이의 리본을 제조할 수 있다. 일부 실시양태에서, 리본은 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 1 내지 2 mm 폭 및 0.015 내지 0.15 mm 두께의 범위일 수 있다. 폭 및 두께는 용융 방사된 재료 점도 및 표면 장력 및 휠 접선 속도에 의존할 수 있다. 용융-방사 공정에서 전형적인 냉각 속도는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 ~10⁴ 내지 ~10⁶K/s일 수 있다. 리본은 일반적으로 실험실 규모 시스템을 사용하여 25 m 이하의 길이로 연속적으로 제조될 수 있다. 자기 재료에 사용되는 기존의 상업적 시스템은 또한 제트 캐스터(jet caster)로 칭해질 수 있다.

용융 방사의 한 실시양태에서 공정 파라미터는 액체 용융물을 챔버에 제공하는 것을 포함할 수 있고, 이는 공기 또는 불활성 기체, 예컨대 헬륨, 이산화탄소, 이산화탄소와 일산화탄소 혼합물, 또는 이산화탄소와 아르곤 혼합물을 포함하는 환경에 있다. 챔버 압력은 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 0.25 atm 내지 1 atm의 범위일 수 있다. 추가로, 주조 휠 접선 속도는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 초당 15 미터 (m/s) 내지 30 m/s의 범위일 수 있다. 생성된 방출 압력은 100 내지 300 mbar의 범위일 수 있고 생성된 방출 온도는 1000℃ 내지 1300℃의 범위일 수 있으며, 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함한다.

하이퍼켄칭은 비교적 연속 급속 고화(solidification) 용융 금속을 기반으로 할 수 있으며 섬유 제조에 사용될 수 있는 비교적 대규모 상업적 방법으로서 이해될 수 있다. 용융 금속을 특이적으로 고안된 그루브 패턴(groove pattern)을 갖는 회전 냉각 롤(chill roll)의 이동 표면 상으로 지속적으로 부을 수 있다. 섬유는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 수 mm에서 100 mm까지 다양할 수 있는 길이 및 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 0.015 내지 0.15 mm의 두께로 냉각 롤 상에서 고화될 수 있다. 용융-방사 공정에서 전형적인 냉각 속도는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 ~10⁴ 내지 ~10⁶K/s일 수 있다.

원형 단면을 갖는 비교적 작은 직경 와이어를 제조하는 방법의 예는 테일러-울리토브스키 공정이다. 당해 와이어 제조 방법에서, 분말, 잉곳, 또는 와이어/리본의 형태의 금속 원료(feedstock)는 유리관, 전형적으로 붕규산염 조성물에 보유될 수 있고, 이는 한쪽 말단은 폐쇄되어 있다. 그 다음 관의 당해 말단을 가열하여 금속 부분이 액체 상태인 온도로 유리를 연질화되도록 하며 한편 유리는 연질화될 수 있지만 용융되지는 않는다. 그 다음 액체 용융물을 함유하는 유리를 드로운 다운(drawn down)시켜 금속 코어를 함유하는 미세 유리 모관(fine glass capillary)을 제조하였다. 적합한 드로잉(drawing) 조건에서, 용융 금속은 유리 모관을 충전하고 마이크로와이어가 제조될 수 있으며 여기서 금속 코어는 유리 쉘(shell)에 의해 완전히 코팅된다. 공정은 새로운 합금 재료와 함께 금속 드롭(drop)을 분말 또는 와이어/리본을 사용하여 계속 공급함으로써 지속될 수 있다. 방법은 비교적 저 비용 제조 방법으로 장점이 내세워져 왔다. 공정에 사용된 유리의 양은 인덕터 구역(inductor zone)을 통해 유리관의 연속 공급에 의해 균형을 맞출 수 있고, 한편 금속성 코어의 형성은 금속 합금 소적(droplet)의 초기 양에 의해 제한된다. 마이크로와이어의 미세 구조 (및 따라서, 그의 특성)는 주로 냉각 속도에 의존할 수 있고, 이는 금속-충전된 모관이 수용 코일(receiving coil)로 가는 도중에 냉각 액체 (물 또는 오일)의 스트림 내로 도입시 냉각 메카니즘에 의해 제어될 수 있다. 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 두께가 2 내지 20 μm의 범위일 수 있는 유리 코팅물을 갖는 1 내지 120 μm의 범위의 금속 코어를 당해 방법에 의해 제조될 수 있다. 냉각 속도는 공정에서 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 10³에서 10⁶ K/s까지 다양할 수 있다.

평면 유동 주조는 연속 시트의 형태로 넓은 리본을 제조하는 비교적 저가이고 비교적 대량 기술로서 이해될 수 있고 냉각 표면상에서 가까운 거리에 있는 액체 용융물을 유동시키는 것을 포함한다. 10 mm 내지 215 mm의 범위로 모든 값 및 증가분을 포함하여 18.4" (215 mm) 이하의 얇은 호일 /시트의 폭이, 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 ~10⁴ 내지 ~10⁶ K/s의 범위일 수 있는 냉각 속도로 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 0.016 내지 0.075 mm의 범위의 두께로 상업적 규모로 제조될 수 있다. 시트의 제조 후, 개별적 시트 (5 내지 50)를 가온 가압하여 성형체(compact)를 롤 접착(roll bond)하여 시트를 수득할 수 있다. 시트를 또한 절단, 세절(chop), 슬릿화, 및 파형화하여 다른 제품 및 제품 형태를 수득할 수 있다.

트윈 롤 주조 공정에서, 액체 용융물을 반대 방향으로 회전하는 2개의 롤러 사이에서 켄칭한다. 고화는 각각의 롤의 상부와 액체 용융물 사이의 제1 접촉으로 시작된다. 2개의 개별 쉘은 각각의 냉각 표면 상에 형성되기 시작하고, 공정이 계속됨에 따라, 후속적으로 롤 닙(roll nip)에서 냉각 롤에 의해 합해져서 하나의 연속 시트를 형성한다. 당해 접근법에 의해, 고화는 급속히 일어나고 직접적인 용융 두께가 임의의 후처리 단계, 예컨대 열간 압연 이전에 종래의 용융 공정보다 훨씬 얇게 전형적으로 1.5 내지 3.0 mm 범위로 달성될 수 있다. 공정은 평면 유동 주조와 많은 면에서 유사하며 주된 차이 중 하나는 평면 유동 주조에서 단일 냉각 롤러라기보다는 트윈 롤 주조에서 2개의 냉각 롤러를 사용하여 시트를 제조한다는 것이다. 그러나, 명시된 SGMM 구조를 갖는 본원에서 제조될 수 있는 시트의 맥락에서, 두께는 0.5 내지 5.0 mm의 범위일 수 있다.

일부 실시양태에서, 유리 형성 합금은, 형성시, 유리 내지 결정질 온도 범위를 나타낼 수 있고, 이는 1개 이상의 전이 피크를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 피크 범위에 대해 유리에서 결정질로의 개시(onset)는 10℃/분에서 측정시, 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 395℃ 내지 576℃의 범위일 수 있다. 1차 개시 유리 전이 온도는 395℃ 내지 505℃의 범위일 수 있고 2차 개시 유리 전이 온도는, 존재할 경우, 460℃ 내지 541℃의 범위일 수 있다. 1차 피크 유리 전이 온도는 419℃ 내지 521℃의 범위일 수 있고 2차 개시 유리 전이 온도는, 존재할 경우, 465℃ 내지 576℃의 범위일 수 있다. 추가로, 변환의 엔탈피는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 -21.4 J/g 내지 -115.3 J/g의 범위일 수 있다. 특성은 10℃/분의 가열/냉각 속도에서 측정시 DSC 또는 DTA에 의해 수득될 수 있다.

