Waiting
Login processing...

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

Engineering

Methoden van Ex Situ en In Situ onderzoeken van structurele transformaties: het geval van kristallisatie van metalen bril

doi: 10.3791/57657 Published: June 7, 2018

Summary

Hier presenteren we een protocol om te beschrijven van ex situ en in situ onderzoeken van structurele transformaties in metalen bril. Wij dienst nucleaire gebaseerde analysemethoden die hyperfine interacties keuren. We tonen de toepasselijkheid van Mössbauer spectrometrie en nucleaire voorwaartse verstrooiing van synchrotronstraling tijdens temperatuur gestuurde experimenten.

Abstract

We tonen het gebruik van twee nucleaire gebaseerde analytische methoden die de wijzigingen in de regeling van de microstructurele ijzer gebaseerde metalen bril (MGs volgen kunnen). Ondanks hun amorfe aard onthult de identificatie van hyperfine interacties vaag structurele wijzigingen. Voor dit doel hebben we twee technieken die gebruik maken van nucleaire resonantie tussen nucleaire niveaus van een stabiele 57Fe isotoop, namelijk Mössbauer spectrometrie en nucleaire voorwaartse verstrooiing (NFS) voor synchrotronstraling werkzaam. De effecten van warmtebehandeling op (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG worden besproken met behulp van de resultaten van ex situ en in situ -experimenten, respectievelijk. Als beide methoden gevoelig voor hyperfine interacties zijn, is informatie over structurele regeling en magnetische microstructuur gemakkelijk beschikbaar. Mössbauer spectrometrie uitgevoerd ex situ beschrijft hoe de structurele regeling en magnetische microstructuur verschijnt bij kamertemperatuur na het gloeien onder bepaalde omstandigheden (temperatuur, tijd), en dus deze techniek inspecteert gestage Staten. Aan de andere kant, NFS gegevens zijn opgenomen in situ tijdens het dynamisch wijzigen van temperatuur en NFS onderzoekt voorbijgaande Staten. Het gebruik van beide technieken vindt u aanvullende informatie. In het algemeen, kunnen ze worden toegepast op elk geschikt systeem waarin het is belangrijk om te weten de steady-state maar ook tijdelijke Staten.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

IJzeren gebaseerde MGs bereid door snelle blussen van een smelten vertegenwoordigen industrieel aantrekkelijke materialen met talrijke praktische toepassingen1. Vooral omdat hun magnetische eigenschappen vaak superieur aan conventionele (poly) kristallijne legeringen2,3 zijn. Bij beter profiteren van hun voordelige parameters, moet hun reactie op hoge temperaturen worden bekend. Met de toenemende temperatuur, de amorfe structuur ontspant en, ten slotte, begint de kristallisatie. In sommige soorten MGs, dit kan leiden tot de verslechtering van hun magnetische parameters en daarmee slechtere prestaties. Er zijn echter verschillende families van ijzer gebaseerde MGs met speciale composities4,5,6,7 waarin de nieuw gevormde kristallijne korrels zeer fijne, meestal onder ongeveer 30 zijn nm in grootte. De nanokristallen stabiliseren van de structuur en dus aanvaardbaar magnetische parameters te behouden over een groot temperatuur bereik8,9. Dit zijn de zogenaamde nanocrystalline-legeringen (NCA).

De langdurige betrouwbaarheid van de prestaties van MGs, vooral onder hoge temperaturen en/of zware omstandigheden (ioniserende straling, corrosie, etc.) vraagt om grondige kennis van hun gedrag en individuele fysieke parameters. Omdat MGs amorf, is het assortiment van analytische technieken die geschikt voor hun karakterisering zijn vrij beperkt. Bijvoorbeeld, bieden diffractie methoden brede en eentonig reflecties die kunnen alleen worden gebruikt voor de verificatie van amorphicity.

Het is opmerkelijk dat verschillende, meestal indirecte methoden bestaan waarmee snelle en niet-destructieve karakterisering van MGs (b.v., magnetostrictive vertraging-line sensing principe). Deze methode biedt snelle karakterisering van structuur- en stress Staten met inbegrip van de aanwezigheid van inhomogeneities. Het was voordelig toegepast op snelle en niet-destructieve karakterisering van over de gehele lengte van MG ribbons10,11.

Meer gedetailleerd inzicht in de ongeordende structurele regeling kan worden bereikt via hyperfine interacties die gevoelig de lokale atomaire regeling van de resonerende atomen weerspiegelen. Bovendien kunnen de variaties in de topologische en chemische korte orde worden onthuld. In dit opzicht, de methoden als de Spectrometrie van de nucleaire magnetische resonantie (NMR) en/of Mössbauer spectrometrie, beide uitgevoerd op 57Fe kernen,12,13moet worden beschouwd. Terwijl de eerste methode reactie uitsluitend op magnetische dipool hyperfine interacties biedt, is de laatste gevoelig ook voor de elektrische vierpolige interacties. Zo maakt Mössbauer spectrometrie gelijktijdig beschikbare informatie over zowel de structurele regeling en de magnetische Staten van de resonerende ijzer kernen14.

Niettemin, om te bereiken van redelijke statistieken, de verwerving van een spectrum Mössbauer duurt meestal enkele uren. Deze beperking moet worden beschouwd, vooral wanneer de temperatuur-afhankelijke experimenten worden overwogen. Verhoogde temperatuur die wordt toegepast tijdens het experiment zorgt ervoor dat structurele wijzigingen in de onderzochte MGs-15. Bijgevolg opleveren alleen ex situ experimenten uitgevoerd bij kamertemperatuur op monsters die zijn eerste gegloeid op een bepaalde temperatuur en keerde daarna terug naar omgevingsomstandigheden betrouwbare resultaten.

De evolutie van MG structuren tijdens de warmtebehandeling wordt routinematig bestudeerd door analytische technieken die het mogelijk maken van snelle data-acquisitie als bijvoorbeeld röntgendiffractie voor synchrotronstraling (DSR), differentiële scanning calorimetrie (DSC), of magnetische metingen. Hoewel in situ experimenten mogelijk zijn, betrekking de verkregen inlichtingen hebben structurele (DSR, DSC) of magnetische (magnetische gegevens) onderdelen. In het geval van DSC (en magnetische metingen) is de identificatie van het type (nano) korrels die ontstaan tijdens de kristallisatie echter niet mogelijk. Aan de andere kant, geeft de DSR gegevens niet weer de magnetische Staten van het onderzochte stelsel. Een oplossing voor deze situatie is een techniek die gebruik maakt van hyperfine interacties: NFS synchrotronstraling16. Het behoort tot een groep van methoden die misbruik maakt van nucleaire resonant verstrooiing processen17. Als gevolg van extreem hoge schittering van straling afkomstig van de derde generatie van synchrotrons, temperatuur NFS werd experimenten in situ omstandigheden haalbaar18,19,20,21 ,22,23.

Zowel Mössbauer spectrometrie en NFS worden beheerst door de dezelfde fysieke beginselen in verband met nucleaire resonantie tussen energieniveaus van 57Fe kernen. Toch, terwijl de voormalige scans hyperfine interacties in het domein van de energie, de laatste biedt interferograms in het tijdsdomein. Op deze manier zijn de resultaten van beide methoden gelijk en complementaire. Om te beoordelen van de NFS-gegevens, moet een redelijke fysieke model komen. Deze uitdagende taak kan worden bereikt door de hulp van Mössbauer-spectrometrie waarmee de eerste raming. Complementariteit tussen deze twee methoden betekent dat in situ NFS voorbijgaande Staten inspecteert en Mössbauer spectrometrie de stabiele staten, zijnde de eerste en/of de uiteindelijke toestand van een materiële bestudeerde ex situ weerspiegelt.

