Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Metoder til Ex Situ og In Situ undersøgelser af strukturelle forandringer: sagen om krystallisering af metalliske briller

Published: June 7, 2018 doi: 10.3791/57657
Automatic Translation
1,2, 3, 3, 4, 4, 5
1Institute of Nuclear and Physical Engineering, Slovak University of Technology in Bratislava, Slovakia, 2Department of Nuclear Reactors, Czech Technical University in Prague, Czech Republic, 3Department of Experimental Physics, Palacky University Olomouc, Czech Republic, 4Institute of Physics, Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia, 5Institute of Laboratory Research on Geomaterials, Faculty of Natural Sciences, Comenius University in Bratislava, Slovakia

Summary

Vi præsenterer her, en protokol til at beskrive ex situ og i situ undersøgelser af strukturelle forandringer i metalliske briller. Vi ansat nukleare-baserede analytiske metoder, som inspicerer hyperfine interaktioner. Vi påvise anvendeligheden af Mössbauer massespektrometri og nukleare fremad spredning af synkrotron stråling under temperatur-drevet eksperimenter.

Abstract

Vi demonstrere brugen af to nukleare-baserede analytiske metoder, der kan følge ændringerne af mikrostrukturanalyse arrangement af jern-baserede metalliske briller (MGs). Trods deres amorfe art afslører identifikation af hyperfine interaktioner svage strukturelle ændringer. Til dette formål, har vi ansat to teknikker, der anvender nuklear resonans blandt nukleare niveauer af en stabil 57Fe isotop, nemlig Mössbauer massespektrometri og nukleare fremad spredning (NFS) af synkrotron stråling. Virkningerne af varmebehandling ved (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG diskuteres ved hjælp af resultaterne af ex situ og i situ eksperimenter, henholdsvis. Som begge metoder er følsomme over for hyperfine interaktioner, er oplysninger om strukturelle arrangement samt magnetiske mikrostruktur let tilgængelige. Mössbauer massespektrometri udført ex situ beskriver hvordan strukturelle arrangement og magnetiske mikrostruktur vises ved stuetemperatur efter udglødning under visse omstændigheder (temperatur, tid), og dermed denne teknik inspicerer støt Stater. På den anden side NFS data er indspillet i situ under dynamisk skiftende temperatur og NFS undersøger forbigående stater. Brugen af begge teknikker giver supplerende oplysninger. Generelt, kan de anvendes på enhver egnet system, hvor det er vigtigt at kende sin steady state men også forbigående stater.

Introduction

Jern-baserede MGs udarbejdet af hurtige quenching af en smelte repræsenterer industrielt attraktive materialer med mange praktiske anvendelser1. Især da deres magnetiske egenskaber er ofte bedre end konventionelle (poly) krystallinsk legeringer2,3. Til bedre udbytte af deres fordelagtige parametre, skal deres svar på forhøjede temperaturer være kendt. Med stigende temperatur, den amorfe struktur slapper, og endelig krystalliseringen starter. I nogle typer af MGs, kan dette føre til en forringelse af deres magnetiske parametre og dermed dårligere performance. Der er dog flere familier af jern-baserede MGs med særlige kompositioner4,5,6,7 , hvor de nydannede krystallinske korn er meget fine, typisk under omkring 30 nm i størrelse. Nanokrystaller stabilisere strukturen og således bevare acceptable magnetiske parametre over et bredt temperatur interval8,9. Disse er de såkaldte nanocrystalline legeringer (NCA).

Langsigtede ydeevne pålidelighed MGs, især under høje temperaturer og/eller hårde betingelser (ioniserende stråling, korrosion, osv.) kræver indgående kendskab til deres adfærd og individuelle fysiske parametre. Fordi MGs er amorf, er sortiment af analytiske teknikker, der er egnet til deres karakterisering ret begrænset. For eksempel, giver diffraktion metoder bred og konturløse refleksioner, der kan bruges kun til verifikation af amorphicity.

Det er bemærkelsesværdigt, at flere, normalt findes indirekte metoder som giver hurtig og ikke-destruktiv karakterisering af MGs (fx, magnetostrictive forsinkelse linje sensing princippet). Denne metode giver hurtig karakterisering af strukturelle og stress stater herunder tilstedeværelsen af inhomogeneities. Det var med fordel anvendes til hurtig og ikke-destruktiv karakterisering langs hele længden af MG bånd10,11.

Mere detaljeret indsigt i uordnede strukturelle arrangement kan opnås via hyperfine interaktioner, der nænsomt afspejler de lokale atomare arrangement af resonant atomer. Derudover kan variationer i topologisk og kemiske kortrækkende bestilling afsløres. I denne forbindelse, metoderne som Kernemagnetisk resonans (NMR) massespektrometri og/eller Mössbauer massespektrometri, begge udført på 57Fe kerner, bør betragtes som12,13. Mens den tidligere metode giver svar udelukkende til magnetisk dipol hyperfine interaktioner, er sidstnævnte også opmærksom på de elektriske Quadrupol interaktioner. Således gør Mössbauer massespektrometri samtidigt tilgængelige oplysninger på både strukturelle arrangement og magnetiske stater resonant jern kerner14.

Ikke desto mindre, for at opnå rimelig statistik, erhvervelse af en Mössbauer spektrum normalt tager flere timer. Denne begrænsning bør overvejes især når temperaturen-afhængige eksperimenter er planlagt. Forhøjede temperatur, der er anvendt under eksperimentet medfører strukturelle ændringer i de undersøgte MGs15. Derfor giver kun ex situ eksperimenter udført ved stuetemperatur på prøver, der var først udglødet ved visse temperatur og vendte derefter tilbage til omgivelsesbetingelserne pålidelige resultater.

Udviklingen i MG strukturer ved varmebehandlingen er rutinemæssigt undersøgt af analytiske teknikker, som aktiverer hurtig datafangst som f.eks X-ray diffraktion af synkrotron stråling (DSR), differential scanning kalorimetri (DSC), eller magnetiske målinger. Selvom i situ eksperimenter er muligt, vedrører de fremkomne oplysninger enten strukturelle (DSR, DSC) eller magnetisk (magnetiske) datafunktioner. DSC (og magnetiske målinger) er identifikation af typen (nano) kerner, der opstår under krystalliseringen ikke muligt. På den anden side angiver DSR data ikke de magnetiske stater af den undersøgte ordning. En løsning på denne situation er en teknik, der gør brug af hyperfine interaktioner: NFS synkrotron stråling16. Det tilhører en gruppe af metoder, der udnytter nukleare resonant spredning processer17. På grund af ekstremt høj glans af stråling stammer fra den tredje generation af synchrotrons, temperatur NFS blev eksperimenter under i situ betingelser muligt18,19,20,21 ,22,23.

Både Mössbauer massespektrometri og NFS er underlagt de samme fysiske principper relateret til nukleare resonans blandt energi niveauer af 57Fe kerner. Ikke desto mindre, mens de tidligere scanninger hyperfine interaktioner i domænet energi, sidstnævnte giver interferograms i domænet tid. På denne måde er resultaterne fra begge metoder tilsvarende og komplementære. For at evaluere data, NFS, skal være etableret en rimelig fysisk model. Denne udfordrende opgave kan udføres ved hjælp af Mössbauer SPEKTROMETRI, der giver den første skøn. Komplementaritet mellem disse to metoder betyder, at i situ NFS inspicerer flygtige stater og Mössbauer massespektrometri afspejler de stabile stater, nemlig oprindelige og/eller den endelige tilstand af et materiale studerede ex situ.