형성된 합금은 또한, 180°굽힘 시험(bend test)하에 시험시, 형성된 합금의 한쪽 면 또는 양쪽 면의 완전한 굽힘을 나타낼 수 있다. 즉, 20 μm 내지 85 μm의 범위의 두께를 갖는, 본원에서 기재된 합금의 리본 또는 호일은 어느 방향으로든 완전히 접힐 수 있다. 또한, 리본 형태로 형성된 합금 (용융 방사에 의해 형성된 바와 같음)은 0.001s^-1의 변형 속도(strain rate)에서 시험시 하기 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)는 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 2.30 GPa 내지 3.27 GPa의 범위일 수 있다. 총 신장률은 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 2.27% 내지 4.78%의 범위일 수 있다. 호일로 형성시 (평면 유동 주조에 의해 형성된 바와 같음) 합금은 1.77 GPa 내지 3.13 GPa 범위의 최대 인장 강도 및 2.6% 내지 3.6%의 총 신장률을 나타낼 수 있다. 또한, 호일은 50 그램 하중하에 시험시 9.10 GPa 내지 9.21 GPa 범위의 평균 미소경도(microhardness)를 나타낼 수 있다.

와이어 형태의 형성된 합금 (테일러-울리토브스키 공정에 의해 형성된 바와 같음)은, 0.001s^-1의 변형 속도에서 시험시 하기 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 최대 인장 강도는, 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 2.3 GPa 내지 5.8 GPa의 범위일 수 있다. 총 신장률은 그 안에 모든 값 및 증가분을 포함하여 1.9% 내지 12.8%의 범위일 수 있다. 섬유로 형성시 (하이퍼켄칭에 의해 형성된 바와 같음) 합금은 0.62 GPa 내지 1.47 GPa 범위의 최대 인장 강도 및 0.67% 내지 2.56%의 총 신장률을 나타낼 수 있다.

따라서, 일반적으로, 합금 조성물은 0.001 s^-1의 변형 속도에서 측정시, 그 안에 모든 값 및 범위를 포함하여 0.62 GPa 내지 5.8 GPa 범위의 최대 인장 강도를나타낼 수 있다. 더욱이, 합금 조성물은 0.001 s^-1의 변형 속도에서 측정시, 그 안에 모든 값 및 범위를 포함하여 0.67% 내지 12.8% 범위의 총 신장률을 나타낼 수 있다. 합금은 또한, 50 그램 하중하에 시험시 그 안에 모든 값 및 범위를 포함하여 9.10 GPa 내지 9.21 GPa 범위의 미소경도를 나타낼 수 있다. 또한, 서술된 바와 같이 형성된 합금은 서술된 바와 같이 제조시 다수의 나노규모 특질을 지시하는 것이며 명시된 SGMM 구조의 형성 및 측정의 단위, 예컨대 선형 미터당 전단 밴드 밀도 또는 수를 나타낸다. 일부 실시양태에서 금속성 유리 매트릭스가 존재할 수 있고 여기서 매트릭스는 반-결정질 또는 결정질 클러스터를 포함할 수 있다. 클러스터는 1 내지 15 nm 두께 및 2 내지 60 nm 길이의 범위인 크기를 나타낼 수 있다. 다른 실시양태에서, 금속성 유리 매트릭스는 수 nm 길이 내지 125 나노미터 길이의상호접속된(interconnected) 나노규모 상 범위를 포함할 수 있다.

실시예

샘플 제조

고 순도 및 시판 순도 원소를 사용하여, 표 1에 제공된 원자비에 따라 목표 합금의 15 g 합금 공급 원료의 무게를 달았다. 그 다음, 공급 원료 재료를 아크-용융 시스템의 구리로(copper hearth) 내부로 위치시켰다. 공급 원료를 고순도의 아르곤을 차폐 가스(shielding gas)로서 사용하여 잉곳으로 아크-용융시켰다. 잉곳을 균일성을 확보하기 위해 수차례 뒤집고 재용융시켰다. 혼합 후, 그 다음 잉곳을 대략 12 mm 폭과 30 mm 길이 및 8 mm 두께의 핑거(finger)의 형태로 주조하였다. 그 다음 생성된 핑거를 ~ 0.81 mm의 구멍 직경을 갖는 석영 도가니 내의 용융-방사 챔버에 위치시켰다. 그 다음 잉곳을 RF 유도를 사용하여 상이한 분위기 및 온도에서 용융시킴으로써 가공한 다음, 10.5에서 39 m/s까지로 다양한 접선 속도로 회전하는 245 mm 직경의 구리 휠 상으로 방출시켰다.

[표 1] 합금의 화학 조성

표 1의 합금은 다양한 조건 하에 용융-방사시켰다. 각각의 합금에 관한 대표적인 용융-방사 파라미터를 표 2에 열거하였으며, 이는 결과적으로 비교적 상당한 수준의 인장 연성의 달성을 초래하였다.

[표 2] 합금의 용융-방사 파라미터

잉곳 형태의 합금의 밀도를 공기와 증류수 둘 다에서 무게를 달 수 있도록 특별히 구축된 저울에서 아르키메데스 방법(Archimedes method)을 사용하여 측정하였다. 각각의 합금에 관한 아크-용융된 15 그램의 잉곳의 밀도를 표 3에 표로 만들었으며, 7.56 g/cm³에서 7.75 g/cm³까지 다양하다는 것을 알게 되었다. 실험 결과로 이 기술의 정확도가 +/-0.01 g/cm³이라는 것으로 밝혀졌다.

[표 3] 합금의 밀도

열 분석은 DSC-7 옵션(option)을 갖는 퍼킨 엘머(Perkin Elmer) DTA-7 시스템 또는 NETZSCH DSC404 F3 DSC에서 고화된 리본 구조에 관해 수행하였다. 시차 열 분석(DTA) 및 시차 주사 열량측정(DSC)은 초고순도의 아르곤을 흐르게 함으로써 산화 방지된 샘플에 10℃/분의 가열 속도로 수행하였다. 표 4에서, 유리에서 결정질로의 변환에 관한 DSC 데이타를 표 1에 열거되고 표 2에서 특정된 파라미터에서 용융-방사된 각각의 합금에 관해 나타내었다. 알 수 있는 바와 같이, 모든 합금은 유리에서 결정질로의 변환을 나타내며, 이는 방사된 상태가, 예를 들어 10% 이상의 용적 퍼센트 수준에서 비교적 상당한 분율(fraction)의 금속성 유리를 함유한다는 것을 증명한다. 유리에서 결정질로의 변환은 395℃ 내지 576℃의 온도 범위에서, -21.4 J/g 내지 -115.3 J/g의 변환의 엔탈피와 함께 한 단계 또는 2개의 단계로 일어난다.

[표 4] 용융-방사된 리본에서 유리에서 결정질로의 변환에 관한 DSC 데이타

원자%, * 2개의 중첩 피크

완전히 평평하게 굽혀지는 리본의 능력은 연성 조건을 지시하는 것이며, 그로 인해 비교적 높은 변형이 수득될 수 있으나 전통적인 굽힘 시험에 의해 측정되는 것이 아니다. 리본이 그들 주위에서 완전히 접히는 경우, 리본은 복잡한 역학(mechanics)으로부터 도출되는 바와 같이, 119.8% 만큼 높을 수 있는 높은 변형을 경험할 수 있다. 180°굽힘 (즉, 평평한) 동안, 4개 유형의 거동(behavior)이 관찰될 수 있고; 유형 1 거동 - 파손 없이 굽힘 가능, 유형 2 거동 - 외측으로 향하는 주조 휠과 접촉하는 면 (휠 측)을 갖는 한쪽 면으로 굽힘 가능, 유형 3 거동 - 외측으로 향하는 주조 휠로부터 떨어져 있는 면 (자유 측)을 갖는 한쪽 면으로 굽힘 가능, 및 유형 4 거동 - 주조 휠과 접촉하는 면이든 주조 휠과 접촉하지 않는 면이든, 양쪽 면으로 굽힘 가능. 표 5에, 특정 거동 유형을 포함하는 180°굽힘 결과의 요약을 표 1에 열거되고 표 2에서 특정된 파라미터에서 용융-방사된 각각의 합금에 관해 나타내었다. 용융-방사된 리본의 두께는 20에서 85 μm까지 다양하다.