Dit artikel beschrijft in detail geselecteerd toepassingen van deze twee minder vaak voorkomende methoden van nucleaire resonanties: hier, we toepassen op het onderzoek van structurele wijzigingen die in een (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1 optreden B14 MG blootgesteld aan de hitte behandeling. Wij hopen dat dit artikel het belang van onderzoekers trekt voor deze technieken voor het onderzoek van soortgelijke verschijnselen en uiteindelijk met verschillende soorten materialen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. bereiding van een MG

Opmerking: Om aan te tonen een breed scala aan diagnostische mogelijkheden van NFS in combinatie met Mössbauer spectrometrie, een passende MG compositie werd ontworpen, namelijk (Fe3van Co1)76Mo8Cu1B15 (at.%). Dit systeem toont de magnetische overgang van de Ferromagnetische naar paramagnetisch staat onder het intreden van kristallisatie. Bovendien vormen kristalaggregaten die ontstaan tijdens de eerste stap van de kristallisatie bcc-Fe, Co fase. Omdat kobalt ijzer in sommige atomaire posities van het lattice bcc vervangt, optreden afwijkingen in de interacties van de respectieve hyperfine.

  1. Voorbereiding van de smelt
    Opmerking: Mössbauer spectrometrie en NFS scannen de lokale atomaire regelingen via hyperfine interacties van 57Fe kernen die aanwezig in de onderzochte monsters zijn. Natuurlijke overvloed van deze stabiele isotopen onder alle Fe isotopen is echter slechts 2.19%. Als u wilt verlagen de Acquisitietijd in situ NFS experimenten, moet de relatieve inhoud van de 57Fe isotoop worden verhoogd tot ongeveer 50%.
    1. Neem een quartz glazen filterkroes (cilindrische vorm met een diameter van 15 mm), dekken haar binnenmuren met boornitride om te voorkomen dat eventuele verontreiniging van de inhoud door Si van de muren en binnenwerk 0.4050 g van hoogverrijkt 57Fe (~ 95%) en 0.5267 g van standaard elektrolytisch zuiver ijzer (zuiverheid 99,95%) naar Kroes. De totale massa van het mengsel is van 0.9317 g en isotopische verrijking van ca. 50% 57Fe garandeert.
      Opmerking: Vanwege de hoge prijs van de stabiele 57Fe isotoop, optimaliseren het bedrag voor de laagst mogelijke massa. Ongeveer 500 mg van 57Fe moet genoeg om het totale gewicht van het smelten op ongeveer 1,5 g nauwkeurig af. Dit is de technologische onderlimiet van de voorbereiding-apparatuur.
    2. Voeg 0.3245 g van elektrolytische Co (99,85%), 0.0184g van Cu (99,8%), 0.2222 g Mo (99,95%) en 0.0470 g van kristallijn B (99,95%) in de dezelfde quartz glas Kroes. De totale massa van het mengsel is van 1.5438 g en de voorgenomen samenstelling van het poeder is (Fe3van Co1)76Mo8Cu1B15.
    3. Het verkregen mengsel van standaard elektrolytische materialen smelten door Inductieve verhitting in een quartz glazen filterkroes onder beschermende atmosfeer van Argon (4N8) om te voorkomen dat oxidatie, en gebruik een veld van de radiofrequentie van 90-120 kHz.
      Opmerking: Het veld radiofrequentie garandeert het mengen van de afzonderlijke componenten in de Kroes. Hun mengen opbrengst verder door de hulp van kringstromen wanneer een smelt wordt gevormd. Laat voldoende tijd om te smelten van het mengsel van poeder en een vloeistof vormen. Visuele inspectie is voldoende, er is geen behoefte om te meten van de temperatuur van de resulterende vloeistof.
    4. Verwijder de verkregen kleine ingots uit de Kroes. Controleer visueel het voorkomen van eventuele sporen van slakken vlekken op het oppervlak. Indien aanwezig, kunt u ze verwijderen door het mechanisch polijsten.
  2. Bereiding van het monster lint-vormige
    1. Gebruik een apparaat voor het vlakke stroom gieten. Een voorbeeld van een dergelijk apparaat wordt weergegeven in Figuur 1.
      Opmerking: De smelt in een kwarts-buis wordt uitgewezen door Ar stroom op een blussen wiel dat in de lucht draait. Er is geen behoefte aan speciale atmosferische omstandigheden waaronder het blussen wiel te bedienen (bijvoorbeeld, vacuüm of onder inert gas omgeving) voor deze compositie van de smelt is.
    2. Vanwege het geringe gewicht van de staaf (~1.5 g), kies een kwarts-buis met een mondstuk met een ronde opening van 0.8 mm in diameter. Zet de staaf binnen en met behulp van Inductieve verhitting smelten. Houd de temperatuur van de smelt bij 1280-1,295 ° C.
    3. Pas de oppervlakte snelheid van de koeling wiel tot 40 m/s.
    4. De smelt op de roterende blussen wiel onder omgevingsomstandigheden, dat wil zeggen, gegoten in de lucht.
      Opmerking: De resulterende lint is ongeveer 1.5-2 mm breed, 25-27 µm dik, en 5 meter lang. De kant van de lucht van het lint, dat werd blootgesteld tijdens de productie aan de omringende lucht-sfeer, is optisch glanzend (glanzend) terwijl de andere kant van het wiel, die in direct contact met het blussen wiel was, mat (saai). Deze subtiele lint kwaliteiten vloeien voort uit de lage massa van de smelt. Het is dus belangrijk om te controleren of de uiteindelijke chemische samenstelling van het geproduceerde als-uitgeblust lint vanwege de lage input massa's van de afzonderlijke elementen.
  3. Verificatie van de uiteindelijke chemische samenstelling van het lint
    1. Bereiden van verschillende (maximaal vijf) korte stukken van het lint, elk met een massa van ongeveer 0.70 mg. koos ze uit verschillende delen van het geproduceerde lint langs de lengte.
    2. Ontbinden van elk stuk van lint in 1 mL geconcentreerde (67%) HNO3 zuur en vullen met water tot 50 mL totale volume van de oplossing.
    3. Bepaal het gehalte van Mo en B door optische-emissiespectrometrie met inductief gekoppeld plasma (ICP-OES). Gebruik de methode van externe kalibratie zoals bepaald in de handleiding van het instrument. Opnemen van de signalen op de volgende golflengtes: ma op 203.844 nm en 204.598 nm, en B 249.773 nm.
    4. Bepaal het gehalte van Fe, Co, en Cu door vlam-atomaire-absorptiespectrometrie (F-AAS). Gebruik de methode van externe kalibratie zoals bepaald in de handleiding van het instrument, en selecteer deze golflengten: Fe bij 248.3 nm, Co op 240.7 nm, en Cu op 324.7 nm.
  4. Structurele karakterisering van de geproduceerde linten
    1. Controleer de amorfe aard van de geproduceerde linten door röntgendiffractie (XRD) uit te voeren in de Bragg-Brentano meetkunde; de Cu anode gebruiken met een golflengte van 0.154056 nm, record de diffractie patroon van 20-100° van 2Θ met een hoekige stap van 0,05 ° en acquisitie tijd van 20 s voor één punt.
      Opmerking: De XRD-diffractogram van een amorfe monster wordt gekenmerkt door brede reflectie pieken zoals afgebeeld in Figuur 2. Geen dunne lijnen die duiden op de aanwezigheid van kristalaggregaten moeten aanwezig zijn.
    2. Bereiden van kleine stukjes van de geproduceerde linten met een totale massa van ongeveer 3-5 mg en plaats hen in een smeltkroes van grafiet van een DSC-apparatuur.
      Opmerking: Kleine stukjes van ongeveer 2 mm in lengte kunnen worden afgesneden van het lint door schaar.
    3. De DSC-experiment met een helling van de temperatuur van 10 K/min uitvoeren in een temperatuurbereik van 50-700 ° C onder Ar sfeer.
    4. De temperatuur van het intreden van kristallisatie Tx1, die is genomen op de knik van de meest uitgesproken piek op de DSC-curve te bepalen.
      Opmerking: De temperatuur van het intreden van kristallisatie Tx1 is in Figuur 3 aangegeven door een pijl.
    5. Koos vijf temperaturen van gloeien die betrekking hebben op zowel de pre kristallisatie en kristallisatie regio's van de DSC voor verdere ex situ gloeien.
      Opmerking: In ons geval, passende temperaturen zijn 370, 410, 450, 510 en 550 ° C als afgebeeld in Figuur 3.
  5. Ex situ gloeien
    1. Bereiden van vijf groepen van ~ 7 cm lange stukken (de totale lengte) van het lint als-uitgeblust. De individuele linten moet ten minste 1 cm lang.
    2. Voor ex situ gloeien, gebruikt u een oven (Figuur 4). Instellen van de bestemming-temperatuur en wacht 15 min voor haar stabilisatie.
      Opmerking: De oven ontwerp zorgt voor een minimale begin tijden voor isothermische gloeien. Deze oven bestaat uit twee delen: bovenste en onderste ronde massieve vernikkelde koperlaag blokkeert die als een homogenizer temperatuur fungeren. Kanthal A strips opwarmen in de blokken met hoge dynamiek van temperatuurregeling en stabilisatie. De temperatuur van de bestemming is die in stap 1.4.5 vastgesteld.
    3. Stukken van het lint in de zone geëvacueerd en thermisch gestabiliseerd invoegen. Om dit te doen, open een 7-10 mm-kloof tussen de twee blokken en schuif de linten direct in het centrum van de verwarmde zone.
    4. Dicht de kloof onmiddellijk. Op deze manier, de temperatuur van het monster bereikt de temperatuur van de oven in minder dan 5 s binnen een 0.1 K verschil.
    5. Voer het gloeien op 370, 410, 450, 510 en 550 ° C gedurende 30 minuten onder vacuüm om te voorkomen dat de oppervlakte-oxidatie.
    6. Na gloeien, verwijderen van de verwarmde linten en leg ze op een koude substraat in het vacuüm systeem. Dit zorgt voor een snelle koeling van de monsters tot op kamertemperatuur.
      Opmerking: Thermische behandeling van de als-uitgeblust linten induceert structurele veranderingen die uiteindelijk tot kristallisatie van het oorspronkelijk Amorf materiaal leiden.