Denne artikel beskriver i detaljer udvalgte anvendelser af disse to mindre almindelige metoder til nukleare resonanser: her, vi anvender dem til undersøgelse af strukturelle ændringer, der opstår i en (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG udsat for varmebehandling. Vi håber, at denne artikel tiltrækker interesse af forskere til at anvende disse metoder til undersøgelse af lignende fænomener og til sidst med forskellige typer af materialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. forberedelse af en MG

Bemærk: For at vise en bred vifte af diagnosticeringsmuligheder af NFS i kombination med Mössbauer massespektrometri, en passende MG sammensætning var designet, nemlig (Fe3Co1)76Mo8Cu1B15 (at.%). Dette system viser magnetiske overgangen fra den ferromagnetiske til Paramagnetiske tilstand under udbruddet af krystallisering. Desuden crystallites, der opstår under trinnet første krystallisering danne bcc-Fe, Co fase. Fordi kobolt erstatter jern i nogle atomic positioner af bcc gitter, forekomme afvigelser i de respektive hyperfine interaktioner.

  1. Forberedelse af smelte
    Bemærk: Mössbauer massespektrometri og NFS scanne de lokale atomare aftaler via hyperfine vekselvirkninger mellem 57Fe kerner, der er til stede i de undersøgte prøver. Fysisk overflod af denne stabil nuklid blandt alle Fe isotoper er dog kun 2,19%. For at formindske den erhvervelse tid i situ NFS eksperimenter, bør det relative indhold af 57Fe isotop øges til ca. 50%.
    1. Tage et quartz glas crucible (cylindrisk med en diameter på 15 mm), dække dens indre vægge med bornitrid at undgå risikoen for forurening af indholdet af Si fra væggene, og Indsæt 0.4050 g af højt beriget 57Fe (~ 95%) og 0.5267 g af standard elektrolytisk rent jern (renhed 99,95%) til denne crucible. Den samlede masse af blandingen af 0.9317 g og sikrer isotopiske berigelse af ca. 50% 57Fe.
      Bemærk: På grund af den høje pris på den stabile 57Fe isotop, optimere dens beløb til den laveste mulige masse. Ca. 500 mg 57Fe bør være nok til at sikre den samlede vægt af Smelt til ca 1,5 g. Dette er den lave teknologiske grænse for forberedelse udstyr.
    2. Tilføj 0.3245 g af elektrolytisk Co (99,85%), 0.0184g Cu (99,8%), 0.2222 g af Mo (99,95%) og 0.0470 g af krystallinsk B (99,95%) i den samme kvartsglas crucible. Den samlede masse af blandingen af 1.5438 g og den planlagte sammensætning af pulveret er (Fe3Co1)76Mo8Cu1B15.
    3. Smelt den opnåede blanding af standard elektrolytisk materialer af induktive varme i et quartz glas crucible under beskyttende Argon (4N8) atmosfæren til at undgå oxidation, og bruge en radiofrekvens inden for 90-120 kHz.
      Bemærk: Feltet radiofrekvens sikrer blanding af de enkelte komponenter i Digelen. Deres blanding provenuet yderligere ved hjælp af eddy strømme når en smelte er dannet. Tillad tilstrækkelig tid til at smelte pulver blanding og danne en flydende. Besigtigelse er tilstrækkeligt, der er ingen grund til at måle temperaturen i den resulterende væske.
    4. Fjerne den opnåede lille barren fra esse. Visuelt kontrollere forekomsten af ethvert spor af slagger steder på dens overflade. Hvis de findes, skal du fjerne dem ved mekanisk polering.
  2. Fremstilling af bånd-formet
    1. Bruge et apparat til planar flow støbning. Et eksempel på sådan en enhed er vist i figur 1.
      Bemærk: Smeltevandet inde i en kvarts rør er bortvist af Ar flow på en quenching hjul, som roterer i luften. Der er ikke behov for særlige atmosfæriske forhold hvorunder quenching hjulet er drives (f.eks., vakuum eller inaktiv gas miljø) for denne sammensætning af smelte.
    2. På grund af lille vægt af ingots (~1.5 g), vælge en kvarts rør med en dyse, der har en rund blænde på 0,8 mm i diameter. Sætte barren inde og smelte det ved hjælp af induktiv varme. Holde temperaturen af Smelt på 1,280-1.295 ° C.
    3. Juster hastigheden på overfladen af den afkøling hjul til 40 m/s.
    4. Støbt smelte ved roterende quenching hjulet omgivende betingelser, dvs., i luften.
      Bemærk: Den resulterende bånd er omkring 1,5-2 mm bred, 25-27 µm tykt, og 5 m lang. Air side af båndet, som var udsat for under produktionen til den omgivende luft atmosfære, er optisk skinnende (glossy), mens den modsatte hjul side, som var i direkte kontakt med dæmper hjulet, er mat (kedelig). Disse subtile bånd kvaliteter skyldes den lave masse smelte. Det er således vigtigt at kontrollere den endelige kemiske sammensætning af den producerede som bratkølet bånd på grund af lav input masserne af de enkelte elementer.
  3. Verifikation af den endelige kemiske sammensætning af båndet
    1. Forbered flere (højst fem) korte stykker af båndet, hver med en masse på omkring 0,70 mg. valgte dem fra forskellige dele af den producerede bånd langs dens længde.
    2. Opløse hvert enkelt stykke af båndet i 1 mL koncentreret (67%) HNO3 syre og fyld op med vand til 50 mL samlede volumen af løsningen.
    3. Bestemmelse af indholdet af Mo og B af optiske emission massespektrometri med Induktivt koblet plasma (OES-ICP). Bruge metoden for eksterne kalibrering, som omhandlet i instrumentets manual. Registrerer signaler på de følgende bølgelængder: Mo på 203.844 nm og 204.598 nm, og B på 249.773 nm.
    4. Bestemmelse af indholdet af Fe, Co, og Cu af flamme atomabsorptionsspektrometri (F-AAS). Bruge metoden for eksterne kalibrering, som omhandlet i instrumentets manual, og vælg disse bølgelængder: Fe på 248.3 nm, Co på 240.7 nm og Cu på 324.7 nm.
  4. Strukturel karakterisering af de producerede bånd
    1. Tjek den amorfe karakter af de producerede bånd ved at udføre røntgen diffraktion (XRD) i Bragg-Brentano geometri; bruge Cu anoden med en bølgelængde på 0.154056 nm, post diffraktionsmønster fra 20-100° af 2Θ med en kantet trin af 0,05 ° og erhvervelse tid 20 s for et punkt.
      Bemærk: XRD diffractogram af en amorf stikprøve er karakteriseret ved bred refleksion toppe som vist i figur 2. Ingen smalle linjer, der angiver forekomsten af crystallites bør være til stede.
    2. Forberede små stykker af de producerede bånd med en totalvægt på omkring 3-5 mg og placere dem i en grafit smeltedigel af en DSC udstyr.
      Bemærk: Små stykker på ca. 2 mm i længden kan være afskåret fra båndet af saks.
    3. Udføre DSC eksperiment med en temperatur rampe på 10 K/min. i et temperaturområde på 50-700 ° C under Ar atmosfære.
    4. Bestemme temperaturen i starten af krystallisering Tx1, som er truffet på knækket i den mest udtalt peak på DSC kurve.
      Bemærk: Temperaturen i starten af krystallisering Tx1 er angivet i figur 3 med en pil.
    5. Valgte fem temperaturer på udglødning, der dækker både de pre krystallisering og krystallisering regioner på DSC for yderligere ex situ udglødning.
      Bemærk: I vores tilfælde, passende temperatur er 370, 410, 450, 510 og 550 ° C som vist i figur 3.
  5. Ex situ udglødning
    1. Udarbejde fem grupper af ~ 7 cm lange stykker (totallængde) som bratkølet båndet. De enkelte bånd skal være mindst 1 cm lange.
    2. Ex situ udglødning, bruge en ovn (figur 4). Oprettet destination temperaturen og vente 15 min til sin stabilisering.
      Bemærk: Ovn design sikrer minimal indsættende gange for isotermisk udglødning. Denne ovn består af to dele: øvre og nedre runde massive Forniklet kobber blokke, der fungere som en temperatur homogeniseringsapparat. Kanthal A strimler varme op blokke med høj dynamik temperaturregulering og stabilisering. Destination temperatur er der bestemt i trin 1.4.5.
    3. Indsæt evakueret og termisk stabiliseret zone stykker af båndet. For at gøre dette, åbne et 7-10 mm hul mellem de to blokke og skub bånd direkte ind i midten af den opvarmede zone.
    4. Lukke hullet straks. På denne måde opnår temperaturen i prøven ovn temperaturen i mindre end 5 s inden for 0,1 K forskel.
    5. Udfør udglødning på 370, 410, 450, 510 og 550 ° C i 30 min. under vakuum til at forhindre overflade oxidation.
    6. Efter glødning, fjerne de opvarmede bånd og placere dem på et koldt substrat inde i vakuum systemet. Dette sikrer hurtig afkøling af prøver for stuetemperatur.
      Bemærk: Termisk behandling af de som bratkølet bånd inducerer strukturelle ændringer, der i sidste ende fører til krystallisation af det oprindeligt amorft materiale.