[표 5] 리본 두께 및 굽힘 거동에 관한 요약

금속 리본의 기계적 특성은 마이크로규모(microscale)의 인장 시험을 사용하여 실온에서 수득하였다. 시험은 어니스트 풀럼 인코포레이티드(Ernest Fullam Inc.)에 의해 제조된 상업적 인장 단계로 수행하였고, 이는 MTEST 윈도우 소프트웨어 프로그램에 의해 모니터링되고 제어되었다. 변형은 그립핑 시스템(gripping system)을 통해 스텝핑 모터(stepping motor)에 의해 인가하였으며 한편 하중은 하나의 그립핑 죠(gripping jaw)의 말단에 연결된 로드 셀(load cell)에 의해 측정하였다. 변위(displacement)는 2개의 그립핑 죠에 부착되어 게이지(gauge) 길이의 변화를 측정하는 선형 가변 차동 변압기(Linear Variable Differential Transformer:LVDT)를 사용하여 수득하였다. 시험 전에, 리본 인장 견본의 두께 및 폭을 게이지 길이의 상이한 위치에서 적어도 3회 주의 깊게 측정하였다. 그 다음 게이지 두께 및 폭으로서 평균값을 기록하였으며, 후속 응력 및 변형 계산을 위한 입력 파라미터로서 사용하였다. 인장 시험을 위한 초기 게이지 길이는 ~7 mm 내지 ~9 mm에서 설정하고, 2개의 그립핑 죠의 정면 간의 리본 스팬(span)을 정확하게 측정함으로써, 리본이 고정된 후에 정확한 값을 결정하였다. 모든 시험을 ~0.001 s^-1의 변형 속도로, 변위 제어 하에서 수행하였다. 총 신장률, 항복 강도, 최대 인장 강도, 및 영률(Young's Modulus)을 포함하는 인장 시험 결과의 요약을 표 6에, 표 1에 열거되고 표 2에서 특정된 파라미터에서 용융-방사된 각각의 합금에 관해 나타내었다. 표 6에 도시된 결과는 장비의 컴플라이언스(machine compliance)를 위해 조정되었으며, 9 mm의 게이지 길이에서 측정되었다는 것에 주목한다. 또한, 용융-분사 공정으로부터 발생하는 우발적인 거대 결함이 감소된 특성을 갖는 국소화된 영역을 야기할 수 있기 때문에 각각의 별개의 합금을 3회 측정하였다는 것에 주목한다. 알 수 있는 바와 같이, 인장 강도 값은 2.30 GPa 내지 3.27 GPa까지 다양하며 한편 총 신장률 값은 2.27%에서 4.78%까지 다양하다. 합금에 관한 영률 값은 66.4 내지 188.5 GPa 범위로 측정되었다. 추가로, 모든 합금은 결정질 금속과 같이 변형 경화(strain hardening)를 나타내는 능력을 실증하였다.

[표 6] 용융-방사된 리본의 인장 특성의 요약

사례

사례 1

상업적 가공 연구를 위하여, 합금 비용을 최소화하기 위하여 선택된 다양한 철 첨가제(ferroadditive) 및 다른 용이하게 상업적으로 입수용이한 성분을 사용하여 표 1에 열거된 합금을 상업적 순도 (10 원자% 순도 이하)로 제조하였다. 표 7에, 상업적 제조 시험에 사용된 합금의 요약을 제시하였다. 물리적 차원 및 제조된 총 길이를 포함하는 생성된 상업적 시판 제품의 기재를 표 8에 제공하였다.

각각의 합금 유형에 관한 제품의 추가 예는 도 1 내지 12에 제공되어 있다.

[표 7] 상업적 제조 시험에 사용된 합금에 관한 요약

[표 8] 시판 제품에 관한 요약

사례 #2

테일러-울리토브스키 공정을 사용하여, 인덕터 내부 액체 금속 소적 위치, 용융 온도 과열, 유리 공급 속도, 진공 압력(vacuum pressure force), 스풀 권취(spool winding) 속도, 유리 공급 원료 유형 등의 변화를 포함하는 다종 다양한 파라미터 변화를 사용하여 다양한 와이어를 제조하였다. 제조된 마이크로와이어의 파라미터의 요약을 표 8에 제공하였다.

금속 코어 직경은 3에서 162 μm까지 다양했으며 한편 총 와이어 직경 (즉 유리 코팅물을 포함함)은 5에서 182 μm까지 다양했다. 제조된 와이어의 길이는 공정 조건의 안정성에 의존하여 28에서 9000 m까지 다양했다.

마이크로와이어의 기계적 특성은 마이크로규모의 인장 시험을 사용하여 실온에서 측정하였다. 시험은 어니스트 풀럼 인코포레이티드에 의해 제조된 상업적 인장 단계로 수행하였고, 이는 MTEST 윈도우 소프트웨어 프로그램에 의해 모니터링되고 제어되었다. 변형은 그립핑 시스템을 통해 스텝핑 모터에 의해 인가하였으며 한편 하중은 하나의 그립핑 죠의 말단에 연결된 로드 셀에 의해 측정하였다. 변위는 2개의 그립핑 죠에 부착되어 게이지 길이의 변화를 측정하는 선형 가변 차동 변압기(LVDT)를 사용하여 수득하였다. 시험 전에, 각각의 와이어의 직경을 게이지 길이의 상이한 위치에서 적어도 3회 주의 깊게 측정하였다. 그 다음 게이지 직경으로서 평균값을 기록하였으며, 후속 응력 및 변형 계산을 위한 입력으로서 사용하였다. 모든 시험을 ~0.001 s^-1의 변형 속도로, 변위 제어하에 수행하였다. 와이어 직경 (금속 코어 및 전체), 측정된 게이지 길이, 총 신장률, 인가된 하중 (선행 로딩(preloading) 및 피크 로딩) 및 측정 강도 (항복 응력 및 최대 인장 강도)를 포함하는 인장 시험 결과의 요약을 표 9 내지 13에 제공하였다. 알 수 있는 바와 같이, 인장 강도 값은 2.3 GPa에서 5.8 GPa까지 다양하며 한편 총 신장률 값은 1.9%에서 12.8%까지 다양하다.

[표 9] 합금2 마이크로와이어의 인장 특성

[표 10] 합금 3 마이크로와이어의 인장 특성

[표 11] 합금 4 마이크로와이어의 인장 특성

[표 12] 합금 5 마이크로와이어의 인장 특성

[표 13]합금 7 마이크로와이어의 인장 특성

사례 #3

평면 유동 주조 공정을 사용하여, 합금 6, 합금 8, 합금 9, 합금 11, 및 합금 12로부터 호일을 제조하였다. 호일 두께는 22에서 49 μm까지 다양하였고, 호일 폭은 6.5에서 50 mm까지 다양하였고 제조된 호일의 길이는 시행(run) 당 ~ 100 m 내지 1 km 초과이었다. 호일의 굽힘 능력은 주문(custom-built) 파형화 기계(corrugation machine)를 사용하여 1 m 길이 연속상 호일에 관해 파형화 방법에 의해 평가(estimate)하였다. 파형화 후 호일의 이미지를 도 13에 제시하였다. 모든 5개의 합금은 파형화 변형 동안 0개의 파손을 갖는 유형 4 굽힘 거동을 실증하였다. (표 14).