2. de methoden van onderzoek

  1. Mössbauer spectrometrie
    Opmerking: Het gebruik van ijzer verrijkt tot ongeveer 50% in 57Fe voor productie van de bestudeerde MG zorgt voor voldoende korte overname tijden voor in situ NFS experimenten. Aan de andere kant, wordt de effectieve dikte van de linten aanzienlijk verhoogd. Dit vormt de kwesties in verband met extreem hoge verbreding van de absorptie Mössbauer spectraallijnen opgenomen in een conventionele overdracht geometrie experiment. Dat is de reden waarom de oppervlakte gevoelige technieken van Mössbauer spectrometrie moeten worden beschouwd. Namelijk kunnen omzetting Electron Mössbauer spectrometrie (CEMS) en conversie X-ray Mössbauer spectrometrie (CXMS) worden toegepast. Terwijl CEMS ondergrond regio's naar de diepte van ongeveer 200 scant nm, CXMS informatie uit diepere gebieden die uitbreiden tot over 5-10 µm.
    1. Voorbereiding van de monsters van CEMS/CXMS-experimenten; gebruik van 6-8 stukken van ~ 1 cm lange linten voor één monster.
    2. De linten side-by-side hechten aan een aluminium houder om te vormen van een compacte ruimte van over 1 x 1 cm2; Gebruik plakband over de uiteinden van de linten; alle linten moeten worden geplaatst met hun lucht kanten naar boven.
      Opmerking: Zorg ervoor dat er een elektrische contacten tussen de linten en de houder en dat het centrale deel van het monster (ongeveer 8 x 10 mm2) schoon van elke oppervlakte besmetting, bijvoorbeeld, de plakband blijft.
    3. De aluminium houder met het monster invoegen door de CEMS/CXMS-detector.
    4. Vóór de meting, het volume van de innerlijke detector met een stroom van het gas detectie tot uitzetting van alle resterende lucht grondig te wassen. Het toestaan van 10-15 min te bereiken van deze procedure.
    5. Het aanpassen van de gasstroom via de detector door een naaldventiel op 3 mL/min.
    6. Een hoge spanning verbinden met de detector: een normale waarde is ongeveer 1.2 kV voor systemen voor continue emissiemeting en ongeveer 200 V hoger voor CXMS.
    7. Record het CEMS en CXMS Mössbauer spectra met behulp van een constante versnelling Atoomabsorptiespectrometer met een radioactieve bron van 57Co/Rh. Werken de spectrometer met een gas detector bij kamertemperatuur volgens de handleiding.
    8. Het bereiken van de opsporing van conversie elektronen en x-stralen door een gas detector gevuld met een He + CH4 en Ar + CH4 gasmengsel, respectievelijk. Houd de hoeveelheid CH4 op 10% in beide gevallen.
    9. Herhaal stap 2.1.2 naar 2.1.8 voor de kant van de wiel van de onderzochte linten.
    10. Uitvoeren snelheid kalibratie14 van het apparaat met behulp van een dunne (12,5 µm) α-Fe folie.
    11. Evalueren van de spectra van het CEMS/CXMS; citeer het verkregen isomeer shift waarden met betrekking tot een kamertemperatuur Mössbauer spectrum van de kalibratie α-Fe folie.
      Opmerking: De spectra Mössbauer verkregen kunnen worden geëvalueerd door een geschikte montage-code, bijvoorbeeld door de Confit software24.
  2. NFS
    1. De NFS-experimenten met behulp van een geschikte nucleaire resonantie-beamline op een synchrotron bereiken. Een mogelijke optie: ID 18 op de Europese Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankrijk. 25
    2. Afstemmen van de energie van de fotonenbundel te 14.413 keV met een bandbreedte van ~ 1 meV.
    3. Plaats een ongeveer 6 mm lang lint voor de onderzochte MG in een vacuüm oven.
    4. Record het NFS-tijdsdomein patronen tijdens continue verwarming van het monster tot een temperatuur van maximaal 700 ° C met een helling van 10 K/min. gebruik 1-min tijd intervallen voor verwerving van experimentele gegevens tijdens de gehele in situ gloeien proces.
      Opmerking: De geometrie van de transmissie van het NFS-experiment zorgt ervoor dat informatie over hyperfine interactie bulk van het monster wordt verkregen.
    5. Evalueren van de experimentele gegevens van NFS met behulp van een geschikte software (bijvoorbeeld, www.nrixs.com).
      Opmerking: Tijdens een in situ experiment, normaal gesproken maximaal 100 NFS tijdsdomein patronen worden geregistreerd. Tijdens hun evaluatie van de CONUSS software pakket26,27, overwegen de toepassing van een speciale gratis software genaamd Hubert die de hoeveelheden van dergelijke enorme data in een semi-automatische modus28kan evalueren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Het patroon van de XRD in Figuur 2 vertoont brede eentonig diffractie pieken. De waargenomen reflecties aantonen dat het geproduceerde lint van de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 MG XRD amorf is.

