Методы Ex Situ и In Situ исследования структурных преобразований: В случае кристаллизации металлических стекол

Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы об эволюции кристаллизации в металлических стеклах на основе железа в зависимости от изменения времени и/или температуры. Основным преимуществом этой процедуры является использование двух взаимодополняющих аналитических методов, основанных на ядерных технологиях, которые могут отслеживать структурные и магнитные превращения посредством сверхтонких взаимодействий. Моссбауэровская спектроскопия, выполненная ex situ, описывает, как структурное расположение и магнитная микроструктура выглядят после отжига при определенной температуре и времени, поэтому они отражают статическую ситуацию.

Метод прямого ядерного рассеяния синхротронного излучения позволяет получать данные, которые регистрируются in situ при динамическом изменении температуры и таким образом исследуют переходные состояния. Демонстрировать процедуру будет доктор Ирена Джанатова, младший научный сотрудник нашей лаборатории. Сначала отлить заранее приготовленный расплав на вращающемся закалочном колесе аппарата для плоского литья под потоком в условиях окружающей среды.

Проверьте аморфную природу производимых лент, выполнив рентгеновскую дифракцию в геометрии Брэгга-Брентано. Используйте медный анод и запишите дифракционную картину от 20 до 100 градусов 2-тета с угловым шагом 0,05 градуса и получением 20 секунд для одной точки. Далее подготавливают небольшие кусочки полученных лент общей массой около трех-пяти миллиграммов и помещают их в инструмент ДСК.

Проведите эксперимент с DSC с температурным нарастанием 10 Кельвинов в минуту в диапазоне температур от 50 до 700 градусов Цельсия в атмосфере аргона. Определяют температуру начала кристаллизации, которая берется на изломе наиболее выраженного пика на кривой ДСК. Выберите пять температур отжига, которые охватывают как предкристаллизационные, так и кристаллизационные области на ДСК для дальнейшего отжига ex situ.

После этого подготовьте пять групп семисантиметровых отрезков погашенной ленты. Для отжига ex situ установите конечную температуру на печи и подождите 15 минут для ее стабилизации. После этого вставьте кусочки ленты в вакуумную и термостабилизированную зону, открыв зазор между двумя блоками от 7 до 10 миллиметров и вставив ленты непосредственно в центр нагреваемой зоны.

Немедленно закройте зазор так, чтобы температура образца достигала температуры печи менее чем за пять секунд с разницей в 0,1 Кельвина. После отжига снимите нагретые ленты и поместите их на холодную подложку внутри вакуумной системы, чтобы обеспечить быстрое охлаждение образцов до комнатной температуры. Подготовьте от шести до восьми кусочков лент длиной в один сантиметр для каждого образца для экспериментов по спектрометрии Мессбауэра.

Соберите ленты бок о бок с помощью клейкой ленты на концах лент. Прикрепите их к алюминиевому держателю, чтобы образовалась компактная площадь примерно один на один сантиметр в квадрате. Обратите внимание на разный внешний вид обеих сторон лент.

Убедитесь, что все ленты расположены на алюминиевом держателе одной стороной вверх. Далее вставьте алюминиевый держатель с образцом в детектор прибора. Перед измерением тщательно промойте внутренний объем детектора струей детектирующего газа в течение 10-15 минут, чтобы удалить весь остаточный воздух.

После промывки отрегулируйте подачу газа через детектор игольчатым клапаном до трех миллилитров в минуту. Далее подключите к детектору высокое напряжение. Регистрация спектров CEMS и CXMS по методу Моссбауэра с помощью спектрометра с постоянным ускорением, оснащенного радиоактивным источником кобальта-57, встроенным в родиевую матрицу.

Работайте со спектрометром с газоанализатором при комнатной температуре в соответствии с инструкцией. Для экспериментов NFS поместите ленту исследуемого металлического стекла длиной примерно шесть миллиметров в вакуумную печь. После этого следует записать закономерности NFS во временной области при непрерывном нагреве образца до температуры до 700 градусов Цельсия с нарастанием 10 градусов в минуту, используя одноминутные временные интервалы для получения экспериментальных данных в течение всего процесса отжига in situ.

Наконец, оцените экспериментальные данные NFS с помощью подходящего программного обеспечения. Моссбауэровская спектрометрия позволяет напрямую идентифицировать тип структурного расположения, в частности, кристаллическое или аморфное, как показано здесь. Здесь отображаются спектры CEMS, взятые с воздуха и со стороны колес лент.

Они показывают возрастающий вклад кристаллических компонентов после отжига ex-situ. Здесь показано сравнение количеств кристаллитов с помощью методов CEMS и CXMS. Кристаллизация начинается после отжига при температуре 410 градусов Цельсия.

Здесь показаны NFS-паттерны, которые содержат во временной области ту же информацию о сверхтонких взаимодействиях, что и спектры Мессбауэра в энергетической области, но регистрируются за более короткое время. Здесь показана контурная диаграмма паттернов NFS во временной области, зарегистрированных во время нагрева in situ закаленных лент. Он проявляет магнитный переход при температуре Кюри и начале кристаллизации.

Примеры шаблонов NFS показаны здесь. Здесь показана эволюция общего относительного количества нанокристаллов в зависимости от температуры. Начало кристаллизации обозначается знаком TX1.

Общее количество подсчетов отдельных паттернов во временной области NFS по отношению к температуре эксперимента in situ NFS показывает три хорошо различимые области, которые развиваются при динамическом изменении температуры. Спектрометрия Мессбауэра позволяет выявить мельчайшие детали структурных и/или магнитных преобразований, вызванных термической обработкой. Однако время, необходимое для регистрации одного спектра, может составлять несколько часов, что ограничивает этот метод экспериментами ex situ.

Используя эксперименты Мессбауэра ex situ, мы можем исследовать локальную структуру и магнитное расположение в материале в статических условиях. Их можно проверять до и/или после температурной обработки. Следуя процедуре прямого ядерного рассеяния, обеспечивается быстрый сбор данных за счет чрезвычайно яркого синхротронного излучения.

Таким образом, эксперименты in situ могут быть проведены во время температурной обработки, а непосредственное состояние материала может быть проверено в динамических условиях. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о преимуществах метода прямого ядерного рассеяния синхротронного излучения in situ. Она дополняет спектроскопию Мессбауэра ex situ с точки зрения полученных результатов и условий, при которых они достигаются.

Эти методы открывают путь для исследователей в других областях, связанных со структурными и/или магнитными переходами, особенно когда предполагается существование промежуточных состояний.