[표 14] 호일의 굽힘 능력 시험에 관한 결과

호일의 기계적 특성은 미소경도 측정 및 인장 시험에 의해 평가하였다. 미소경도 시험은 레코 코포레이션(Leco Corporation)에 의해 제조된 M400H1 미소경도 테스터(tester)를 사용하여 50 g의 하중하에 수행하였다. 미소경도 데이타의 요약을 표 15에 제시하였다. 알 수 있는 바와 같이, 모든 3개의 합금은 9.10 내지 9.21 GPa 범위의 평균 미소경도 값을 나타내었다. 재료의 인장 강도가 그의 경도의 ~1/3인 확립된(well established) 관계를 사용하여, 호일 재료의 강도 수준을 평가할 수 있다. 호일 형태의 모든 3개의 합금에 관한 기대 강도 값은 적어도 3 GPa이다.

[표 15] 호일 제품의 미소경도 ( GPa )

호일의 인장 특성은 마이크로규모의 인장 시험을 사용하여 실온에서 수득하였다. 시험은 어니스트 풀럼 인코포레이티드에 의해 제조된 상업적 인장 단계로 수행하였고, 이는 MTEST 윈도우 소프트웨어 프로그램에 의해 모니터링되고 제어되었다. 변형은 그립핑 시스템을 통해 스텝핑 모터에 의해 인가하였으며 한편 하중은 하나의 그립핑 죠의 말단에 연결된 로드 셀에 의해 측정하였다. 변위는 2개의 그립핑 죠에 부착되어 게이지 길이의 변화를 측정하는 선형 가변 차동 변압기(LVDT)를 사용하여 수득하였다. 게이지 길이가 9 mm이고 게이지 폭이 2 mm인 도그본 견본(Dogbone specimen)은 EDM에 의해 절단하였다. 시험 전에, 각각의 견본의 기하학적 파라미터를 게이지 길이의 상이한 위치에서 적어도 3회 주의 깊게 측정하였다. 그 다음 게이지 길이, 두께 및 폭을 포함하여 평균값을 기록하였으며 후속 응력 및 변형 계산을 위한 입력으로서 사용하였다. 모든 시험을 ~0.001s^-1의 변형 속도로, 변위 제어하에 수행하였다. 호일 두께, 폭, 게이지 길이, 총 신장률, 파손 하중 및 측정 강도 (항복 응력 및 최대 인장 강도)를 포함하는 인장 시험 결과의 요약을 표 16에 제공하였다. 알 수 있는 바와 같이, 인장 강도 값은 1.77 GPa에서 3.13 GPa까지 다양하며, 총 신장률 값은 2.6%에서 3.6%까지 다양하다. 밝혀진 측정된 강도 값의 산재(scattering)는 최적화되지 않은 공정 파라미터의 결과로서 상업적으로 제조된 호일 중 거대규모(macroscale) 결함의 결과인 것으로 여겨진다.

[표 16] 호일 제품의 인장 특성

사례 #4

하이퍼켄칭 공정을 사용하여, 합금 8로부터의 섬유를 제조하였다. 섬유 두께는 37에서 53 μm까지 다양하였고, 섬유 폭은 1.4에서 2.3 mm까지 및 길이는 25에서 30 mm까지 다양하였다. 완전히 평평하게 굽혀지는 리본의 능력은 연성 조건을 지시하는 것이며, 그로 인해 높은 변형이 수득될 수 있으나 전통적인 굽힘 시험에 의해 측정되는 것이 아니다. 섬유가 그들 주위에서 완전히 접히는 경우, 섬유는 복잡한 역학으로부터 도출되는 바와 같이, 119.8% 만큼 높을 수 있는 높은 변형을 경험할 수 있다. 상이한 조건에서 제조된 섬유의 180°굽힘 (즉, 평평한) 동안, 4개 유형의 거동이 관찰되었고; 유형 1 거동 - 파손 없이 굽힘 가능, 유형 2 거동 - 외부로 휠 측을 갖는 한쪽 면 (휠 측)으로 굽힘 가능, 유형 3 거동 - 외부로 자유 측을 갖는 한쪽 면 (자유 측)으로 굽힘 가능, 및 유형 4 거동 - 양쪽 면으로 굽힘 가능. 도 14에 하이퍼켄칭 공정 동안 휠 속도의 함수로서 180°굽힘 결과의 요약을 제시하였다.

100% 굽힘성을 나타낸 섬유의 인장 특성을 마이크로규모의 인장 시험을 사용하여 실온에서 측정하였다. 시험은 어니스트 풀럼 인코포레이티드에 의해 제조된 상업적 인장 단계로 수행하였고, 이는 MTEST 윈도우 소프트웨어 프로그램에 의해 모니터링되고 제어되었다. 변형은 그립핑 시스템을 통해 스텝핑 모터에 의해 인가하였으며 한편 하중은 하나의 그립핑 죠의 말단에 연결된 로드 셀에 의해 측정하였다. 변위는 2개의 그립핑 죠에 부착되어 게이지 길이의 변화를 측정하는 선형 가변 차동 변압기(LVDT)를 사용하여 수득하였다. 시험 전에, 각각의 견본의 기하학적 파라미터를 게이지 길이의 상이한 위치에서 적어도 3회 주의 깊게 측정하였다. 그 다음 게이지 길이, 두께, 및 폭으로서 평균값을 기록하였으며 후속 응력 및 변형 계산을 위한 입력으로서 사용하였다. 모든 시험을 ~0.001 s^-1의 변형 속도로, 변위 제어하에 수행하였다. 호일 두께, 폭, 게이지 길이, 총 신장률, 파손 하중 및 측정 강도 (항복 응력 및 최대 인장 강도)를 포함하는 인장 시험 결과의 요약을 표 17에 제공하였다. 상업적으로 제조된 섬유의 인장 강도 값은 0.62 GPa 에서 1.47 GPa까지 다양하며 총 신장률 값은 0.67%에서 2.56%까지 다양하다.

[표 17] 합금 8 섬유 제품의 인장 특성

상업적으로 제조된 섬유의 인장 특성 값은 동일한 합금으로부터 실험실 제조된 리본에 관한 것보다 낮다 (표 6). 인장 특성 이탈의 주된 이유는 도 15a 및 15b에서 명백히 알 수 있는 상업적으로 제조된 섬유에서의 큰 정도의 거대결함 (MD)으로 인한 것으로 보인다. 이들 거대결합의 형성은 초기 상업적 시험에서 최적화되지 않은 하이퍼켄칭 공정 파라미터의 결과로서 보이고 추가의 공정 최적화에 의해 해소될 수 있다. 도 15b에서 알 수 있는 바와 같이, 단면적은 마이크로미터로 측정된 평균값으로부터 크게 감소하고, 이는 이례적으로 낮은 인장 강도 값을 야기한다.

사례 #5

고 순도 원소를 사용하여, 표 1에 제공된 원자비에 따라 합금 1, 합금 4, 및 합금 8의 15 g 합금 공급 원료의 무게를 달았다. 그 다음, 공급 원료 재료를 아크-용융 시스템의 구리로 내부로 위치시켰다. 공급 원료를 고순도의 아르곤을 차폐 가스로서 사용하여 잉곳으로 아크-용융시켰다. 잉곳을 조성물 균일성을 확보하기 위해 수차례 뒤집고 재용융시켰다. 혼합 후, 그 다음 잉곳을 대략 12 mm 폭과 30 mm 길이 및 8 mm 두께의 핑거의 형태로 주조하였다. 그 다음 생성된 핑거를 ~ 0.81 mm의 구멍 직경을 갖는 석영 도가니 내의 용융-방사 챔버에 위치시켰다. 잉곳을 RF 유도를 사용하여 용융시킨 다음, 245 mm 직경의 구리 휠 상으로 방출시켰다. 용융-방사 파라미터를 표 2에 제공하였다.