2. metoder for undersøgelse

  1. Mössbauer massespektrometri
    Bemærk: Brugen af jern beriget til omkring 50% i 57Fe til produktion af de undersøgte MG sikrer tilstrækkelig kort erhvervelse gange for i situ NFS eksperimenter. På den anden side øges den effektive tykkelse af bånd betydeligt. Det rejser spørgsmål i forbindelse med ekstremt høje udvidelse af absorption Mössbauer spektrallinjer registreres i en konventionel transmission geometri eksperiment. Det er derfor overflade følsomme teknikker til Mössbauer massespektrometri bør overvejes. Nemlig kan omdannelse elektron Mössbauer massespektrometri (CEMS) og konvertering X-ray Mössbauer massespektrometri (CXMS) anvendes. Mens CEMS scanner undergrunden regioner til dybden af omkring 200 nm, CXMS indeholder information fra dybere områder, som strækker sig ned til omkring 5-10 µm.
    1. Forberede prøverne for CEMS/CXMS eksperimenter; Brug 6-8 stykker af ~ 1 cm lange bånd til en prøve.
    2. Knytte bånd side-by-side til en indehaver af en aluminium til at danne en kompakt område af om 1 x 1 cm2; bruge dobbeltklæbende tape over enderne af bånd; alle bånd skal placeres med deres luft siderne opad.
      Bemærk: Sikre, at der er en elektrisk kontakt mellem bånd og indehaveren og at den centrale del af prøven (ca. 8 x 10 mm2) er ren fra enhver overfladekontaminering, f.eks.er fortsat af tapen.
    3. Indsæt indehaveren af aluminium med prøven i CEMS/CXMS detektor.
    4. Før målingen, vaske grundigt indre detektor volumen med en strøm af påvisning gas at udvise alle resterende luft. Giver mulighed for 10-15 min til at udføre denne procedure.
    5. Justere luftstrømmen gennem detektoren ved en nål ventil til 3 mL/min.
    6. Tilslut en høj spænding til detektoren: en typisk værdi er omkring 1,2 kV for CEMS og omkring 200 V højere for CXMS.
    7. Rekord i CEMS og CXMS Mössbauer spectra ved hjælp af en konstant acceleration spektrometer udstyret med en 57Co/Rh radioaktive kilde. Betjene spektrometeret med en gasdetektor ved stuetemperatur ifølge manualen.
    8. Udføre påvisning af konvertering elektroner og røntgenbilleder af en gasdetektor fyldt med en han + CH4 og Ar + CH4 gasblandingen, henholdsvis. Holde mængden af CH4 på 10% i begge tilfælde.
    9. Gentag trin 2.1.2 til 2.1.8 for hjulet side af de undersøgte bånd.
    10. Udføre velocity kalibrering14 for apparatet ved hjælp af en tynd (12,5 µm) α-Fe folie.
    11. Evaluere CEMS/CXMS spektre; citere den opnåede isomer Skift værdier med hensyn til en stuetemperatur Mössbauer spektrum af kalibrering α-Fe folie.
      Bemærk: De opnåede Mössbauer spektre kan vurderes af enhver egnet montering kode, for eksempel af Confit software24.
  2. NFS
    1. Udføre NFS eksperimenter ved hjælp af en egnet nukleare resonans beamline på en synkrotron. En mulig løsning: ID 18 på europæiske synkrotron stråling facilitet (ESRF) i Grenoble, Frankrig. 25
    2. Tune energi af photon bom til 14.413 keV med en båndbredde på ~ 1 meV.
    3. Placer en ca 6 mm lange bånd af de undersøgte MG i en vakuum ovn.
    4. Optage NFS-domænet mønstre under kontinuerlig opvarmning af prøven til en temperatur på op til 700 ° C med en rampe på 10 K/min. Brug 1-min tid intervaller for erhvervelse af forsøgsdata ved hele i situ udglødning proces.
      Bemærk: Transmission geometri af NFS eksperiment sikrer, at oplysninger om hyperfine interaktioner er fremstillet af den prøve bulk.
    5. Evaluere NFS eksperimentelle data ved hjælp af en passende software (fx, www.nrixs.com).
      Bemærk: Under ét i situ eksperiment, typisk op til 100 NFS-domæne mønstre er optaget. Under deres evaluering af CONUSS software pakke26,27, overveje anvendelsen af en særlig gratis software kaldet Hubert, der kan evaluere sådanne enorme data mængder i en semi-automatisk tilstand28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

XRD mønster i figur 2 udstiller bred konturløse diffraktion toppe. Den observerede refleksioner viser, at de producerede bånd (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG XRD amorfe.

På grund af dens følsomhed har XRD nogle begrænsninger i afsløringen overflade krystallisering. Tilstedeværelsen af crystallites beløber sig til mindre end omkring 2-3% af MG er ikke kritisk. Udtrykket 'XRD amorfe' bruges altså nogle gange.

Det oprindelige fald i DSC indspillet i figur 3 er forårsaget af de strukturelle afslapning af den som bratkølet MG, som finder sted under varmebehandling ved moderate temperaturer på op til ~ 400 ° C. Det følgende udtalte fald i DSC signal svarer til det første trin af krystallisering. Temperaturen af krystallisering debut er omkring 400 ° C med rampe på 10 K/min. De valgte temperaturer på udglødning angives af udfyldte cirkler.

Veldefinerede stillinger af resonant jern atomer i et krystallinsk gitter, som udviser langtrækkende bestilling oversættelse symmetri over flere gitter konstanter, giver smalle spektrallinjer i de tilsvarende Mössbauer spektre. De har diskrete værdier af de spektrale parametre, som er unikke for individuelle strukturarrangementer, og på denne måde, de fungerer som fingeraftryk til identifikation af forskellige krystallinsk faser.

På den anden side forårsage ikke-ækvivalent atomic positioner i uordnede amorfe materialer, udvidelse af spektrallinjer. Således, de tilknyttede spektrale parametre udstille distributioner af deres respektive værdier. Distributioner af hyperfine spektrale parametre indeholder oplysninger om den kortrækkende rækkefølge, dvs., de lokale atomare arrangement af resonant atomer. Derfor Mössbauer SPEKTROMETRI, der giver mulighed for direkte identifikation af typen af strukturelle arrangement, specifikt, krystallinsk (CR) versus amorfe (AM) som vist i figur 5.

Både smalle og brede spektrallinjer forekomme i Mössbauer spektre af toldvæsenet, som er fremstillet af MGs ved varmebehandling. Derudover kan hyperfine interaktioner herunder Quadrupol opdeling (Δ) af en doublet og hyperfine magnetiske felter (B) af en sekstet type skelne mellem ikke-magnetiske og magnetiske prøver, henholdsvis. I tilfælde af amorf prøver, er de tilsvarende distributioner P(Δ) og P(B) opnået.