Als gevolg van de gevoeligheid kent XRD een aantal beperkingen in onthulling oppervlakte kristallisatie. De aanwezigheid van kristalaggregaten ten bedrage van minder dan ongeveer 2-3% van de MG is niet kritisch. Aldus, wordt soms de term 'Amorf XRD' gebruikt.

De eerste daling in de DSC opgenomen in Figuur 3 wordt veroorzaakt door de structurele versoepeling van de als-uitgeblust MG, die tijdens de warmtebehandeling bij gematigde temperaturen van maximaal plaatsvindt ~ 400 ° C. De volgende uitgesproken daling van de DSC-signaal komt overeen met de eerste stap van kristallisatie. De temperatuur van het intreden van kristallisatie is ongeveer 400 ° C met de helling van 10 K/min. De geselecteerde temperatuur van gloeien worden aangeduid met gevulde cirkels.

Welbepaalde posities van de resonerende ijzer atomen in een kristallijne rooster, die lange-afstands volgorde vertaling symmetrie over verschillende rooster-constanten zijn vertonen, bieden de smalle spectrale lijnen in de overeenkomstige Mössbauer spectra. Ze beschikken over een discrete waarden van de spectrale parameters die uniek zijn voor individuele structurele regelingen zijn en op deze manier, fungeren zij als vingerafdrukken ten behoeve van de identificatie van verschillende kristallijne fasen.

Aan de andere kant, niet-vergelijkbare atomaire posities in ongeordende Amorf materiaal veroorzaken verbreding van de spectraallijnen. Zo vertonen de bijbehorende spectrale parameters distributies van hun respectieve waarden. Distributies van de spectrale hyperfine-parameters bevatten informatie over de korte afstand orde, dat wil zeggen, de lokale atomaire regeling van de resonerende atomen. Dienovereenkomstig, Mössbauer spectrometrie kunt directe identificatie van de aard van de structurele regeling, in het bijzonder kristallijne (CR) versus amorfe (AM) zoals aangegeven in Figuur 5.

Zowel brede als smalle spectrale lijnen optreden in de Mössbauer spectra van NMA die MGs worden verkregen door een warmtebehandeling. Bovendien, het type van hyperfine interacties met inbegrip van vierpolige splitsing (Δ) van een doublet en hyperfine magnetische velden (B) van een sextet kan onderscheid maken tussen niet-magnetische en magnetische monsters, respectievelijk. In het geval van amorfe monsters, worden de bijbehorende distributies, P(Δ) en P(B) verkregen.

In het algemeen, kunnen amorf regio's in de onderzochte monsters van magnetische of paramagnetisch oorsprong. Ze zijn gemodelleerd door distributies van hyperfine magnetische velden P(B) en uitkeringen van vierpolige splitsing P(Δ), respectievelijk. In ons geval de als-uitgeblust Braziliaanse deelstaat (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG is magnetisch, maar paramagnetisch regio's evolueren binnen de magnetische matrix na gematigde thermische behandeling (tot het begin van kristallisatie).

Na het begin van kristallisatie ontstaan nieuw gevormde nanocrystallites in de resterende amorf matrix. De laatste toont de dezelfde functionaliteiten als in de als-uitgeblust staat, dat wil zeggen, de aanwezigheid van magnetische en niet-magnetische regio's. Daarnaast verstoord atomen die zich bevinden op de oppervlakken van de nanograins tentoonstelling symmetrie. Van de ene kant ervaren ze perfecte orde van een kristallijne lattice; aan de andere kant zijn ze in contact met de wanordelijke amorf matrix. Deze atomen vormen bijgevolg een soort interface tussen de amorfe rest en de kristalaggregaten. Dus, ze werden gemodelleerd door een extra verdeling van hyperfine magnetische velden P(B) omdat dit onderdeel sterk magnetische29 is.

De werknemer passend software24 bouwt de distributies als een convolutie van de bepalende sextet of doublet van Lorentz lijnen (met een breedte van de lijn Mössbauer van 0,195 mm/s) met Gaussians. Wij zijn gewend dat maximaal drie Gaussians zijn goed voor de waargenomen asymmetrie van de spectra. Isomeer shift, hyperfine magnetisch veld, of vierpolige splitsen, alsmede het gebied of de bepalende sextet doublet waren uitgerust parameters. Lijn intensiteiten van de 2nd en de 5th -lijnen van de sextetten werden uitgerust, en de intensiteit lijn verhouding tussen de regels (1+6):(3+4) is vastgesteld op 3:1. De breedte (standaarddeviaties) van de individuele Gauss distributies werden uitgerust.

In alle Mössbauer spectra, de aanwezigheid van alleen de magnetisch split kristallijne onderdelen werd waargenomen. Ze werden uitgerust met individuele sextetten van Lorentz lijnen. De ingerichte parameters opgenomen isomeer shift, hyperfine magnetisch veld, lijndikte, de intensiteit van de 2nd en de 5th -lijnen, en het gebied van de component. Lijn intensiteit verhouding tussen de regels (1+6):(3+4) is vastgesteld op 3:1.

In sommige spectra, werden maar liefst zes afzonderlijke sextetten gebruikt. Hier werden twee sextetten toegewezen aan magnetische stikstofoxiden. Wij zijn gewend dat maximaal vier sextetten vertegenwoordigen van de nieuw gevormde nanograins in het ontharde monsters. De overeenkomstige kristallijne fase is die van bcc-Fe, Co waarin Co vervangt Fe op sommige rooster sites. Rekening houdend met de binomiale verdeling van het meest waarschijnlijke aantal Co dichtstbijzijnde buren, tot vier sextetten werden gebruikt om het model van deze situatie ook afhankelijk van de totale kristallijne inhoud in de afzonderlijke ontharde monsters.

Systemen voor continue emissiemeting spectra ontleend aan de nabij oppervlakte regio's (tot de diepte van ongeveer 200 nm) weerspiegelen de structurele regeling die werd veroorzaakt door een 30-min gloeien bij de gekozen temperatuur. Systemen voor continue emissiemeting spectra ontleend aan de zijkanten van het lucht- en wiel van de linten bij kamertemperatuur worden weergegeven in Figuur 6.

CXMS-spectra die illustreren van de structurele regeling van de onderzochte MG in diepere ondergrond gebieden (omlaag tot ongeveer 5-10 µm) worden weergegeven in Figuur 7.

Relatieve gebieden van spectrale componenten overeenkomt met kristallijne fasen worden uitgezet als functie van de temperatuur in Figuur 8 gloeien zoals afgeleid van beide methoden.

Goed DN smalle Mössbauer lijnen in Figuur 6 en 7 cijfer geven aan de vorming van bcc-Fe, Co kristallijne korrels die verschijnen na gloeien bij 410 ° C. Met de stijgende temperatuur van het gloeien, steunbedrag hun geleidelijk zoals aangegeven in Figuur 8. Ze worden geïdentificeerd in dicht bij de oppervlakte lagen door de CEMS zo goed zoals in diepere gebieden door CXMS.