용융-방사 리본 중 나노규모 구조를 조사하기 위해, TEM 호일을 10 μm 미만으로 기계적 분쇄 후 화학-기계적 연마(polishing)를 사용하여 제조하였다. 그 다음 이를 ~ 4 keV의 이온 빔 에너지 수준에서 조작되는 가탄(Gatan)사의 정밀 이온 연마 시스템(Precision Ion Polishing System: PIPS)을 사용하여 천공(perforation)될 때까지 이온 밀링하였다. TEM 관찰은 조엘(JOEL) 2010 TEM에서 수행하였다. 리본 미세 구조의 TEM 현미경 사진은 인세트(inset) 중 상응하는 선택된 영역 회절 패턴과 함께 도 16a 내지 16c에 도시되어 있다. 이를 알 수 있는 바와 같이, 스피노달 분해로부터 생성된 나노규모 구조는 금속성 유리 매트릭스 중 상호접속된 나노규모 상이고 이는 크기가 수 나노미터 내지 ~ 100 nm 범위일 수 있다. 연구된 합금에 관해, 비정질(amorphous) 매트릭스 중 결정질 상의 균일하고 주기적인 분포가 형성되는 경우 미시적 성분 밴드, 부분적 분해, 및 완전 분해를 포함하여 다양한 형태의 스피노달 분해의 그러한 예가 관찰되었음이 고려된다. 비정질 매트릭스 중 결정질의 스피노달적으로(spinodally) 형성된 상을 갖는 이러한 특정 스피노달 미시적 성분은 대표적인 확인된 SGMM 구조임을 주목한다.

사례 #6

테일러-울리토브스키 공정을 사용하여, 금속 코어 직경이 ~ 33 μm인 합금 3으로부터의 마이크로와이어, 금속 코어 직경이 ~ 20 μm인 합금 4로부터의 마이크로와이어 및 금속 코어 직경이 ~ 20 μm인 합금 8로부터의 마이크로와이어를 제조하였다. TEM 분석을 위한 샘플을 먼저 단일층의 균일하게 배열된 마이크로와이어 어레이(array)를 제조한 다음 이를 매우 작은 드롭의 강력순간접착제(super glue)를 사용하여 2 mm 폭 슬롯(slot)을 갖는 TEM 그리드(grid) 상으로 고정시켜 제조하였다. 경화 후, 마이크로와이어를 ~ 4 keV의 이온 빔 에너지 수준에서 조작되는 가탄사의 정밀 이온 연마 시스템(PIPS)에서 이온 밀링하였다. 이온 빔 입사각은 처음에는 10°, 그 다음 천공 후 7°로 감소시켰으며, 각을 4°로 추가로 감소시켜 마무리함으로써 TEM 조사를 위해 적절한 얇은 영역을 보장하였다. 이온-밀링은 느린 연마 공정이고 여기서 재료는 현재 최외각 표면으로부터 점차 제거되기 때문에, 첨예한 나노규모 팁(tip)으로부터 수득된 TEM 현미경 사진은 마이크로와이어 중심의 미세 구조를 나타낸 것이다. 마이크로와이어에서 관찰된 미세 구조는 도 17ai, 17bi 및 17ci에 도시되어 있다.

구조는 1 내지 15 nm 두께 및 2 내지 60 nm 길이의 클러스터의 주기적인 배열을 함유하는 금속성 유리 매트릭스로 이루어진다. 클러스터의 주기적인 배열, 그의 형상, 및 그의 크기는 이들이 스피노달 분해의 결과로서 과포화 유리 매트릭스로부터 형성되었음을 지시하는 것이다. 마이크로와이어의 중심은 나노규모 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분 구조를 갖고, 이는 동일한 합금의 융용-방사된 리본에서 빈번히 관찰되어 있다. 도 17aii, 17bii, 17cii에 도시된, 상응하는 SAED 패턴은 유리 매트릭스의 제1의 밟은 비정질 할로 및 클러스터의 결정질 회절 환(ring) 둘 다를 포함하는 다중 회절 환으로 이루어진다. 비정질 할로의 높은 회절 강도는 비정질 상이 마이크로와이어의 매트릭스 상을 형성하는 비교적 대량의 분율을 가짐을 지시하는 것이다. 결정질 회절 환의 비교적 약한 회절 강도는 나노결정이 비정질 매트릭스 내부에 분산되어 있음을 시사하는 것이다.

사례 #7

평면 유동 주조 공정을 사용하여, 합금 8로부터 호일을 제조하였다. TEM 분석을 위해 10 μm 미만의 얇은 샘플을 기계적 분쇄 후 화학-기계적 연마를 사용하여 제조하였다. 그 다음 이를 ~ 4 keV의 이온 빔 에너지 수준에서 조작되는 가탄사의 정밀 이온 연마 시스템(PIPS)을 사용하여 천공될 때까지 이온 밀링하였다. TEM 관찰은 조엘 2010 TEM에서 수행하였다. 호일 미세 구조의 TEM 현미경 사진은 상응하는 선택된 영역 회절 패턴과 함께 도 18a 및 18b에 도시되어 있다. 구조는 5 내지 30 nm 크기의 클러스터의 주기적인 배열을 함유하는 금속성 유리 매트릭스로 이루어진다. 클러스터의 주기적인 배열, 그의 형상, 및 그의 크기는 이들이 스피노달 분해의 결과로서 과포화 유리 매트릭스로부터 형성되었음을 지시하는 것이다. 상응하는 SAED 패턴은 대부분의 용적이 형성된 반결정 클러스터와 함께, 비정질로 남아 있으며 이들은 결정을 형성하기 이전 단계에 있음을 시사하는 것이다.

사례 #8

하이퍼켄칭 공정을 사용하여, 합금 8로부터 섬유를 제조하였다. TEM 분석을 위해 10 μm 미만의 얇은 샘플을 기계적 분쇄 후 화학-기계적 연마를 사용하여 제조하였다. 그 다음 이를 ~ 4 keV의 이온 빔 에너지 수준에서 조작되는 가탄사의 정밀 이온 연마 시스템(PIPS)을 사용하여 천공될 때까지 이온 밀링하였다. TEM 관찰은 조엘 2010 TEM에서 수행하였다. 섬유 미세 구조의 TEM 현미경 사진은 상응하는 선택된 영역 회절 패턴과 함께 도 19a 및 19b에 도시되어 있다. 구조는 결정질인 클러스터의 주기적인 배열을 함유하는 금속성 유리 매트릭스로 이루어진다. 클러스터의 주기적인 배열, 그의 형상, 및 그의 크기는 이들이 스피노달 분해의 결과로서 과포화 유리 매트릭스로부터 형성되었음을 지시하는 것이다. 상응하는 SAED 패턴은 유리 매트릭스의 제1의 밟은 비정질 할로 및 클러스터의 결정질 회절 환 둘 다를 포함하는 다중 회절 환으로 이루어진다. 비정질 할로의 높은 회절 강도는 비정질 상이 섬유의 매트릭스 상을 형성하는 비교적 대량의 분율을 가짐을 지시하는 것이다.

사례 #9

고순도 원소를 사용하여, 표 1에 제공된 원자비에 따라 합금 1의 15 g 합금 공급 원료의 무게를 달았다. 그 다음, 공급 원료 재료를 아크-용융 시스템의 구리로 내부로 위치시켰다. 공급 원료를 고순도의 아르곤을 차폐 가스로서 사용하여 잉곳으로 아크-용융시켰다. 잉곳을 조성물 균일성을 확보하기 위해 수차례 뒤집고 재용융시켰다. 혼합 후, 그 다음 잉곳을 대략 12 mm 폭과 30 mm 길이 및 8 mm 두께의 핑거의 형태로 주조하였다. 그 다음 생성된 핑거를 ~ 0.81 mm의 구멍 직경을 갖는 석영 도가니 내의 용융-방사 챔버에 위치시켰다. 잉곳을 RF 유도를 사용하여 용융시킨 다음, 접선 속도 16 m/s로 245 mm 직경의 구리 휠 상으로 방출시켰다. 용융-방사된 리본을 인장 상태에서 시험하고 선택된 시험된 리본의 표면을 2차 전자 이미징(electron imaging)을 사용하여 SEM에 의해 조사하였다. 변형 후, 선형 미터당 고 전단 밴드 (SB) 수를 도 20a 및 20b에 도시된 바와 같이 리본 표면 상에서 관찰하였다. 종래의 금속성 유리에서 인장 시험과 같은 제약이 없는 로딩 조건은 대개 결과적으로 한 단일의 걷잡을 수 없는 전단 밴드를 초래할 수 있고 이는 실패로 끝나게 됨을 인식할 수 있다. 선형 미터당 전단 밴드의 수는 도 20A에 관해 1.06 x 10⁵m^-1이고 도 20B에 관해 1.14 x 10⁵m^-1이다.