Generelt kan amorfe regioner i de undersøgte prøver være af magnetiske eller Paramagnetiske oprindelse. De er modelleret af distributioner af hyperfine magnetfelter P(B) og fordelinger af Quadrupol opdele P(Δ), henholdsvis. I vores tilfælde, som slukkes tilstand (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG er magnetisk, men Paramagnetiske regioner udvikler sig inde den magnetiske matrix efter moderat varmebehandling (op til starten af krystallisation).

Efter debut af krystallisering, nydannede nanocrystallites dukke op i de resterende amorfe matrix. Sidstnævnte viser de samme funktioner som i som bratkølet staten, dvs., tilstedeværelsen af magnetiske og ikke-magnetiske regioner. Derudover desorienterede atomer, der er placeret på overfladen af nanograins udstillingen symmetri. Fra den ene side oplever de perfekt orden af en krystallinsk gitter; fra anden siden er de i kontakt med den uordnede amorfe matrix. Derfor, disse atomer danner en slags grænseflade mellem amorf resten og crystallites. Således, de blev modelleret af en yderligere distribution af hyperfine magnetfelter P(B) fordi denne komponent er stærkt magnetisk29.

Den erhvervsdrivende montering software24 konstruerer distributioner som en foldning af den afgørende sekstet eller doublet af Lorentzian linjer (med en Mössbauer stregbredde af 0.195 mm/s) med Gaussians. Vi har brugt op til tre Gaussians for at tage højde for de observerede asymmetri af spektrene. Isomer Skift, hyperfine magnetfelt, eller Quadrupol opdeling samt inden for den afgørende sekstet eller doublet var monteret parametre. Line støtteintensiteter i de 2nd og de 5th linjer af sekstetter blev monteret, og linje intensitet forholdet mellem linjerne (1+6):(3+4) blev fastsat til 3:1. Bredder (standardafvigelser) af de enkelte Gauss distributioner blev monteret.

I alle Mössbauer spektre, tilstedeværelsen af kun den magnetisk split krystallinsk komponenter blev observeret. De var udstyret med individuelle sekstetter af Lorentzian linjer. De indbyggede parametre inkluderet isomer Skift, hyperfine magnetfelt, stregtykkelse, intensiteten af de 2nd og linjerne 5th , og området af komponenten. Line intensitet forholdet mellem linjerne (1+6):(3+4) blev fastsat til 3:1.

I nogle spektre, blev så mange som seks individuelle sekstetter brugt. Her, blev to sekstetter tildelt til magnetiske oxider. Vi har brugt op til fire sekstetter til at repræsentere den nydannede nanograins i udglødet prøverne. Den tilsvarende krystallinske fase er bcc-Fe, Co, hvor Co erstatter Fe på nogle gitter steder. Under hensyntagen til det binomiale fordeling af det mest sandsynlige antal Co nærmeste naboer, op til fire sekstetter blev brugt til at modellere denne situation også afhængig af de samlede krystallinsk indholdet i de enkelte udglødet prøver.

CEMS spektre taget fra regionerne i nærheden af overflade (til dybden af omkring 200 nm) afspejle den strukturelle arrangement, der er fremkaldt ved en 30-min udglødning på den valgte temperatur. CEMS spektre taget fra luften og hjulet siderne af bånd ved stuetemperatur er vist i figur 6.

CXMS spektre, der illustrerer strukturelle arrangement af de undersøgte MG i dybere undergrunden regioner (ned til omkring 5-10 µm) er vist i figur 7.

Relative områder af spektrale komponenter svarer til krystallinsk faser afbildes som funktion af udglødning temperatur i figur 8 , som stammer fra begge metoder.

Godt fornemme smalle Mössbauer linjer i figur 6 og figur 7 angiver dannelsen af bcc-Fe, Co krystallinske korn, der vises efter udglødning på 410 ° C. Med den stigende temperatur af udglødning, øger deres mængde gradvis som vist i figur 8. De er identificeret i tæt på overfladen lag af CEMS såvel som i dybere områder af CXMS.

Spor af smalle Mössbauer linjer er afslørede også efter lav temperatur af udglødning og endda i tilstanden som slukkes, nemlig ved rattet side (Se figur 6b og figur 7b). De tilhører Fe oxider af korrosion produkter. Under produktionsprocessen, er lidt fugtige luft fanget mellem smelte og dæmper hjulet. Luftfugtigheden straks fordamper og danner luft lommer indeni som korrosion kan indledes. Mössbauer signal fra denne komponent er meget svag og efter glødning ved højere temperaturer er det overlappede med i den nye bcc-Fe, Co nanokrystaller. Det er bemærkelsesværdigt, at identifikationen af korrosion produkter var aktiveret hovedsagelig på grund af højt indhold af 57Fe i disse prøver. Bør en naturlig jern bruges til deres produktion, denne spectral component ville ikke er blevet påvist. I denne henseende er Mössbauer massespektrometri mere følsomme for identifikation af jern-holdige krystallinsk faser end for eksempel XRD.

Det skal bemærkes, at smalle Mössbauer linjer, der angiver en tilstedeværelse af nanocrystallites, kan godt skelnes efter udglødning på 410 ° C. Ikke desto mindre er spor af disse linjer afslørede også efter udglødning på 370 ° C, hvilket er en lavere temperatur end Tx1 foreslået af DSC. De er mere udtalt i luften side hvor quenching betingelserne ikke er så effektive som hjulet side. Således, krystalliseringen er startet på denne overflade af bånd.

Mössbauer spektre af bcc-Fe, Co krystallinske fase blev evalueret ved hjælp af fire smalle sekstetter markeret som Co0, Co1, Co2 og Co3. De repræsenterer Fe positioner med nul, en, to og tre Co nærmeste naboer, tilsvarende. Opnåede hyperfine magnetfelter er vist i figur 9. Med stigende antal Co atomer, øge hyperfine magnetiske felter på Fe websteder. De var i gennemsnit over alle udgloedning temperaturer for individuelle metoder, det vil sige, CEMS og CXMS anvendes på begge sider af bånd. Endelig, gennemsnittet af de fire delvise værdier blev opnået. De resulterende hyperfine magnetfelter er afbildet i figur 9a.

Udviklingen af hyperfine magnetiske felter, der svarer til forskellige antal Co nærmeste naboer, der er afbildet i figur 9b mod den udgloedning temperatur. De er spredt rundt om de gennemsnitlige værdier indfanget figur 9a. Markante afvigelser er observeret for Co0 og Co2 ved lave udgloedning temperaturer. Det er bemærkelsesværdigt, at CO2-komponenten har optrådt selv efter udglødning på 370 ° C. Dette indikerer at bcc-Fe, Co nanokrystaller begynder at vokse allerede ved denne temperatur. Tilknyttede hyperfine magnetfelter afviger fra gennemsnittet hovedsagelig på grund af størrelse virkningerne af de nydannede korn. Denne spektrale komponent blev identificeret som den eneste på grund af dens højeste sandsynlighed i en binomial distribution.

Efter glødning ved 410 ° C, krystallisering på overfladen af båndet er godt dokumenteret (Se også figur 8). De tilsvarende spektrale komponenter udviser stabil hyperfine magnetiske felter undtagen én - Co0. Fe positioner med nul Co nærmeste naboer kun begynder at dukke fordi deres sandsynlighed er relativt lav (sandsynligheden for Co0 er 0,09, mens at Co2 er 0,31). Derfor, deres hyperfine magnetfelt værdier er også berørt.

Ex situ Mössbauer massespektrometri er en velegnet metode til at identificere typen af krystallinsk forsøgssted fremstilles ved varmebehandling af en som bratkølet MG. Desuden, fordi det sonder hyperfine interaktioner det kan skelne mellem gitter websteder med et forskelligt antal substitution atomer.

Nukleare resonant spredning kan ske effektivt med synkrotron stråling med ekstremt høj glans og afstemmelige energi30. Valget af den passende energi, der matcher med adskillelse af nukleare niveauer i 57Fe muliggør inddragelse af NFS i mange eksperimentelle undersøgelser i materialer forskning31. I virkeligheden, kan denne teknik betragtes som svarende til Mössbauer massespektrometri32.