Sporen van smalle Mössbauer lijnen zijn ook geopenbaard na lage temperatuur van het gloeien en zelfs in de als-uitgeblust staat, namelijk op het wiel kant (Zie Figuur 6b en figuur 7b). Ze behoren tot de Fe oxiden van corrosie producten. Tijdens het productieproces, ligt wat vochtige lucht opgesloten tussen de smelt en het blussen wiel. De vochtigheid onmiddellijk verdampt en vormt luchtzakken binnen die corrosie kan worden gestart. Het signaal van de Mössbauer van dit onderdeel is heel zwak en na gloeien bij hogere temperaturen wordt het overlapt met dat van de opkomende bcc-Fe, Co nanokristallen. Het is opmerkelijk dat de identificatie van de producten van corrosie voornamelijk te wijten aan het hoge gehalte aan 57Fe in deze monsters was ingeschakeld. Een natuurlijke ijzer dient voor hun productie, deze spectrale componenten niet zou zijn gevonden. In dit opzicht is Mössbauer spectrometrie gevoeliger voor de identificatie van ijzer-bevattende kristallijne fasen dan bijvoorbeeld XRD.

Opgemerkt moet worden dat de smalle Mössbauer lijnen, die wijzen op een aanwezigheid van nanocrystallites, goed DN zijn na gloeien bij 410 ° C. Sporen van deze lijnen zijn echter ook bleek na gloeien bij 370 ° C, die een lagere temperatuur dan Tx1 voorgesteld door DSC. Ze zijn meer uitgesproken aan de kant van de lucht waar de blussen voorwaarden niet zo effectief als aan de zijde van het wiel zijn. Dus, de kristallisatie van start gegaan op dit oppervlak van de linten.

Mössbauer spectra van de bcc-Fe, Co kristallijne fase werden geëvalueerd met behulp van vier smalle sextetten gemarkeerd als Co0, Co1, Co2 en Co3. Zij vertegenwoordigen Fe posities met nul, één, twee en drie Co dichtstbijzijnde buren, dienovereenkomstig. De verkregen hyperfine magnetische velden zijn aangegeven in Figuur 9. Met de toenemende aantal Co atomen, verhogen de hyperfine magnetische velden op Fe sites. Ze werden gemiddeld over alle onthardende temperaturen voor afzonderlijke methoden, dat wil zeggen systemen voor continue emissiemeting en CXMS toegepast op beide zijden van de linten. Tot slot, het gemiddelde van de vier gedeeltelijke waarden werd verkregen. De resulterende hyperfine magnetische velden worden weergegeven in figuur 9a.

De evolutie van de hyperfine magnetische velden, die overeenkomen met een verschillend aantal Co dichtstbijzijnde buren, wordt getekend in figuur 9b tegen de onthardende temperatuur. Ze zijn verspreid over de gemiddelde waarden ontleend aan figuur 9a. Bekende afwijkingen worden waargenomen voor Co0 en Co2 bij lage onthardende temperaturen. Het is opmerkelijk dat de CO2-component verscheen zelfs na gloeien bij 370 ° C. Dit geeft aan dat bcc-Fe, Co nanokristallen beginnen te groeien al bij deze temperatuur. De bijbehorende hyperfine magnetische velden afwijken van het gemiddelde voornamelijk te wijten aan de gevolgen van de grootte van de nieuw gevormde korrels. Deze spectrale component werd aangeduid als de enige die wegens haar hoogste waarschijnlijkheid in een binomiale verdeling.

Na gloeien bij 410 ° C, de kristallisatie aan de oppervlakte van het lint is goed gedocumenteerd (Zie ook Figuur 8). De corresponderende spectrale componenten vertonen stabiel hyperfine magnetische velden behalve één - Co0. Fe posities met nul Co dichtstbijzijnde buren alleen beginnen te verschijnen omdat hun kans relatief laag is (kans op Co0 is 0.09 terwijl dat van Co2 0.31). Bijgevolg is hun hyperfine magnetisch veldwaarden worden ook beïnvloed.

Ex situ Mössbauer spectrometrie is een geschikte methode voor de identificatie van het type van kristallijn fase(n) geproduceerd door een hittebehandeling van een als-uitgeblust MG. Bovendien, omdat het de hyperfine interacties sondes kan het onderscheid tussen rooster sites met een verschillend aantal vervanging atomen.

Nucleaire resonant verstrooiing kan effectief worden bereikt met synchrotronstraling met extreem hoge glans en afstembare energie30. De keuze van de juiste energie die overeenkomt met met scheiding van nucleaire niveaus in 57Fe maakt de betrokkenheid van NFS voor vele experimentele studies bij de materialen onderzoek31. In feite, deze techniek kan worden beschouwd als analoog aan Mössbauer spectrometrie32.

Pulsen van synchrotronstraling met een typische duur van ~ 50 ps bieden fotonen met een bandbreedte van verschillende meV. Omdat hyperfine interacties over de volgorde van verschillende neV zijn, wekt dergelijke een puls tegelijkertijd alle mogelijke overgangen over de nucleaire bestuurslagen. Daaruit voortvloeiende deexcitation fotonen stroken en interfereren met elkaar. Daarentegen in conventionele Mössbauer spectrometrie zowel excitatie en deexcitation worden geactiveerd sequentieel wanneer de unieke energie van fotonen vrijgelaten uit een radioactieve bron via het Doppler effect aan de gevraagde energie is gemoduleerd. De inmenging van fotonen wordt schematisch getekend in Figuur 10.

NFS-tijdsdomein patronen vormen percelen van het aantal fotonen uitgezonden door het monster als een functie van een vertraagde tijd. Dit laatste is een tijd die is verstreken vanaf de excitatie van nucleaire niveaus met een synchrotronstraling puls totdat de detectie van deze 'vertraagd' fotonen.

Afhankelijk van de temperatuur van de meting, kunnen drie aparte temperatuur-regio's worden onderscheiden. Daarom hebben wij drie modellen die rekening houden met de evolutie van de temperatuur van hyperfine interacties montage en begeleidende structurele transformaties binnen de individuele temperatuur regio's werkzaam.

In de eerste regio die bestaat uit lage temperaturen tot aan het punt van de Curie, de onderzochte MG is amorf en magnetische interacties vertoont. De bijbehorende fysieke model bestond uit twee distributies van hyperfine magnetische velden. Ze werden toegewezen aan twee soorten korte orde (SRO) regelingen die vertegenwoordigen amorf regio's met vrij hoog (~ 22 T) en lage (~ 8 T) gemiddelde hyperfine magnetische velden (op kamertemperatuur). Waarden van de gemiddelde hyperfine magnetische velden overeenkomt met beide distributies werden uitgerust. Relatieve bijdragen van beide componenten werden uitgerust alleen in de NFS-tijdsdomein patroon, die werd opgenomen bij kamertemperatuur. Voor het verhogen van de temperatuur van de experimenten in situ , werd hun relatieve verhouding vast gehouden.

In de tweede, dat wil zeggen, tussentijdse temperatuur regio tussen de Curie-punt en het begin van de eerste kristallisatie is de onderzochte MG nog steeds amorf maar al paramagnetisch. De resulterende structuur is gemodelleerd door een interne verdeling van vierpolige splitsen. Dus werd alleen de gemiddelde waarde uitgerust.

