Méthodes Ex Situ et In Situ des enquêtes des Transformations structurelles : le cas de la cristallisation des verres métalliques

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés sur l’évolution de la cristallisation dans les verres métalliques à base de fer en fonction du temps et/ou de la température. Le principal avantage de cette procédure est l’utilisation de deux méthodes analytiques complémentaires à base nucléaire qui permettent de suivre les transformations structurales et magnétiques par des interactions hyperfines. La spectroscopie de Mossbauer réalisée ex situ décrit comment l’arrangement structurel et la microstructure magnétique apparaissent après le recuit à une certaine température et à un certain moment, de sorte qu’elle reflète une situation statique.

La méthode de diffusion nucléaire vers l’avant du rayonnement synchrotron fournit des données qui sont enregistrées in situ lors d’un changement dynamique de température et inspecte ainsi les états transitoires. La démonstration de la procédure sera faite par le Dr Irena Janatova, chercheuse junior de notre laboratoire. Coulez d’abord une masse fondue préalablement préparée sur la roue de trempe rotative d’un appareil pour la coulée en flux planaire dans des conditions ambiantes.

Vérifiez la nature amorphe des rubans produits en effectuant une diffraction des rayons X en géométrie de Bragg-Brentano. Utilisez une anode en cuivre et enregistrez le motif de diffraction de 20 à 100 degrés de 2-thêta avec un pas angulaire de 0,05 degré et une acquisition de 20 secondes pour un point. Ensuite, préparez de petits morceaux des rubans produits d’une masse totale d’environ trois à cinq milligrammes et placez-les dans un instrument DSC.

Effectuez l’expérience DSC avec une rampe de température de 10 Kelvin par minute dans une plage de température de 50 à 700 degrés Celsius sous atmosphère d’argon. Déterminez la température de début de la cristallisation, qui est prise au pli du pic le plus prononcé sur la courbe DSC. Choisissez cinq températures de recuit qui couvrent à la fois les régions de pré-cristallisation et de cristallisation sur le DSC pour un recuit ex situ ultérieur.

Ensuite, préparez cinq groupes de morceaux de sept centimètres de long du ruban assaisonné. Pour le recuit ex situ, réglez la température de destination sur un four et attendez 15 minutes pour sa stabilisation. Ensuite, insérez des morceaux du ruban dans la zone évacuée et stabilisée thermiquement en ouvrant un espace de sept à 10 millimètres entre les deux blocs et en glissant les rubans directement au centre de la zone chauffée.

Fermez immédiatement l’espace afin que la température de l’échantillon atteigne la température du four en moins de cinq secondes avec une différence de 0,1 Kelvin. Après le recuit, retirez les rubans chauffés et placez-les sur un substrat froid à l’intérieur du système de vide pour assurer un refroidissement rapide des échantillons à température ambiante. Préparez six à huit morceaux de rubans d’un centimètre de long pour chaque échantillon pour les expériences de spectrométrie Mossbauer.

Assemblez les rubans côte à côte à l’aide de ruban adhésif sur les extrémités des rubans. Fixez-les à un support en aluminium pour former une zone compacte d’environ un par un centimètre carré. Notez l’aspect différent des deux côtés des rubans.

Assurez-vous que tous les rubans sont positionnés sur le support en aluminium avec le même côté vers le haut. Insérez ensuite le support en aluminium avec l’échantillon dans le détecteur de l’instrument. Avant la mesure, lavez soigneusement le volume intérieur du détecteur avec un jet de gaz de détection pendant 10 à 15 minutes pour expulser tout l’air résiduel.

Après le lavage, ajustez le débit de gaz à travers le détecteur à l’aide d’une vanne à pointeau à trois millilitres par minute. Ensuite, connectez une haute tension au détecteur. Enregistrez les spectres CEMS et CXMS Mossbauer à l’aide d’un spectromètre à accélération constante équipé d’une source radioactive de cobalt 57 intégrée dans une matrice de rhodium.

Faites fonctionner le spectromètre avec un détecteur de gaz à température ambiante conformément au manuel. Pour les expériences NFS, placez un ruban d’environ six millimètres de long du verre métallique étudié dans un four à vide. Ensuite, enregistrez les modèles dans le domaine temporel NFS pendant le chauffage continu de l’échantillon à une température allant jusqu’à 700 degrés Celsius avec une rampe de 10 degrés par minute, en utilisant des intervalles de temps d’une minute pour l’acquisition de données expérimentales pendant tout le processus de recuit in situ.

Enfin, évaluez les données expérimentales du NFS à l’aide d’un logiciel approprié. La spectrométrie de Mossbauer permet d’identifier directement le type d’arrangement structurel, en particulier cristallin ou amorphe, comme le montre ici. Des spectres CEMS prélevés dans les airs et sur les côtés des roues des rubans sont affichés ici.

Ils montrent une contribution croissante des composants cristallins après le recuit ex situ. La comparaison des quantités de cristallites des techniques CEMS et CXMS est présentée ici. La cristallisation commence après le recuit à 410 degrés Celsius.

modèles NFS qui contiennent dans le domaine temporel les mêmes informations sur les interactions hyperfines que les spectres de Mossbauer dans le domaine de l’énergie, mais qui sont enregistrés sur un temps plus court, sont présentés ici. Le tracé des courbes de niveau des motifs temporels NFS enregistrés pendant le chauffage in situ de rubans as-trempés est présenté ici. Il présente une transition magnétique à la température de Curie et au début de la cristallisation.

Des exemples de modèles NFS sont présentés ici. L’évolution de la quantité relative totale de nanocristaux avec la température est illustrée ici. Le début de la cristallisation est marqué par TX1.

Le nombre total de comptages des modèles individuels du domaine temporel NFS par rapport à la température de l’expérience NFS in situ montre trois régions bien distinctes qui évoluent lors de changements dynamiques de température. La spectrométrie Mossbauer dévoile les détails fins des transformations structurales et/ou magnétiques induites par le traitement thermique. Cependant, le temps nécessaire à l’enregistrement d’un spectre peut s’étendre sur plusieurs heures, ce qui limite cette technique aux expériences ex situ.

À l’aide d’expériences de Mossbauer ex situ, nous pouvons étudier la structure locale et l’arrangement magnétique dans un matériau dans des conditions statiques. Ceux-ci peuvent être inspectés avant et/ou après le traitement thermique. Suivant le processus de diffusion nucléaire vers l’avant, l’acquisition rapide des données est assurée par un rayonnement synchrotron extrêmement brillant.

Ainsi, des expériences in situ peuvent être réalisées pendant le traitement thermique et les états immédiats d’un matériau peuvent être inspectés dans des conditions dynamiques. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension des avantages de la technique de diffusion nucléaire in situ du rayonnement synchrotron. Elle est complémentaire à la spectroscopie de Mossbauer ex situ du point de vue des résultats obtenus et des conditions dans lesquelles ils sont obtenus.

Ces techniques ouvrent la voie à des chercheurs dans d’autres domaines associés à des transitions structurelles et/ou magnétiques, notamment lorsque l’existence d’états intermédiaires est prévue.