Pulser af synkrotron stråling med en typisk varighed ~ 50 ps give fotoner med en båndbredde på adskillige meV. Fordi hyperfine interaktioner er på rækkefølgen af flere neV, ophidser sådan en puls samtidig alle mulige overgange mellem det atomare niveau. Deraf følgende deexcitation fotoner er sammenhængende og blande sig med hinanden. Derimod i konventionelle Mössbauer massespektrometri aktiveres både excitation og deexcitation sekventielt når den unikke energi fotoner frigivet fra en radioaktiv kilde er moduleret via Doppler-effekten til den anmodede energi. Indblanding af fotoner tegnes skematisk i figur 10.

NFS-domæne mønstre repræsenterer parceller af antallet af fotoner, der udsendes af prøven som en funktion af en forsinket tid. Sidstnævnte er en tid, der er forløbet fra excitation af nukleare niveauer med en synkrotron-stråling puls indtil påvisning af disse 'forsinket' fotoner.

Afhængig af temperaturen måling, kan tre separate temperatur regioner skelnes. Derfor har vi ansat tre montering modeller, som tager i betragtning af temperatur udviklingen af hyperfine interaktioner og ledsager strukturelle forandringer inden for de enkelte temperatur regioner.

I den første region, som består af lave temperaturer indtil punktet, Curie, de undersøgte MG er amorf og udstiller magnetiske interaktioner. Den tilsvarende fysiske model bestod af to fordelinger af hyperfine magnetfelter. De blev tildelt to typer af kortrækkende bestilling (SRO) ordninger der repræsenterer amorfe områder med forholdsvis høj (~ 22 T) og lav (~ 8 T) gennemsnitlig hyperfine magnetiske felter (stuetemperatur). Værdierne i felterne gennemsnitlige hyperfine magnetisk svarende til begge distributioner blev monteret. Relative bidrag af begge komponenter blev monteret kun i NFS-domæne mønster, som blev indspillet ved stuetemperatur. For at øge temperaturen i situ -eksperimenter, blev deres relative forholdet holdt fast.

I den anden, dvs, mellemliggende temperaturer region mellem Curie og starten af den første krystallisering er de undersøgte MG stadig amorfe men allerede Paramagnetiske. Den deraf følgende struktur er modelleret af en enkelt distribution af Quadrupol opdeling. Således var kun dens gennemsnitlige værdi monteret.

Efter starten på den første krystallisering, dvs., i regionen høj temperatur, dannelsen af bcc-Fe begynder Co nanograins. De er indlejret i en resterende amorfe matrix, der er Paramagnetiske på grund af de betydeligt høj temperatur af eksperimentet. Derfor, den tredje montering model bestod af en fordeling af Quadrupol opdeling, som var det samme som det foregående tilfælde. Tilstedeværelsen af nanograins var tegner sig for de yderligere fire magnetiske komponenter med entydige værdier af hyperfine magnetiske felter (dvs.ikke fordelt). Deres relative fraktioner var afledt af en binomial distribution Co nærmeste naboer lignende tilfældet med konventionelle Mössbauer massespektrometri. Bidraget fra andre crystallites blev ikke identificeret i hovedparten af prøven, og hvorfor der var behov for nogen yderligere magnetiske komponenter. De indbyggede parametre inkluderet relative bidrag af nanocrystalline fasen og den amorfe resterende matrix, gennemsnitlige Quadrupol opdeling af den sidste fase, og fire værdier af hyperfine magnetfelter tildeles den enkelte krystallografiske websteder. De opnåede temperatur udviklingstendenser i de indbyggede parametre præsenteres i særskilte tal nedenfor for alle tre regioner.

Før evaluere de eksperimentelle data, blev fem point lægges sammen for at øge de optalte intensitet og dermed forbedre signal-støj-forhold. I betragtning af at opløsning af brugte lavine foto diode detektor er større end 0,1 ns, sådanne data behandling forårsaget forringelse af den detektor opløsning til cirka 0,5 ns, som stadig er tilfredsstillende for bestemmelse af hyperfine parametre. Derudover udstiller brugte detektoren ubetydelig baggrund count sats i forhold til NFS signal. Derfor blev baggrunden parameter holdt på nul under evalueringsproceduren.

NFS eksperimenter blev udført under den fortsatte stigning i temperaturen, som var stigende med en hastighed på 10 K/min. Erhvervelse af data blev også løbende, og NFS-domæne mønstre blev opbevaret i slutningen af hvert minut. Under et eksperiment, blev flere snese individuelle NFS-domæne poster indsamlet. På denne måde, kan en udvikling af strukturelle forandringer, der finder sted i hele hovedparten af de undersøgte MG være fulgt i situ med hensyn til tid og/eller temperatur.

Eksempler på individuelle NFS-domæne mønstre er vist i Figur 11 hvor eksperimentelle data (fuld prikker med fejl) og teoretisk beregnede kurver (ubrudte linjer) er givet. Sidstnævnte blev evalueret ved hjælp af forskellige montering modeller for forskellige temperatur intervaller som beskrevet ovenfor. Bemærk, at y-axes er givet i logaritmisk skala. Således, selv små afvigelser mellem punkterne eksperimentel og teoretisk beregnede kurver er visuelt forbedret. Ikke desto mindre på grund af temmelig lav tæller især i længere forsinket tid regioner, hvor også nogle forskelle forekomme, er deres indvirkning på de resulterende hyperfine interaktioner ubetydelig.

Alle NFS mønstre er præsenteret i figur 12 af contour plot. Forsinket tid resonantly spredte fotoner udgør abscissen, og den varme temperatur i løbet af erhvervelse af NFS data eksperiment er givet på y-aksen. Intensiteter af posterne er farvekodede i logaritmisk skala.

Tydelige afvigelser i figurerne af NFS poster i Figur 11 og figur 12 viser tydeligt ændringer i hyperfine interaktioner observeret ved bestemte temperaturer. Curie temperatur TC svarer til overgangen fra ferromagnetiske til Paramagnetiske arrangement af de undersøgte MG. Det er en fase overgang af anden orden. Fra et strukturelt synspunkt, men er systemet stadig amorfe.

En dramatisk ændring i figurer af NFS-domæne poster på Tx1 vedrører udbrud af krystallisering, når nanocrystallites dukke op fra den amorfe matrix. Denne strukturelle transformation er ledsaget af re-udseendet af magnetiske hyperfine interaktioner. De er etableret blandt de nydannede bcc-Fe, Co nanograins. Selv med den stigende temperatur af eksperimentet overlever ferromagnetiske ordren.

Udviklingen af hyperfine magnetiske felter på nanokrystaller og deres relative beløb med temperatur er vist i fig. 13a og figur 13b, henholdsvis. Bemærk at på grund af høj følsomhed af NFS, tilstedeværelsen af et forskelligt antal Co atomer, der er indarbejdet i bcc gitter som de nærmeste naboer af Fe atomer kan skelnes via forskelle i deres hyperfine magnetiske felter. De er betegnet som Co0 til Co3 i Figur 13 og svarer til nul, et, to og tre Co nærmeste naboer.

Hellere små værdier af hyperfine magnetiske felter, der er observeret i fig. 13a i begyndelsen af krystallisering er på grund af størrelse effekten af skiftende krystallinske korn. Deres gitter erhverver gradvist sin endelige kendelse, som bestemmer også de tilsvarende hyperfine magnetiske felter. Efter at nå cirka 500 ° C temperatur, sidstnævnte er stabiliseret, og deres værdier er udelukkende underlagt variationer i temperaturen. Næsten umærkelig langsom faldet i hyperfine magnetiske felter med stigende temperatur af forsøget tyder på en temmelig høj værdi Curie-temperaturen af den nydannede krystallinske fase.