사례 #10

테일러-울리토브스키 공정을 사용하여, 합금 2로부터 마이크로와이어를 제조하였다. 마이크로와이어를 인장 상태에서 시험하였고 시험된 와이어의 표면을 칼 차이스 에스엠티 인코포레이티드(Carl Zeiss SMT Inc.)에 의해 제조된 EVO-60 주사 전자 현미경을 사용하여 SEM에 의해 조사하였다. 전형적인 조작 조건은 17.5kV의 전자 빔 에너지, 2.4 A의 필라멘트 전류, 및 800의 스팟(spot) 크기 설정이었다. 에너지 분산 분광법(Energy Dispersive Spectroscopy)을 제네시스(Genesis) 소프트웨어를 사용하여 아폴로(Apollo) 규소 드리프트 검출기(silicon drift detector) (SDD-10)로 수행하였고 이들 둘 다 EDAX로부터의 것이었다. 증폭기 시간은 6.4 마이크로초(micro-sec)로 설정하여 검출기 불감 시간(detector dead time)은 약 12 내지 15%가 되었다. 변형 후, 선형 미터당 다수의 전단 밴드 (SB)가 도 21a 및 21b에 도시된 바와 같이 마이크로와이어 표면 상에서 관찰되었다. 게다가, 광대한(extensive) 네킹 (N)이 실패 이전에 마이크로와이어에서 검출되었다 (도 21b). 도 21a 및 21b에서, 선형 미터당 전단 밴드 (SB)의 수는 인장 시험된 마이크로와이어 중 균일하게 변형된 영역 및 네킹 (N) 영역 각각에 관해 2.50 x 10⁵m^-1 및 6.30 x 10⁵m^-1이다.

사례 #11

평면 유동 주조 공정을 사용하여, 합금 1로부터 호일을 제조하였다. 호일을 180°굽힘에 의해 시험하였고 시험된 견본의 표면을 칼 차이스 에스엠티 인코포레이티드에 의해 제조된 EVO-60 주사 전자 현미경을 사용하여 SEM에 의해 조사하였다. 전형적인 조작 조건은 17.5kV의 전자 빔 에너지, 2.4 A의 필라멘트 전류, 및 800의 스팟 크기 설정이었다. 에너지 분산 분광법을 제네시스 소프트웨어를 사용하여 아폴로 규소 드리프트 검출기 (SDD-10)로 수행하였고 이들 둘 다 EDAX로부터의 것이었다. 증폭기 시간은 6.4 마이크로초로 설정하여 검출기 불감 시간은 약 12 내지 15%가 되었다. 변형 후, 고 전단 밴드 밀도, 또는 단위 치수(unit measurement)당 전단 밴드의 수가 도 22에 도시된 바와 같이 호일 표면 상에서 관찰되었다. 또 한편, 인식할 수 있는 바와 같이, 종래의 금속성 유리에서 인장 시험과 같은 제약이 없는 로딩 조건은 대개 결과적으로 한 단일의 걷잡을 수 없는 전단 밴드를 초래할 수 있다. 따라서, 여기서 호일을 180°굽힘에 의해 시험한 경우, 도 22에서 인장 측 상에 선형 미터당 전단 밴드의 수는 3.55 x 10⁵m^-1이었다.

사례 #12

하이퍼켄칭 공정을 사용하여, 합금 8로부터 섬유를 제조하였다. 섬유를 180°굽힘에 의해 시험하였고 시험된 섬유의 표면을 칼 차이스 에스엠티 인코포레이티드에 의해 제조된 EVO-60 주사 전자 현미경을 사용하여 SEM에 의해 조사하였다. 전형적인 조작 조건은 17.5kV의 전자 빔 에너지, 2.4 A의 필라멘트 전류, 및 800의 스팟 크기 설정이었다. 에너지 분산 분광법을 제네시스 소프트웨어를 사용하여 아폴로 규소 드리프트 검출기 (SDD-10)로 수행하였고 이들 둘 다 EDAX로부터의 것이었다. 증폭기 시간은 6.4 마이크로초로 설정하여 검출기 불감 시간은 약 12 내지 15%가 되었다. 변형 후, 고 전단 밴드 (SB) 밀도, 또는 선형 미터당 전단 밴드의 수가 도 23에 도시된 바와 같이 섬유 표면 상에서 관찰되었다. 광대한 수의 거대결함 (MD)에도 불구하고, 응력 집중(stress concentration)으로부터 균열 발생이 관찰되지 않았고 이는 전단 밴드 변형 메카니즘이 활성이어서 결함된 영역에서 변형을 수용하였음을 지시하는 것이다. 도시된 바와 같은 섬유의 표면은 인장 측 상에 선형 미터당 다수의 전단 밴드 6.12 x 10⁵m^-1을 나타내었다.

사례 #13

고순도 원소를 사용하여, 표 1에 제공된 원자비에 따라 합금 1의 15 g 합금 공급 원료의 무게를 달았다. 그 다음, 공급 원료 재료를 아크-용융 시스템의 구리로 내부로 위치시켰다. 공급 원료를 고순도의 아르곤을 차폐 가스로서 사용하여 잉곳으로 아크-용융시켰다. 잉곳을 조성물 균일성을 확보하기 위해 수차례 뒤집고 재용융시켰다. 혼합 후, 그 다음 잉곳을 대략 12 mm 폭과 30 mm 길이 및 8 mm 두께의 핑거의 형태로 주조하였다. 그 다음 생성된 핑거를 ~ 0.81 mm의 구멍 직경을 갖는 석영 도가니 내의 용융-방사 챔버에 위치시켰다. 잉곳을 RF 유도를 사용하여 용융시킨 다음, 접선 속도 10.5 m/s로 이동하는 245 mm 직경의 구리 휠 상으로 방출시켰다. 리본은 폭이 1.33 mm이고 두께가 0.07 mm이었다. 용융-방사된 리본을 인장 상태에서 시험하고 선택된 샘플로부터 TEM 호일을 10 μm 미만으로 기계적 분쇄 후 화학-기계적 연마를 사용하여 시험된 견본의 게이지로부터 제조하였다. 그 다음 이를 ~ 4 keV의 이온 빔 에너지 수준에서 조작되는 가탄사의 정밀 이온 연마 시스템(PIPS)을 사용하여 천공될 때까지 이온 밀링하였다. TEM 관찰은 조엘 2010 TEM에서 수행하였다.

이동하는 전단 밴드와 SGMM 구조의 상호 작용은 결과적으로 국소적 변형 유발 변화 (LDIC)를 초래한다. 확인된 LDIC는 인-시투(in-situ) 나노결정화, 결정립 / 상 성장, 및 상 변화를 포함한다. 전파 전단 밴드에 앞서 나노결정화 및 결정립 성장을 나타내는 변형된 리본의 TEM 현미경 사진을 도 24에 제시하였으며, 이는 전파 전단 밴드가 원인이 되는 합금 1로부터의 변형된 리본의 미세 구조 중 상 변환의 예를 나타내는 것이다. 도 25b의 SAED 패턴 A, B, 및 C는 각각 도 25a의 3개의 영역 A, B, 및 C에 상응한다. 전파 전단 밴드 내부 및 그 근처로부터 취해진 SAED 패턴 중 회절 환 및 회절 스팟 둘 다에서의 변화는 변형되지 않은 영역으로부터 취해진 것에 비해 전단 변형에 의해 유발된 상 변환을 확인해주는 것이다.

사례 #14

고순도 원소를 사용하여, 표 1에 제공된 원자비에 따라 합금 1 및 합금 4의 15 g 합금 공급 원료의 무게를 달았다. 그 다음, 공급 원료 재료를 아크-용융 시스템의 구리로 내부로 위치시켰다. 공급 원료를 고순도의 아르곤을 차폐 가스로서 사용하여 잉곳으로 아크-용융시켰다. 잉곳을 조성물 균일성을 확보하기 위해 수차례 뒤집고 재용융시켰다. 혼합 후, 그 다음 잉곳을 대략 12 mm 폭과 30 mm 길이 및 8 mm 두께의 핑거의 형태로 주조하였다. 그 다음 생성된 핑거를 ~ 0.81 mm의 구멍 직경을 갖는 석영 도가니 내의 용융-방사 챔버에 위치시켰다. 잉곳을 RF 유도를 사용하여 용융시킨 다음, 245 mm 직경의 구리 상으로 방출시켰다. 용융-방사 파라미터를 표 2에 구체화하였다. 용융-방사된 리본을 인장 상태에서 시험하고 10 μm 미만으로 얇은 TEM 호일을 기계적 분쇄 후 화학-기계적 연마를 사용하여 시험된 견본의 게이지로부터 제조하였다. 그 다음 이를 ~ 4 keV의 이온 빔 에너지 수준에서 조작되는 가탄사의 정밀 이온 연마 시스템(PIPS)을 사용하여 천공될 때까지 이온 밀링하였다. TEM 관찰은 조엘 2010 TEM에서 수행하였다.

TEM 연구는 2개의 별개의 유형의 전단 밴드 상호 작용 ISBB 및 SBAI를 나타낸다. 도 26a에, ISBB 메카니즘을 나타내는 TEM 현미경 사진을 나타냈으며, 그로 인해 장력 축 (T)으로부터 ~40°배향된 전단 밴드가 좌측에서 우측으로 이동하며 도면의 중앙에서 관찰된다. 전단 밴드와 SGMM 구조 사이의 상호 작용은 복잡하고 도 26b에서, 전단 밴드가 둔화된 후, 긴 범위의 응력 장(stress field)이 전단 밴드의 장축의 방향으로 창출됨을 명확하게 나타내는 전단 밴드의 팁(tip)이 나타나 있으며 이는 결과적으로 전단 변환 구역 이상으로 발생되는 확장된 (수백 nm 까지) LDIC를 초래한다. 도 27a 및 27b에서, SBAI 메카니즘에 관한 세부 사항을 볼 수 있으며, 상호 작용 후, 2개의 전단 밴드가 4개의 분리된 미세 분지로 분할되고 이는 더 짧은 선형 거리 후 신속히 정지된다.

따라서, SGMM 구조는 전파 전단 밴드 (ISBB)를 중지시키는 내재적 능력을 가지고 일단 둔화되면, 후속적으로 추가의 응력을 통해 활성화되는 전단 밴드는 SBAI를 통해 정지된다. 그 다음 이들 복합한 상호 작용의 정점(culmination)은 상이한 제품 형태의 연구된 합금에서 관찰된 복수 전단 밴드화(banding) 및 전반적인(global) 가소성을 가능하게 하는 것으로 고려된다.

사례 #15

SGMM 구조는 지속적인 가소성 변형을 유지하기 위하여 점진적으로 더 큰 힘을 필요로 하는 인장 시험 동안 응력 경화를 나타낸다. 연구된 제품 형태의 각각의 유형에 대한 응력-변형 곡선의 예가 도 28에 도시되어 있다. 제품 형태의 기계적 특성은 마이크로규모 인장 시험을 사용하여 실온에서 수득하였다. 시험은 어니스트 풀럼 인코포레이티드에 의해 제조된 상업적 인장 단계로 수행하였고, 이는 MTEST 윈도우 소프트웨어 프로그램에 의해 모니터링되고 제어되었다. 변형은 그립핑 시스템을 통해 스텝핑 모터에 의해 인가하였으며 한편 하중은 하나의 그립핑 죠의 말단에 연결된 로드 셀에 의해 측정하였다. 변위는 2개의 그립핑 죠에 부착되어 게이지 길이의 변화를 측정하는 선형 가변 차동 변압기(LVDT)를 사용하여 수득하였다. 시험 전에, 인장 견본의 두께 및 폭을 게이지 길이의 상이한 위치에서 적어도 3회 주의 깊게 측정하였다. 그 다음 게이지 두께 및 폭으로서 평균값을 기록하였으며, 후속 응력 및 변형 계산을 위한 입력 파라미터로서 사용하였다. 인장 시험을 위한 초기 게이지 길이는 ~7 mm 내지 ~9 mm에서 설정하고 2개의 그립핑 죠의 정면 간의 스팬을 정확하게 측정함으로써, 제품이 고정된 후에 정확한 값을 결정하였다. 모든 시험을 ~0.001 s^-1의 변형 속도로, 변위 제어 하에서 수행하였다.

인장 강도 및 연성의 수준은 합금 조성, 제품 형태의 기하학적 파라미터, 제조된 제품의 품질 (각각의 합금에 관한 제조 공정 최적화에 의해 제어됨) 및 시험 조건에 의존한다. 그럼에도 불구하고, 인장 곡성이 나타내는 바와 같이, 항복 응력이, 전형적으로 탄성 응력의 1.0 내지 1.5%로 초과된 후, SGMM 합금은 제품 형태 및 품질과 상관없이 실패할 때까지 계속 강도를 얻는다. 전형적으로, 전단 변형은팽창(dilation)을 필요로 하고 자유 용적의 창출이 필요하게 되며 이는 점도의 국소 감소를 촉진하고 이는 변형 연화(strain softening) 및 파멸적 실패를 야기한다.

사례 #16

테일러-울리토브스키 공정을 사용하여, 합금 3으로부터 금속 코어 직경이 20 μm인 마이크로와이어를 제조하였다. 마이크로와이어를 비틀림 상태에서 40 mm 마이크로와이어 절편(segment)을 취하고 이를 빔에 고정함으로써 시험하였다. 그 다음 1.0 g 질량의 고정 하중(dead load)을 마이크로와이어 샘플의 말단에 부착시키고 이는 ~ 32 MPa 하중에 상응한다. 생성된 비틀림 하중(torsional load)을 고정 하중을 손으로 돌려 인가하였고 총 회전수를 세고 이용하여 전단 변형을 계산하였다. 시험 결과를 표 18에 제시하였다. 나타난 바와 같이, 파손에 관한 전단 변형은 5.79% 내지 7.03%이다.

[표 18] 마이크로와이어에 관한 비틀림-인장 시험의 결과

비틀림 실험된 마이크로와이어의 표면을 칼 차이스 에스엠티 인코포레이티드에 의해 제조된 EVO-60 주사 전자 현미경으로 조사하였다. 제약이 없는 인장-비틀림 로딩 하에 시험된 합금 3 마이크로와이어에 관해, 기존 전단 밴드로 전단 밴드 형성, 전단 밴드 둔화 및 전단 밴드 정지를 포함하는 적어도 3개 수준의 전단 밴드가 형성되었다 (도 29). 선형 미터당 전단 밴드의 수를 계산하였고 2.25 x 10⁶ m^-1이었다. 훨씬 더 높은 수준의 전단 밴드화가 존재할 수 있지만 SEM에서 이용가능한 공간 분해능으로 인해 드러나지 않음을 주목하여야 한다. 따라서, 전단 밴드 밀도 계산은 적게 잡은 것(conservative)이다.

전단 밴드 밀도

상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 금속성 유리 합금 또는 금속성 유리 매트릭스 복합체(composite) 중 거시적(macroscopic) 가소성 변형을 제공하는 합금 화학적 구조 선택 및 가공 조건은 결과적으로 전단 밴드 변형을 초래한다. 그 안에 모든 값 및 범위를 포함하여 10 nm 내지 100 nm 범위의 특정 두께를 갖는 전단 밴드는, 밴드 그 자체에 의해 분리되는 2개의 인접 용적 사이에 집중된 전단 변형의 결과로서 이제 형성된다. 이는 직통의(through) 두께 변형이기 때문에, 여기서 발생되는 선형 미터당 전단 밴드의 수는 또한 정량화되고 거시적으로 변형된 샘플 중 전단 밴드의 용적 분율로서 명시된 합금과 관련될 수 있다.

본원에 개시된 합금에 설비된 추가의 특징으로서 선형 미터와 같은 선형 단위당 전단 밴드의 수의 정량화는 재료를 대다수의 전단 밴드가 거의 평행일 때 단축 로딩(uniaxial loading) 조건에 적용할 경우 이제 확인될 수 있다. 이 경우, 전단 밴드 밀도는 이제 표면 상 전단 밴드 흔적(trace)에 국소적으로 수직인 방향으로 선형 길이에 의해 횡단되는 전단 밴드의 수로서 정량화될 수 있다. 단위-길이-당-수 정의 (m^-1)는 단축 로딩 하에 얇고 넓은 횡단면을 갖는 재료 중 거의 균일한 배향을 갖는 전단 밴드에 또한 적용될 수 있다. 비틀림과 함께 단축 하중과 같은 더 복잡한 응력 상태로, 전단 밴드는 복수 배향 및 심지어 유사한 접근법을 사용하여 이제 확인될 수 있는 더 높은 전단 밴드 밀도를 가질 것이다.

제약이 없는 로딩으로, 예컨대 인장 상태에서, 금속성 유리 또는 금속성 유리 복합 재료 중 전단 밴드는 상대적으로 낮을 수 있다. 전형적으로, 핵형성 및 단일 전단 밴드의 생성되는 전파와 함께 측정가능한 전반적인 가소성이 없이 실패가 일어날 수 있다. 전형적인 게이지 길이는 9 mm 내지 40 mm 범위이기 때문에, 선형 미터당 전단 밴드의 수는 여기서 2.5 x 10¹ m^-1 내지 1.1 x 10² m^-1인 것으로 이해될 수 있다.

본원에서 확인된 바와 같은 SGMM 구조 및 합금 화학적 구조를 포함하는 재료에서 적어도 2개의 메카니즘이 발생하여 비교적 높은 전단 밴드 밀도의 창출을 촉진하였다: ISBB 및 SBAI. 상기 사례에 의해 나타난 바와 같이, 단위 미터 당 비교적 다수의 전단 밴드는 장력이 0.001s^-1의 변형 속도로 인가될 경우 실패시 10⁵ 내지 10⁶ m^-1의 범위로 나타날 수 있다. 전단 밴드는 실패할 때까지 항복 강도가 초과된 후 연속적으로 생성되기 때문에 SGMM 구조 중 비교적 더 낮은 전단 밴드 밀도를 달성하는 것이 또한 달성가능한 것으로 고려된다. SGMM 구조를 갖는 재료 중 10² 내지 10⁵ m^-1의 범위로, 전단 밴드 밀도, 선형 미터당 다수의 전단 밴드를 발생시키기 위하여, 변형이 실패 전 중간 단계에서 중지될 수 있다. 따라서, 본원에 개시된 SGMM 재료에 관한 전단 밴드 밀도 범위는 10 m^-1의 증가분으로, 그 안에 모든 값 및 범위를 포함하여, 1.1 x 10² m^-1초과, 예컨대 10² m^-1 내지 10⁷ m^-1의 범위의 전단 밴드 밀도, 선형 미터당 다수의 전단 밴드이다. 따라서, 본 발명은 본원에서의 금속성 합금 화학적 구조에 관한 것이고, 이는, ISBB 및/또는 SBAI를 겪는 능력과 함께, SGMM 구조 형성에 감수성(susceptible)이어서 1.1 x 10² m^-1초과내지 10⁷ m^-1의 전단 밴드 밀도, 선형 미터당 다수의 전단 밴드를 제공한다.

몇몇 방법 및 실시양태의 전술한 설명은 예시를 목적으로 제시된 것이다. 이는 총망라하려 하거나 개시된 것과 똑같은 단계 및/또는 형태로 청구항을 제한하려는 것은 아니며, 명확하게 많은 변형 및 변화가 상술한 교시에 비추어 가능하다. 본 발명의 범위는 이하 첨부되는 청구항에 의해 규정되어야 할 것이다.

Claims

49 원자 퍼센트 (원자%) 내지 65 원자%의 범위로 존재하는 철,
10 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 니켈,
12.5 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 붕소,
0.1 원자% 내지 8.0 원자%의 범위로 존재하는 규소,
2.5 원자% 내지 13.35 원자%의 범위로 존재하는 크롬,
불가피한 불순물,
2 원자% 내지 5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 탄소, 및
1.5 원자% 내지 2.5 원자%의 범위로 선택적으로 존재하는 니오브를 포함하며,
코발트를 포함하지 않으며,
10³K/s 내지 10⁴K/s의 범위의 속도로 냉각시 금속성 유리 매트릭스에서 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분을 나타내고,
0.001s^-1의 속도로 인가된 장력의 적용시 1.1 x l0² m^-1 초과 내지 10⁷ m^-1의 범위로 선형 미터당 다수의 전단 밴드를 발생시키며,
상기 스피노달 유리 매트릭스 미시적 성분은 반-결정질 클러스터 또는 결정질 클러스터를 포함하고,
상기 반-결정질 클러스터 또는 결정질 클러스터의 화학적 구조는 금속성 유리 매트릭스와 다른, 합금 조성물.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 합금 조성물은,
52 원자% 내지 65 원자%의 범위로 존재하는 철,
10 원자% 내지 16.5 원자%의 범위로 존재하는 니켈,
13 원자% 내지 15 원자%의 범위로 존재하는 붕소,
0.4 원자% 내지 0.5 원자%의 범위로 존재하는 규소,
3 원자% 내지 13.35 원자%의 범위로 존재하는 크롬, 및
불가피한 불순물을 포함하는, 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 반-결정질 클러스터 또는 결정질 클러스터는 1 nm 내지 15 nm 두께 및 2 nm 내지 60 nm 길이의 범위인 크기를 갖는, 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 합금 조성물은 10℃/분의 속도에서 측정시, 395℃ 내지 576℃의 범위로 피크에 대해 유리에서 결정질로의 개시를 나타내는, 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 합금 조성물은 10℃/분의 속도에서 측정시, 395℃ 내지 505℃의 범위로 1차 개시 유리 전이 온도 및 419℃ 내지 521℃의 범위로 1차 피크 유리 전이 온도를 나타내는, 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 합금 조성물은 0.001 s^-1의 변형 속도에서 측정시, 0.62 GPa 내지 5.8 GPa의 범위로 최대 인장 강도를 나타내는, 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 합금 조성물은 0.001s^-1의 변형 속도에서 측정시, 0.67% 내지 12.8%의 범위로 총 신장률을 나타내는, 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 합금 조성물은 하나 이상의 하기 리본, 섬유, 호일, 시트 및 마이크로와이어의 형태인, 합금 조성물.
제15항에 있어서,
상기 합금 조성물은 0.001 mm 내지 3 mm 범위의 두께를 갖는, 합금 조성물.
제1항에 있어서,
상기 합금 조성물은 50 그램 하중하에 시험시 9.10 GPa 내지 9.21 GPa 범위의 평균 미소경도를 나타내는, 합금 조성물.