Na het begin van de eerste kristallisatie, dat wil zeggen, in de regio van de hoge temperatuur, de vorming van bcc-Fe begint Co nanograins. Ze zijn ingesloten in een residuele amorf matrix die is paramagnetisch als gevolg van de hoge temperatuur van het experiment. Bijgevolg, bestond het derde model van de montage van een verdeling van de vierpolige splitsen dat het hetzelfde was als in het vorige geval. De aanwezigheid van nanograins werd verklaard door de extra vier magnetische onderdelen met unieke waarden van hyperfine magnetische velden (dat wil zeggen, niet verdeeld). Hun breuken waren afgeleid van een binomiale verdeling van de Co dichtstbijzijnde buren soortgelijk zoals in het geval van conventionele Mössbauer spectrometrie. De bijdrage van andere kristalaggregaten was niet geïdentificeerd in het grootste deel van het monster, en dat is waarom geen extra magnetische onderdelen nodig waren. De ingerichte parameters opgenomen relatieve bijdrage van de nanocrystalline-fase en de amorfe residuele matrix, de gemiddelde vierpolige splitsing van de laatste fase, en vier waarden van hyperfine magnetische velden die zijn toegewezen aan het individu kristallografische sites. De verkregen temperatuur evoluties van de ingerichte parameters worden gepresenteerd in afzonderlijke cijfers hieronder voor alle gewesten.

Vóór de evaluatie van de experimentele gegevens, werden vijf aangrenzende punten bij elkaar opgeteld ter verhoging van de getelde intensiteit en dus, verbetering van de signal-to-noise verhouding. Gezien het feit dat de resolutie van de gebruikte avalanche photo diode detector groter dan 0,1 is keer ns, dergelijke gegevens behandeling vermindering van de detector van resolutie circa 0,5 veroorzaakt ns, die is nog steeds bevredigend voor de bepaling van de parameters van de hyperfine. Bovendien vertoont de gebruikte detector te verwaarlozen achtergrond graaf tarief in vergelijking met de NFS-signaal. Bijgevolg is de parameter achtergrond bleef op nul tijdens de beoordelingsprocedure.

De NFS-experimenten werden uitgevoerd tijdens de continue stijging van de temperatuur die werd stijgt met een snelheid van 10 K/min. De overname van de gegevens was ook continu, en de NFS-tijdsdomein patronen werden opgeslagen aan het einde van elke minuut. Tijdens een experiment, zijn enkele tientallen van de afzonderlijke NFS-tijdsdomein records werden verzameld. Op deze manier kan een voortgang van structurele veranderingen die in de hele bulk van de onderzochte MG plaatsvinden worden gevolgd in situ met betrekking tot de tijd en/of temperatuur.

Voorbeelden van afzonderlijke NFS tijdsdomein patronen worden weergegeven in Figuur 11 waar de experimentele gegevens (volledige stippen met fouten) en de theoretisch berekende curven (ononderbroken lijnen) wordt gegeven. De laatste werden geëvalueerd met behulp van verschillende montage modellen voor verschillende temperatuur intervallen zoals hierboven beschreven. Merk op dat de y-axes worden gegeven in een logaritmische schaal. Dus, zelfs kleine afwijkingen tussen de experimentele punten en de theoretisch berekende curven zijn visueel verbeterd. Vanwege de relatief lage graven vooral in langere vertraagde tijd-regio's, waar ook enkele verschillen optreden, is echter hun invloed op de resulterende hyperfine interacties te verwaarlozen.

Alle NFS-patronen worden weergegeven in Figuur 12 bij contour perceel. Vertraagde tijd van resoneert verstrooide fotonen vormt de abscis, en de temperatuur van de verwarming tijdens de overname van NFS gegevens experiment is gegeven op de y-as. De intensiteiten van de records zijn kleurgecodeerde in logaritmische schaal.

Duidelijke afwijkingen in de vormen van NFS records in Figuur 11 en Figuur 12 duidelijk veranderingen in hyperfine interacties waargenomen bij bepaalde temperaturen. De Curie temperatuur TC komt overeen met de overgang van Ferromagnetische paramagnetisch regeling van de bestudeerde MG. Het is een faseovergang van de tweede orde. Vanuit een structurele oogpunt, echter is het systeem nog steeds amorfe.

Een dramatische verandering in de vorm van NFS tijdsdomein records op Tx1 betrekking heeft op het intreden van kristallisatie wanneer nanocrystallites ontstaan uit de amorfe matrix. Deze structurele transformatie gaat vergezeld van het re-uiterlijk van magnetische hyperfine interacties. Zij zijn gevestigd onder het nieuw gevormde bcc-Fe, Co nanograins. Zelfs met de stijgende temperatuur van het experiment overleeft de Ferromagnetische volgorde.

De evolutie van hyperfine magnetische velden op de nanokristallen en hun relatieve bedrag met temperatuur worden weergegeven in Figuur 13 bis en figuur 13b, respectievelijk. Merk op dat als gevolg van de hoge gevoeligheid van NFS, de aanwezigheid van een verschillend aantal Co-atomen die zijn opgenomen in het bcc-lattice als de dichtstbijzijnde buren van Fe atomen via verschillen in hun hyperfine magnetische velden kan worden onderscheiden. Ze worden aangeduid als Co0 naar Co3 in Figuur 13 en corresponderen met nul, één, twee en drie Co dichtstbijzijnde buren.

Vrij klein waarden van hyperfine magnetische velden die worden waargenomen in Figuur 13 bis aan het begin van kristallisatie zijn toe te schrijven aan het effect van de grootte van de zich ontwikkelende kristallijne korrels. Hun rooster verwerft geleidelijk haar uiteindelijke order die ook de corresponderende hyperfine magnetische velden bepaalt. Na het bereiken van de temperatuur van ongeveer 500 ° C, de laatste is gestabiliseerd en hun waarden worden uitsluitend geregeld door de variaties in temperatuur. De bijna onmerkbaar langzame daling van hyperfine magnetische velden met de stijgende temperatuur van het experiment suggereert een nogal hoge waarde van de temperatuur van de Curie van de nieuw gevormde kristallijne fase.

Het aantal nanokristallen geleidelijk wordt verhoogd voor T > Tx1 zoals aangetoond in figuur 13b. De evolutie van de temperatuur van de individuele montage-onderdelen wordt ook weergegeven. In dit geval is de grootte van symbolen hoger dan de overeenkomstige foutbereik. Het is opmerkelijk dat de componenten die wordt aangeduid met Co0 en Co3 heel gelijkaardige waarden vertonen. Dit wordt veroorzaakt door de lage waarschijnlijkheid van nul en drie Co dichtstbijzijnde buren zoals afgeleid uit de bijbehorende binomiale verdeling.

De ontwikkeling van de temperatuur van magnetische hyperfine en vierpolige elektrische interacties binnen de amorfe matrix wordt geïllustreerd in Figuur 14. In de lage temperatuur-regio waar T < TC, een verwachte temperatuur gedreven daling op hyperfine gebied van beide componenten van de evaluatie wordt waargenomen in de figuur van 14a. Hier bestaat het model van de montage uit twee distributies van hyperfine magnetische velden.

De hele MG is amorf, hoewel niet-magnetische, tot het begin van de kristallisatie op Tx1. Daarna de nanocrystalline korrels ontstaan, maar de resterende amorf matrix is nog steeds niet-magnetisch. Bijgevolg, het amorfe deel van de legering wordt weergegeven door een verdeling van de vierpolige splitsen en de verkregen gemiddelde waarden worden uitgezet in figuur 14b tegen temperatuur. Een abrupte wijziging in deze parameter is gezien in de buurt van Tx1. De laatste werd bepaald als een omslagpunt van de curve.

De evolutie van het totale aantal graven (gebieden) van de afzonderlijke NFS tijdsdomein patronen met betrekking tot de temperatuur van het experiment in situ NFS wordt weergegeven in Figuur 15. Het kan worden gebruikt voor de karakterisering van de onderzochte systeem zelfs zonder enige noodzaak voor precieze evaluatie van de afzonderlijke parameters. Drie goed onderscheiden regio's kunnen worden geïdentificeerd. Ze worden gescheiden door de karakteristieke temperaturen TC en Tx1. Merk op dat bij TC, bijna het NFS-signaal is verdwenen.

De eerste daling van de totale graven naar TC weerspiegelt de temperatuur verlaging van hyperfine magnetische velden in de amorfe fase. Bijgevolg, het oorspronkelijk goed opgelost sextet, die wordt waargenomen in het domein energie, uiteindelijk wordt samengevouwen bij TC tot slecht opgelost brede één regel signaal, dat wil zeggen, wanneer de datieve magnetische interacties volledig verdwijnen. In het tijdsdomein interfereren de fotonen geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden na de excitatie-pols. Omdat de energie en de tijd-domeinen zijn gekoppeld via de Fourier-transformatie, moeten sommige gevolgen worden beschouwd. Bijvoorbeeld worden grote lijnen in het domein energie vertegenwoordigd door snel rottend signaal in het tijdsdomein en vice versa. Dus bij TC is het tijdsignaal geperst in een zeer smalle tijdsinterval net na de excitatie-pols, zoals blijkt uit de bovenste patroon in Figuur 11. Hier, de relevante experimentele gegevens worden gezien alleen tijdens de eerste 40 ns. De mogelijke evolutie van het tijdsignaal voor langere tijden is gedocumenteerd alleen door de theoretisch berekende curve.

Opgemerkt moet worden dat alle tijdsdomein patronen slechts 20 beginnen ns na de excitatie-pols. Dit is vanwege het extreem hoge aantal prompt en vertraagde fotonen die kunnen serieus schadelijk zijn voor de gebruikte detectoren. Dat is waarom de detectoren zijn elektronisch omheinde en niet de inkomende fotonen registreert tijdens de eerste 20 ns. Echter na de overgang naar de paramagnetisch staat, de kwalitatief nieuwe hyperfine interacties ontstaan waarmee nogal dunne lijnen in het domein van de energie en het bijbehorende tijdsdomein signaal vervalt dus langzamer. Dientengevolge, gevestigde quantum beat patronen weergegeven zoals blijkt uit de lagere patroon in Figuur 11 en het totale aantal graven in Figuur 15 is sterk toegenomen.

De latere val van graven (namelijk na Tx1) kan worden toegeschreven vooral tot de vorming van nanocrystallites die sterk Ferromagnetische featuring dipolaire magnetische interacties. De overeenkomstige tijddomein patronen worden vertegenwoordigd door vele hoge-frequentie beats die, echter, een onderste gedeelte dan die van een nog gedeeltelijk amorf fase omvatten (Zie Figuur 11 c).

Na het bereiken van de bestemming-temperatuur van 700 ° C, bleef de NFS-experiment met tijd wonen gedurende 10 minuten bij deze temperatuur en de daaropvolgende koeling. De opgenomen tijdsdomein patronen worden weergegeven in Figuur 16 met betrekking tot de tijd van experiment. Binnen de isothermische regio, wordt de vorm van de NFS-tijdsdomein patronen niet aanzienlijk gewijzigd. Slechts een bescheiden toename in intensiteit van sommige toppen wordt waargenomen. Dit wordt toegeschreven aan de evolutie van kristallijn korrels die met de tijd groeien. Bijgevolg hun overeenkomstige hyperfine interacties stijgen in intensiteit, die duidelijk te in de isothermische regio in Figuur 16 zien is.

Tijdens het koelen richting de NFS pieken in hun definitieve standpunten die verwachting bij kamertemperatuur. Op hetzelfde moment stijgen hun intensiteiten ook als gevolg van de toename van de waarschijnlijkheid van het effect van de resonantie met afnemende temperatuur. Deze veranderingen kunnen worden gezien na de 10th min van het experiment in de bovenste helft van Figuur 16 (dat wil zeggen, de koeling regio).

Figure 1
Figuur 1: toestellen voor vlakke stroom gieten. (een) schematische diagram en (b) de foto's voor een echte apparaat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: XRD van de als-uitgeblust (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas. Brede eentonig reflecties blijkt dat het lint XRD amorfe. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: DSC record van de als-uitgeblust (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas. Gevulde cirkels geven de beoogde temperaturen van gloeien; de temperatuur van het intreden van kristallisatie Tx1 is gemarkeerd met de pijl. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: toestellen voor ex situ warmtebehandeling als-gehard glas op metaal linten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: Model Mössbauer spectra. Kristallijne (CR) materialen vertonen smalle Mössbauer lijnen (links) waarmee discrete waarden van hyperfine interacties (rechts). Amorfe (AM) materialen worden gekenmerkt door grote lijnen (midden) en distributies van niet-magnetische P(Δ) en magnetische P(B) hyperfine interacties. Dit cijfer is gewijzigd van [23]. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6: Systemen voor continue emissiemeting spectra van de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas. Spectra waren ontleend aan (een) de kant van de lucht en (b) het wiel kant van de linten bij de aangegeven temperatuur gegloeid (a.q. = als-uitgeblust). Mössbauer spectraallijnen overeenkomt met kristallijne fasen worden uitgezet in het blauw (bcc-Fe, Co) en groen (Fe stikstofoxiden). Dit cijfer is gewijzigd van [23]. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7: CXMS spectra van de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas. Spectra waren ontleend aan (een) de kant van de lucht en (b) het wiel kant van de linten bij de aangegeven temperatuur gegloeid (a.q. = als-uitgeblust). Mössbauer spectraallijnen overeenkomt met kristallijne fasen worden uitgezet in het blauw (bcc-Fe, Co) en groen (Fe stikstofoxiden). Dit cijfer is gewijzigd van [23]. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 8
Figuur 8: relatieve gebieden van de spectrale componenten tegen de temperatuur van het gloeien afgeplot Mössbauer. Onderdelen overeenkomen met Fe-oxide (cirkels) en bcc-Fe, Co (pleinen). Ze waren afgeleid van (een) systemen voor continue emissiemeting en (b) CXMS van het (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas genomen uit de lucht (volledige symbolen) en wiel (open symbolen) zijden van de linten (spectra a.q. = als-uitgeblust). Dit cijfer is gewijzigd van [23]. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 9
Figuur 9: Hyperfine magnetische velden van de kristallijne component. Hyperfine magnetische velden verkregen CEMS (rode symbolen) en CXMS (blauwe symbolen) spectra van de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas uitgezet tegen (een) aantal Co dichtstbijzijnde buren in een bcc lattice en (b) temperatuur van het gloeien. Spectra werden genomen uit de lucht kant (volledige symbolen) en de zijkant van het wiel (open symbolen). Gemiddelde waarden van de hyperfine velden zijn uitgezet door groene symbolen en onderbroken lijnen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 10
Figuur 10: vergelijking van Mössbauer spectra en NFS-tijdsdomein patronen. Sequentiële opname van nucleaire overgangen tussen split nucleaire niveaus (midden) geeft aanleiding tot Mössbauer spectra (links) in het domein energie. Tijdens gelijktijdige excitatie door een enkele puls van incident synchrotronstraling, de latere ambtshalve excitatie fotonen van verschillende energieën bemoeien en bieden een NFS tijdsdomein patroon (rechts). Het effect van de hyperfine van niet-magnetische en magnetische interacties wordt ook vergeleken. Dit cijfer is gewijzigd van [23]. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 11
Figuur 11: Voorbeelden van geselecteerde NFS tijdsdomein patronen van de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas. Experimentele gegevens die zijn uitgezet door volledige symbolen (inclusief foutbereik) worden verfijnd door theoretisch berekende curven (ononderbroken lijnen). NFS gegevens werden genomen op de aangegeven temperatuur en bestaat uit verschillende temperatuurbereiken: (een) onder de Curie, (b) tussen het Curie-punt en het begin van kristallisatie, en (c) na het intreden van kristallisatie. Dit cijfer is gewijzigd van [23]. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 12
Figuur 12: Contour plot van NFS tijdsdomein patronen van de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas genomen tijdens in situ temperatuur experiment. Temperaturen van de overgang met inbegrip van het punt van de Curie (TC) en het begin van kristallisatie (T-x1) verdelen het hele temperatuurbereik in drie onderscheiden intervallen. Dit cijfer is gewijzigd van [23]. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 13
Figuur 13: NFS in situ experimenteren op de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas. Parameters van de tijdsdomein patronen die overeenkomen met de kristallijne fase uitgezet tegen de temperatuur van de meting: de magneetvelden van (een) hyperfine en (b) relatieve gedeelten van specifieke atomaire sites in bcc-Fe, Co rooster met 0 , 1, 2 en 3 Co dichtstbijzijnde buren van Fe atomen. Dit cijfer is gewijzigd van [21] met toestemming van de PCCP eigenaar samenlevingen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 14
Figuur 14: NFS in situ experimenteren op de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas. Hyperfine parameters van de resterende amorf matrix afgeplot tegen de temperatuur van de meting: (een) gemiddelde hyperfine magnetische velden en (b) gemiddelde vierpolige splitsen. De parameters werden verfijnd door specifieke montage-modellen toegepast voor regio's van verschillende temperatuur. Temperatuur van het intreden van kristallisatie (T-x1) wordt gemarkeerd met een pijl. Dit cijfer is gewijzigd van [23]. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 15
Figuur 15: NFS in situ experimenteren op de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas. Totale oppervlakte van NFS-tijdsdomein patronen afgeplot tegen de temperatuur van de meting. DN temperatuur overgangen zijn gelabeld met TC (Curie punt) en Tx1 (begin van kristallisatie) en gemarkeerd met pijlen. © 2017 Marcel B. Miglierini en Vít Procházka aangepast uit ref. [22]; oorspronkelijk verschenen onder de CC BY-NC 4.0 licentie. Beschikbaar vanaf: DOI: 10.5772/66869. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 16
Figuur 16: Contour plot van NFS tijdsdomein patronen van de (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1B14 metalen glas genomen na temperatuur Verwarming. NFS-tijdsdomein patronen werden opgenomen tijdens een 10-min wonen na het bereiken van de bestemming-temperatuur van 700 ° C en de daaruit voortvloeiende koeling. Opmerking de y-coördinaat die de tijd van het experiment is. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Ex situ Mössbauer effect experimenten beschrijven een stabiele situatie die wordt aangetroffen in de onderzochte MG na de toegepaste warmtebehandeling. Elke spectrum werd verzameld voor een periode van enkele uren bij kamertemperatuur. Dus, de evolutie van de oorspronkelijk amorfe structuur werd gevolgd als een functie van het gloeien van voorwaarden. Omdat Mössbauer spectrometrie gevoelig voor hyperfine interacties treden bij de resonant kernen is, kunnen vage details voor structurele en/of magnetische wijzigingen veroorzaakt door hoge temperatuur worden onthuld. Niettemin, de onderzochte monsters worden geïnspecteerd onder omgevingsomstandigheden als de invloed van tijdelijk gewijzigde omstandigheden (bijv., temperatuurstijging) al klaar is.

In situ NFS experimenten onderzoeken de bestudeerde MG in de dynamische modus tijdens hun blootstelling aan wisselende temperatuur. Hiermee opent u een kwalitatief nieuw inzicht in het gedrag van het systeem van belang, een MG in dit geval. Het is opmerkelijk dat de NFS-gegevens zijn verkregen binnen een minuut. Hierdoor realtime inspectie van de evolutie van hyperfine interacties. Dit is bijna onmogelijk door conventionele Mössbauer spectrometrie. Wij moeten echter toegeven dat de verkregen parameters zijn gemiddeld over één minuut intervallen waarin de gegevens worden vastgelegd. Niettemin, kunnen eventuele negatieve schommelingen van de afzonderlijke parameters tijdens dergelijke een korte tijdsspanne te verwaarlozen worden beschouwd.

Zowel Mössbauer spectrometrie en NFS sonde lokale buurten van Fe resonant atomen via hyperfine interacties. Informatie over structurele regeling en magnetische microstructuur is derhalve gelijktijdig beschikbaar. Dit is vooral belangrijk wanneer complexe systemen zoals NCA worden onderzocht. Zoals we hebben aangetoond, is het mogelijk niet alleen om het volgen van magnetische overgang van Ferromagnetische paramagnetisch regeling maar ook daaruit voortvloeiende structurele transformatie, dat wil zeggen, kristallisatie. De vorming van nanograins kan onder zowel de gestage en voorbijgaande voorwaarden worden geïnspecteerd. Bovendien is hun gedetailleerde karakterisering met identificatie van individuele rooster sites met wisselend aantal buitenlandse atomen in een bcc-structuur ook haalbaar.

Ex situ experimenten uitgevoerd door de conventionele Mossbauer spectroscopie bevatten informatie over de stabiele staten van het materiaal met inbegrip van zowel stabiele als metastabiele Staten. Dit betekent dat we de lokale zowel structurele als magnetische regelingen in het eerste (als-uitgeblust) materiaal en in het eindproduct, te kunnen onderzoeken. De laatste is verkregen via nanocrystallization van de voormalige na adequate warmtebehandeling maar gewaardeerd tegen omgevingsomstandigheden. Ex situ Mössbauer spectrometrie biedt echter informatie in het domein energie. Dus, de verkregen spectra zijn direct gerelateerd aan de stand van het onderzochte materiaal en handiger voor evaluatie en interpretatie.

Aan de andere kant, is in situ NFS benadering geschikt voor het onderzoeken van voorbijgaande processen die tijdens fase transformaties voordoen zich. Omdat de informatie over de regeling van het materiaal is gecodeerd in quantum beats opgenomen in het tijdsdomein, is de evaluatie van NFS patronen een uitdagende taak. Het kan worden opgelost door het juiste gebruik van de resultaten van ex situ Mössbauer effect experimenten. Aldus, is de combinatie van beide methoden kan de inspectie van de gestage evenals voorbijgaande Staten van het onderzochte stelsel.

Beide technieken zijn complementair vanuit het oogpunt van de verkregen resultaten, alsmede de voorwaarden waaronder zij werden bereikt. De verkregen ervaring kan worden effectief ook gebruikt in studies van andere kwesties die gekoppeld aan de structurele en/of magnetische overgangen zijn. Als een typisch voorbeeld kunnen het bestaan van tussenliggende fasen die verschillen in de staat van de valentie van ijzer in de vermindering van de vaste toestand van de Fe(VI) te Fe(III) oxiden tijdens de behandeling van de temperatuur genoemde33.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de Slowaakse Research en Development Agency onder de contracten Nee. APVV-16-0079 en APVV-15-0621, verleent VEGA 1/0182/16 en VEGA 2/0082/17 en de interne IGA-toekenning van Palacký Universiteit (IGA_PrF_2018_002). We zijn dankbaar R. Rüffer (ESRF, Grenoble) voor hulp bij de synchrotron experimenten.

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).
Methoden van <em>Ex Situ</em> en <em>In Situ</em> onderzoeken van structurele transformaties: het geval van kristallisatie van metalen bril
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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