Antallet af nanokrystaller gradvist øges til T > Tx1 som vist i figur 13b. Af temperatur udviklingen af individuelle montering komponenter vises også. I dette tilfælde er størrelsen af symboler højere end den tilsvarende fejl område. Det er bemærkelsesværdigt, at de komponenter, der er betegnet som Co0 og Co3 udviser meget lignende værdier. Dette er forårsaget af lav sandsynlighederne for nul og tre Co nærmeste naboer, som stammer fra den tilknyttede binomiale fordeling.

Temperatur udviklingen af hyperfine magnetiske og Quadrupol elektriske interaktioner inde den amorfe matrix er vist i Figur 14. I regionen lav temperatur hvor T < TC, en forventede temperatur drevet fald i hyperfine felter af både evalueringen komponenter er observeret i figur 14a. Her, består montering model af to fordelinger af hyperfine magnetfelter.

Den hele MG er amorf, selvom ikke-magnetiske, indtil udbruddet af krystallisering på Tx1. Efter at nanocrystalline korn opstår men de resterende amorfe matrix er stadig ikke-magnetiske. Derfor, den amorfe del af legering gengives af en fordeling af Quadrupol opdeling og de opnåede gennemsnitsværdier er afbildet i figur 14b mod temperatur. En pludselig ændring i denne parameter er set i nærheden af Tx1. Sidstnævnte blev fastsat som et vendepunkt i kurven.

Udviklingen i det samlede antal optællinger (områder) af de enkelte NFS-domæne mønstre med hensyn til temperatur i situ NFS eksperiment er vist i Figur 15. Det kan anvendes til karakterisering af den undersøgte ordning selv uden behov for præcis vurdering af de enkelte parametre. Tre godt fornemme regioner kan identificeres. De er adskilt af karakteristiske temperaturer TC og Tx1. Bemærk, at ved TC, NFS signal er næsten forsvundet.

Det oprindelige fald i de samlede tæller mod TC afspejler temperatur reduktion af hyperfine magnetiske felter i den amorfe fase. Derfor, den oprindeligt godt løst sekstet, der er observeret i domænet energi, til sidst kollapser på TC til dårligt løst bred single-line-signal, dvs., når de dipolære magnetiske interaktioner helt forsvinde. I domænet griber de absorberede og re udsendte fotoner efter excitation puls. Fordi energien og tid domæner er koblet via Fourier-transformation, betragtes som nogle konsekvenser. For eksempel, er hovedlinjer i domænet energi repræsenteret ved hastigt rådnende signal i tid domæne og vice versa. Således, ved TC tid signalet er presset ind i et meget snævert tidsinterval lige efter excitation puls som det fremgår af den øverste mønster i fig. 11b. Her, de relevante forsøgsdata ses kun i løbet af de første 40 ns. Den mulige udvikling af tidssignal for længere tid er dokumenteret kun af teoretisk beregnede kurven.

Det skal bemærkes, at alle tid-domæne mønstre starter kun 20 ns efter excitation puls. Dette er på grund af den ekstremt høje antal lynhurtig og forsinket fotoner, der alvorligt kan skade de anvendte detektorer. Det er derfor detektorerne er elektronisk låge og ikke registrerer de indkommende fotoner i løbet af de første 20 ns. Alligevel, efter overgangen til Paramagnetiske staten, kvalitativt ny hyperfine interaktioner opstår der giver forholdsvis snæver linjer i domænet energi, og således tilsvarende tid-domæne signalet henfalder mere langsomt. Som et resultat, veletablerede quantum beat mønstre vises som vist af den lavere mønster i fig. 11b og det samlede antal tællinger i Figur 15 er vokset dramatisk.

Tæller (nemlig efter Tx1) efterfølgende fald kan hovedsagelig tilskrives dannelsen af nanocrystallites, der er stærkt ferromagnetiske byder dipolære magnetiske interaktioner. Den tilsvarende tid-domæne mønstre er repræsenteret ved mange højfrekvente beats, som dog omfatter et lavere end en stadig delvist amorfe fase (Se fig. 11 c).

Efter at nå destination temperaturen på 700 ° C, fortsatte NFS eksperiment med tid dvæle i 10 min ved denne temperatur og efterfølgende afkøling. De optagede tid-domæne mønstre er vist i Figur 16 med hensyn til tidspunktet for eksperimentet. Inden for regionen isotermisk ændres form af NFS-domæne mønstre ikke væsentligt. Kun en moderat stigning i intensitet over nogle toppe er observeret. Dette tilskrives udviklingen i krystallinske korn, der vokser med tiden. Derfor, deres tilsvarende hyperfine interaktioner stige i intensitet, hvilket ses tydeligt i regionen isotermisk i Figur 16.

Under afkøling flytte NFS toppe mod deres endelige positioner, der forventes ved stuetemperatur. På samme tid stige deres intensitet også som følge af stigning i sandsynligheden for resonans effekt med faldende temperatur. Disse ændringer kan ses efter 10th min eksperiment i den øverste halvdel af Figur 16 (dvs, den afkøling region).

