Här presenterar vi ett protokoll för att beskriva ex situ och i situ utredningar av strukturomvandlingar i metalliskt glas. Vi anställt kärn-baserade analysmetoder som inspekterar hyperfine interaktioner. Vi visar tillämpligheten av Mössbauer spektrometri och nukleära framåt spridningen av synkrotronstrålning under temperatur-driven experiment.
Vi demonstrera användningen av två kärn-baserade analysmetoder som kan följa ändringarna av Mikrostrukturens arrangemang av järn-baserade metalliska glasögon (MGs). Trots deras amorft naturen presenterar identifiering av hyperfine interaktioner svag strukturella ändringar. För detta ändamål har vi anställt två tekniker som använder kärnkraft resonans bland nukleära nivåer av en stabil 57Fe isotop, nämligen Mössbauer spektrometri och nukleära framåt spridning (NFS) av synkrotronstrålning. Effekter av värmebehandling vid (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG diskuteras med resultaten av ex situ och i situ experiment, respektive. Eftersom båda metoderna är känsliga för hyperfine interaktioner, finns lättillgänglig information om strukturella arrangemang samt magnetiska mikrostruktur. Mössbauer spektrometri utförs ex situ- beskriver hur de strukturella arrangemang och magnetiska mikrostruktur visas i rumstemperatur efter glödgning under vissa förhållanden (temperatur, tid), och därmed denna teknik inspekterar stadig staterna. Däremot, NFS data är inspelade i situ under dynamiskt ändra temperatur och NFS undersöker övergående stater. Användning av båda teknikerna ger kompletterande information. I allmänhet kan de tillämpas på alla lämpliga system där det är viktigt att veta dess steady-state men även övergående stater.
Järn-baserade MGs beredd av snabb kylning av en smälta representerar industriellt attraktivt material med många praktiska tillämpningar1. Särskilt eftersom deras magnetiska egenskaper är ofta överlägsna konventionella (poly) kristallin legeringar2,3. Till bättre nytta av sina fördelaktiga parametrar, bör deras svar på förhöjda temperaturer vara kända. Med ökande temperatur, den amorfa strukturen slappnar och, slutligen, kristalliseringen startar. I vissa typer av MGs, kan detta leda till en försämring av deras magnetiska parametrar och därmed sämre prestanda. Det finns dock flera familjer av järn-baserade MGs med speciala sammansättningar4,5,6,7 där nybildade kristallina kornen är mycket fin, vanligtvis under ca 30 nm i storlek. Nanokristaller stabilisera strukturen och därmed bevara godtagbar magnetiska parametrar över ett brett temperatur intervall8,9. Dessa är de så kallade nanokristallin legeringarna (NCA).
Långsiktig prestanda tillförlitlighet MGs, särskilt under höga temperaturer och/eller tuffa förhållanden (joniserande strålning, korrosion, etc.) kräver grundlig kunskap om deras beteende och enskilda fysiska parametrar. Eftersom MGs är amorft, är sortiment av analytiska tekniker som är lämpliga för deras karakterisering ganska begränsade. Exempelvis ge diffraktion metoder bred och formlös reflektioner som kan användas endast för verifiering av amorphicity.
Det är anmärkningsvärt att flera, vanligen finns indirekta metoder som ger snabb och icke-förstörande karakterisering av MGs (t.ex., magnetostriktiva delay line avkänning principen). Denna metod ger snabb karakterisering av struktur- och stress stater inklusive förekomst av inhomogeneities. Det användes med fördel till snabb och icke-förstörande karakterisering längs hela längden av MG band10,11.
Mer detaljerad inblick i oordnade strukturella arrangemang kan uppnås via hyperfine interaktioner som känsligt avspeglar det lokala Atom arrangemanget av resonant atomerna. Dessutom kan variationer i topologiska och kemiska short-range beställa avslöjas. I detta avseende, metoderna som kärnmagnetisk resonans (NMR) spektrometri eller Mössbauer spektrometri, båda utförs på 57Fe atomkärnor, övervägas12,13. Medan den tidigare metoden ger svar uteslutande på magnetiskt dipole hyperfine interaktioner, är det sistnämnda känsliga även för elektrisk quadrupole interaktioner. Således gör Mössbauer spektrometri samtidigt tillgänglig information på både strukturella arrangemang och magnetiska påstår av den resonant järn kärnor14.
Ändå, för att uppnå rimlig statistik, förvärvet av ett Mössbauer spektrum vanligtvis tar flera timmar. Denna begränsning bör övervägas särskilt när temperatur-anhörigen experiment planeras. Förhöjd temperatur som används under experimentet orsakar strukturella förändringar i de undersökta MGs15. Följaktligen ger endast ex situ- experiment som utförs vid rumstemperatur vid prover som var först glödgas vid viss temperatur och återvände sedan till omgivningsförhållanden tillförlitliga resultat.
Utvecklingen av MG strukturer under värmebehandling studeras rutinmässigt av analytiska tekniker som möjliggör snabb datainsamling som till exempel röntgendiffraktion av synkrotronstrålning (DSR), differential scanning calorimetry (DSC), eller magnetisk mätningar. Även i situ experiment är möjligt, rör erhållna uppgifterna antingen strukturella (DSR, DSC) eller magnetiska (magnetiska data) funktioner. Dock när det gäller DSC (och magnetiska mätningar) är identifiering av typen av (nano) korn som framkommer under kristalliseringen inte möjligt. DSR data tyder däremot, inte magnetiska påstår av det undersökta systemet. En lösning på denna situation är en teknik som gör användning av hyperfine interaktioner: NFS synkrotronstrålning16. Det tillhör en grupp av metoder som utnyttjar kärnkraft resonant scattering processer17. Tack vare extremt hög briljans av strålning som erhållits från den tredje generationen av synkrotroner, temperatur NFS blev experiment i situ villkor genomförbart18,19,20,21 ,22,23.
Både Mössbauer spektrometri och NFS regleras av samma fysikaliska principer relaterade till nukleära resonans bland energinivåer av 57Fe atomkärnor. Medan tidigare skanningar hyperfine interaktioner i domänen energi ger dock den senare interferograms i tidsplanet. På detta sätt är resultat från båda metoderna likvärdiga och kompletterande. För att utvärdera data som NFS, måste en rimlig fysisk modell fastställas. Denna utmanande uppgift kan åstadkommas med hjälp av Mössbauer spektrometri som ger den första uppskattningen. Komplementaritet mellan dessa två metoder innebär att i situ NFS inspekterar övergående stater och Mössbauer spektrometri återspeglar de stabila staterna, dvs första eller den sista delstaten en materiell studerade ex situ.
Den här artikeln beskrivs i detalj utvalda tillämpningar av dessa två mindre vanliga metoder för nukleära resonanser: här, tillämpar vi dem till utredningen av strukturella förändringar som sker i en (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG utsätts för värmebehandling. Vi hoppas att denna artikel lockar intresse för forskare att använda dessa tekniker för undersökning av liknande fenomen och så småningom med olika typer av material.
Ex situ- Mössbauer effekt experiment beskriva en stadig situation som påträffas i den undersökta MG efter tillämpad värmebehandlingen. Varje spektrum samlades flera timmar i rumstemperatur. Utvecklingen av den ursprungligen amorf strukturen följdes således som en funktion av glödgning villkor. Eftersom Mössbauer spektrometri är känslig för hyperfine interaktioner agera vid resonant atomkärnor, kan svag Detaljer för strukturella och/eller magnetiska ändringar som induceras av förhöjd temperatur …
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av den slovakiska Research and Development Agency under kontrakt nr. APVV-16-0079 och APVV-15-0621, beviljar VEGA 1/0182/16 och VEGA 2/0082/17, och inre IGA beviljandet av idrottsfakulteten universitet (IGA_PrF_2018_002). Vi är tacksamma mot R. Rüffer (ESRF, Grenoble) för hjälp med synkrotron experimenten.
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 |