Figure 1
Figur 1: apparater til planar flow støbning. (en) skematisk diagram og (b) foto af en ægte enhed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: XRD af det som slukkes (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas. Bred konturløse refleksioner viser, at båndet er XRD amorfe. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: DSC post det som slukkes (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas. Udfyldte cirkler angiver de påtænkte temperaturer på udglødning; temperaturen i starten af krystallisering Tx1 er markeret med pilen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: apparater til ex situ varmebehandling af som bratkølet metallisk glas bånd. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Model Mössbauer spectra. Krystallinsk (CR) materialer udviser smalle Mössbauer linjer (til venstre), som giver diskrete værdier af hyperfine interaktioner (til højre). Amorfe (AM) materialer er karakteriseret ved store linjer (i midten) og fordelinger af ikke-magnetiske P(Δ) og magnetiske P(B) hyperfine interaktioner. Dette tal er blevet ændret fra [23]. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: CEMS spektre (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas. Spectra blev taget fra (en) den luft side og (b) hjulet af bånd udglødet ved de angivne temperaturer (a.q. = som slukkes). Mössbauer spektrallinjer svarende til krystallinsk faser er afbildet i blå (bcc-Fe, Co) og grøn (Fe nitrogenoxider). Dette tal er blevet ændret fra [23]. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: CXMS spektre (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas. Spectra blev taget fra (en) den luft side og (b) hjulet af bånd udglødet ved de angivne temperaturer (a.q. = som slukkes). Mössbauer spektrallinjer svarende til krystallinsk faser er afbildet i blå (bcc-Fe, Co) og grøn (Fe nitrogenoxider). Dette tal er blevet ændret fra [23]. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: Relative områder af Mössbauer spektrale komponenter plottes temperatur af udglødning. Komponenter svarer til Fe-oxid (cirkler) og bcc-Fe, Co (firkanter). De var afledt af (en) CEMS og (b) CXMS spektre (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas taget fra luften (fuld symboler) og wheel (åben symboler) sider af bånd ( a.q. = som slukkes). Dette tal er blevet ændret fra [23]. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: Hyperfine magnetfelter af komponenten krystallinsk. Hyperfine magnetfelter fremstillet af CEMS (røde symboler) og CXMS (blå symboler) spektre (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas plottes (en) antal Co nærmeste naboer i en bcc gitter og (b) temperatur af udglødning. Spectra blev taget fra luften side (fuld symboler) og hjul side (åben symboler). Middelværdierne af hyperfine felter er afbildet af grønne symboler og stiplede linjer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: sammenligning af Mössbauer spectra og NFS-domæne mønstre. Sekventiel indspilning af nukleare overgange mellem split nukleare niveauer (midterste) giver anledning til Mössbauer spektre (venstre) i domænet energi. Under samtidige excitation af en enkelt puls af indfaldende stråling, synchrotron, efterfølgende nedtrapning excitation fotoner af forskellige energier blande sig og give en NFS-domæne mønster (til højre). Effekten af de ikke-magnetiske og magnetiske hyperfine interaktioner er også sammenlignet. Dette tal er blevet ændret fra [23]. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 11
Figur 11: Eksempler på udvalgte NFS-domæne mønstre (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas. Eksperimentelle data afbildet ved fuld symboler (herunder fejl range) er raffineret af teoretisk beregnede kurver (streger). NFS data blev taget på de angivne temperaturer og omfatter forskellige temperaturområder: (en) under det Curie punktet, (b) mellem Curie og udbrud af krystallisering, og (c) ud over udbrud af krystallisering. Dette tal er blevet ændret fra [23]. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 12
Figur 12: Contour plot af NFS-domæne mønstre (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas taget under i situ temperatur eksperiment. Overgangen temperaturer herunder Curie punkt (TC) og udbrud af krystallisering (Tx1) inddeler hele temperaturområdet i tre distinguished intervaller. Dette tal er blevet ændret fra [23]. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 13
Figur 13: NFS i situ eksperiment på (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas. Parametre af tid-domæne mønstre, der svarer til den krystallinske fase plottes temperatur måling: (et) hyperfine magnetfelter og (b) relative områder af specifikke atomare websteder i bcc-Fe, Co gitter featuring 0 , 1, 2 og 3 Co nærmeste naboer af Fe atomer. Dette tal er blevet ændret fra [21] med tilladelse fra PCCP ejer samfund. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 14
Figur 14: NFS i situ eksperiment på (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas. Hyperfine parametre af den resterende amorfe matrix plottes temperatur måling: (et) gennemsnitlige hyperfine magnetfelter og (b) gennemsnitlige Quadrupol opdeling. Parametrene, der blev raffineret af specifikke passende modeller anvendes for forskellige temperatur regioner. Temperatur for debut af krystallisering (Tx1) er markeret med en pil. Dette tal er blevet ændret fra [23]. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 15
Figur 15: NFS i situ eksperiment på (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas. Samlet areal af NFS-domæne mønstre plottes temperatur måling. Fornem temperatur overgange er mærket med TC (Curie punkt) og Thomsenx1 (debut af krystallisering) og markeret med pile. © 2017 Marcel B. Miglierini og Vít Procházka tilpasset fra ref. [22]; Oprindeligt udgivet under CC BY-NC 4.0 licens. Tilgængelig fra: DOI: 10.5772/66869. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 16
Figur 16: Contour plot af NFS-domæne mønstre (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metallisk glas taget efter temperatur varme. NFS-domæne mønstre blev registreret i løbet af en 10-min dvæle efter destination temperatur på 700 ° C og efterfølgende afkøling. Bemærk den y-koordinat, som er tid af eksperiment. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ex situ Mössbauer effekten eksperimenter beskrive en stabil situation, som er stødt på i de undersøgte MG efter den anvendte varmebehandling. Hvert spektrum blev indsamlet i en periode på flere timer ved stuetemperatur. Således, udviklingen af den oprindeligt amorfe struktur blev efterfulgt som en funktion af udglødning betingelser. Fordi Mössbauer massespektrometri er følsomme over for hyperfine interaktioner handler på resonant atomkerner, kan svag detaljer af strukturelle og/eller magnetiske ændringer forårsaget af forhøjet temperatur blive afsløret. Ikke desto mindre, de undersøgte prøver inspiceres under normale forhold når indflydelse af midlertidigt ændrede forhold (fx, temperaturstigning) er allerede færdig.

In situ NFS forsøg undersøge de studerede MG i den dynamiske tilstand under deres eksponering for varierende temperatur. Dette åbner en kvalitativt ny indsigt i opførsel af systemet af interesse, en MG i dette tilfælde. Det er bemærkelsesværdigt, at NFS-data er erhvervet inden for et minut. Dette giver mulighed for real-time kontrol af udviklingen i hyperfine interaktioner. Det er næsten umuligt af konventionelle Mössbauer massespektrometri. Vi bør erkende, men at de opnåede parametre er gennemsnit over et minuts intervaller hvor data registreres. Ikke desto mindre kan mulige variationer i de enkelte parametre under sådan et kort tidsrum anses for ubetydelig.

Både Mössbauer massespektrometri og NFS sonde lokale kvarterer af Fe resonant atomer via hyperfine interaktioner. Oplysninger om strukturelle arrangement og magnetiske mikrostrukturen er derfor samtidig tilgængelig. Dette er især vigtigt, når komplekse systemer som toldvæsenet er undersøgt. Som vi har påvist, er det muligt ikke blot at følge magnetiske overgangen fra ferromagnetiske Paramagnetiske arrangementet men også deraf følgende strukturelle transformation, dvs, krystallisering. Dannelsen af nanograins kan kontrolleres på de forbigående betingelser, stabil. Deres detaljerede karakterisering byder identifikation af individuelle gitter sites med varierende antal udenlandske atomer i et bcc struktur er desuden også muligt.

Ex situ eksperimenter udført af den konventionelle Mossbauer spektroskopi give oplysninger om steady stater af det materiale, herunder både stabile og metastabile stater. Det betyder, at vi kan undersøge lokale strukturelle samt magnetiske ordninger i den indledende (som slukkes) materiale og i det endelige produkt, også. Sidstnævnte er opnået via nanocrystallization af den tidligere efter passende varmebehandling, men målt på omgivende betingelser. Dog oplyser ex situ Mössbauer massespektrometri i domænet energi. Således, de opnåede spectra er direkte relateret til den tilstand af det undersøgte materiale og mere bekvem for evaluering og fortolkning.

På den anden side er i situ NFS tilgang egnet til at undersøge forbigående processer, der forekommer under fase transformationer. Fordi oplysninger om materialets arrangement er kodet i quantum beats registreres i domænet, er evaluering af NFS mønstre en udfordrende opgave. Det kan løses ved korrekt anvendelse af resultaterne fra ex situ Mössbauer effekten eksperimenter. Således, en kombination af begge metoder giver mulighed for inspektion af de støt samt forbigående stater af den undersøgte ordning.

Begge teknikker er komplementære fra synspunkt af de opnåede resultater samt de betingelser, hvorunder de blev opnået. De opnåede erfaringer kan effektivt bruges også i undersøgelser af andre spørgsmål, der er forbundet med strukturelle og/eller magnetiske overgange. Som et typisk eksempel er kan eksistensen af mellemliggende faser forskellige i valence tilstand af jern i en solid state reduktion af Fe(VI) til PP. nitrogenoxider under temperatur behandling være nævnt33.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af den slovakiske forskning og udvikling agentur under kontrakter nr. APVV-16-0079, og APVV-15-0621, tilskud VEGA 1/0182/16 og VEGA 2/0082/17 og de interne IGA grant Palacky Universitet (IGA_PrF_2018_002). Vi er taknemmelige for R. Rüffer (ESRF, Grenoble) bistand med synkrotron eksperimenter.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
stable isotope, 57Fe Isoflex USA iron-57 metallic form
standard eletrolytic Fe, 99.95 % Sigma Aldrich (Merck) 1.03819 fine powder
electrolytic Co, 99.85 % Sigma Aldrich (Merck) 1.12211 fine powder
electrolytic Cu, 99.8 % Sigma Aldrich (Merck) 1.02703 fine powder
electrolytic Mo, 99.95 % Sigma Aldrich (Merck) 1.12254 fine powder
crystalline B, 99.95 % Sigma Aldrich (Merck) 266620 crystalline
calibration foil for Mössbauer spectrometry, bcc-Fe GoodFellow 564-385-23 foil 0.0125 mm, purity 99.85 %
HNO3 acid, ANALPURE Ultra Analytika Praha, Czech Republic UAc0061a concentration 67 %, volume 500 mL
spectrometer for atomic absorption spectrometry Perkin Elmer 1100, Germany
spectrometer for optical emmission spectrometry with inductively coupled plasma Jobin Yvon 70 Plus, France
X-ray diffractometer Bruker D8 Advance, USA
differential scanning calorimeter Perkin Elmer DSC 7, Germany

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. McHenry, M. E., Laughlin, D. E. Nano-scale materials development for future magnetic applications. Acta Mater. 48 (1), 223-238 (2000).
  2. Chang, Y. -H., Hsu, C. -H., Chu, H. -L., Chang, C. -W., Chan, W. -S., Lee, C. h-Y., Yao, C. -S., He, Y. -L. Effect of uneven surface on magnetic properties of Fe-based amorphous transformer. Int. J. Elect. Comp. Energetic, Electronic and Commun. Eng. 5 (8), 1160-1164 (2011).
  3. Herzer, G. Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials. Acta Mater. 61 (3), 718-734 (2013).
  4. Yoshizawa, Y., Oguma, A., Yamauchi, K. New Fe-based soft magnetic-alloys composed of ultrafine grain-structure. J. Appl. Phys. 64 (10), 6044-6046 (1988).
  5. Suzuki, K., Kataoka, N., Inoue, A., Makino, A., Masumoto, T. High saturation magnetization and soft magnetic-properties of bcc Fe-Zr-B alloys with ultrafine grain-structure. Mater. Trans. JIM. 31 (8), 743-746 (1990).
  6. Willard, M. A., Laughlin, D. E., McHenry, M. E., Thoma, D., Sickafus, K., Cross, J. O., Harris, V. G. Structure and magnetic properties of (Fe0.5Co0.5)(88)Zr7B4Cu1 nanocrystalline alloys. J. Appl. Phys. 84 (88), 6773-6777 (1998).
  7. Makino, A., Men, H., Kubota, T., Yubuta, K., Inoue, A. New Fe-metalloids based nanocrystalline alloys with high B-s of 1.9 T and excellent magnetic softness. J. Appl. Phys. 105 (7), (2009).
  8. Suzuki, K., Herzer, G. Magnetic-field-induced anisotropies and exchange softening in Fe-rich nanocrystalline soft magnetic alloys. Scripta Mater. 67 (6), 548-553 (2012).
  9. Hasegawa, R. Advances in amorphous and nanocrystalline materials. J. Magn. Magn. Mater. 324 (21), 3555-3557 (2012).
  10. Hristoforou, E., Reilly, R. E. Nonuniformity in amorphous ribbon delay lines after stress and current annealing. J. Appl. Phys. 69 (8), 5008-5010 (1991).
  11. Hristoforou, E., Niarchos, D. Fast characterization of magnetostrictive delay-lines. IEEE Trans. Magn. 29 (6), 3147-3149 (1993).
  12. Miglierini, M., Lančok, A., Kohout, J. Hyperfine fields in nanocrystalline Fe-Zr-B probed by 57Fe nuclear magnetic resonance spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 96 (21), (2010).
  13. Kohout, J., Křišťan, P., Kubániová, D., Kmječ, T., Závěta, K., Štepánková, H., Lančok, A., Sklenka, Ľ, Matúš, P., Miglierini, M. Low Temperature Behavior of Hyperfine Fields in Amorphous and Nanocrystalline FeMoCuB. J. Appl. Phys. 117 (17), 1-17 (2015).
  14. Gütlich, P. h, Bill, E., Trautwein, A. X. Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, Germany. (2011).
  15. Stankov, S., Sepiol, B., Kaňuch, T., Scherjau, D., Würschum, R., Miglierini, M. High Temperature Mössbauer Effect Study of Fe90Zr7B3 Nanocrystalline Alloy. J. Phys.: Condens. Mat. 17 (21), 3183-3196 (2005).
  16. Smirnov, G. V. General properties of nuclear resonant scattering. Hyperfine Int. 123 (1-8), 31-77 (1999).
  17. Röhlsberger, R. Nuclear Condensed Matter Physics with Synchrotron Radiation. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, Germany. (2004).
  18. Miglierini, M., Procházka, V., Stankov, S., Švec, P. Sr, Zajac, M., Kohout, J., Lančok, A., Janičkovič, D., Švec, P. Crystallization kinetics of nanocrystalline alloys revealed by in-situ nuclear forward scattering of synchrotron radiation. Phys. Rev. B. 86 (2), (2012).
  19. Miglierini, M., Procházka, V., Rüffer, R., Zbořil, R. In situ crystallization of metallic glasses during magnetic annealing. Acta Mater. 91, 50-56 (2015).
  20. Procházka, V., Vrba, V., Smrčka, D., Rüffer, R., Matúš, P., Mašláň, M., Miglierini, M. Structural transformation of NANOPERM-type metallic glasses followed in situ by synchrotron radiation during thermal annealing in external magnetic field. J. Alloy. Compounds. 638, 398-404 (2015).
  21. Miglierini, M., Pavlovič, M., Procházka, V., Hatala, T., Schumacher, G., Rüffer, R. Evolution of structure and local magnetic fields during crystallization of HITPERM glassy alloys studied by in situ diffraction and nuclear forward scattering of synchrotron radiation. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (42), 28239-28249 (2015).
  22. Miglierini, M. B., Procházka, V. Nanocrystallization of Metallic Glasses Followed by in situ Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation. X-ray Characterization of Nanomaterials by Synchrotron Radiation. Khodaei, M., Petaccia, L. , InTech. Rjeka, Croatia. 7-29 (2017).
  23. Miglierini, M., Matúš, P. Structural Modifications of Metallic Glasses Followed by Techniques of Nuclear Resonances. Pure Appl. Chem. 89 (4), 405-417 (2017).
  24. Žák, T., Jirásková, Y. CONFIT: Mössbauer spectra fitting program. Surf. Interf. Anal. 38 (4), 710-714 (2006).
  25. Rüffer, R., Chumakov, A. I. Nuclear-resonance beamline at ESRF. Hyperfine Interact. (1-4), 589-604 (1996).
  26. Sturhahn, W., Gerdau, E. Evaluation of time-differential measurements of nuclear-resonance scattering. of X-rays Phys. Rev. B. 49 (14), 9285-9294 (1994).
  27. Sturhahn, W. CONUSS and PHOENIX: Evaluation of nuclear resonant scattering data. Hyperfine Interact. 125 (1-4), 149-172 (2000).
  28. Vrba, V., Procházka, V., Smrčka, D., Miglierini, M. Advanced Approach to the Analysis of a Series of in-situ Nuclear Forward Scattering Experiments. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 847, 111-116 (2017).
  29. Miglierini, M., Grenèche, J. -M. Mössbauer Spectrometry of Fe(Cu)MB-Type Nanocrystalline Alloys: I. The Fitting Model for the Mössbauer Spectra. J. Phys.: Condens. Matter. 9 (10), 2303-2319 (1997).
  30. Mülhaupt, G., Rüffer, R. Properties of synchrotron radiation. Hyperfine Int. 123 (1-8), 13-30 (1999).
  31. Rüffer, R. Nuclear resonance scattering. C. R. Physique. 9 (5-6), 595-607 (2008).
  32. Seto, M. Condensed matter physics using nuclear resonant scattering. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021016 (2013).
  33. Machala, L., Procházka, V., Miglierini, M., Sharma, V. K., Marušák, Z., Wille, H. -C. h, Zbořil, R. Direct Evidence of Fe(V) and Fe(IV) Intermediates during Reduction of Fe(VI) to Fe(III): A Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation Approach. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (34), 21787-21790 (2015).

Tags

Engineering sag 136 Mössbauer massespektrometri nukleare frem spredning synkrotron stråling metalliske briller strukturelle transformation krystallisering hyperfine interaktioner
Metoder til <em>Ex Situ</em> og <em>In Situ</em> undersøgelser af strukturelle forandringer: sagen om krystallisering af metalliske briller
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Miglierini, M. B., Procházka,… More

Miglierini, M. B., Procházka, V., Vrba, V., Švec, P., Janičkovič, D., Matúš, P. Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses. J. Vis. Exp. (136), e57657, doi:10.3791/57657 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter