научная статья по теме ОБРАЗОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТОВ ПРИ ОТЖИГЕ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ FE–Р–SI Химия

Текст научной статьи на тему «ОБРАЗОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТОВ ПРИ ОТЖИГЕ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ FE–Р–SI»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2009, том 45, № 9, с. 1068-1073

УДК:669.018.684.41

ОБРАЗОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТОВ ПРИ ОТЖИГЕ АМОРФНЫХ

СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe-P-Si

© 2009 г. М. О. Аносова*, Ю. В. Балдохин**, В. В. Вавилова*, В. М. Иевлев****, Ю. Е. Калинин***, В. П. Корнеев*, Н. А. Палий*

*Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва **Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва ***Воронежский государственный технический университет ****Воронежский государственный университет e-mail: palii@ultra.imet.ac.ru Поступила в редакцию 25.06.2008 г.

Методами мессбауэровской спектроскопии, измерения модуля упругости и внутреннего трения в аморфных сплавах системы Fc-P-Si изучены процессы превращения неоднородной кластерной структуры аморфных сплавов в нанокристаллическую при отжиге. Обнаружено, что в результате импульсной фотонной обработки кластеры в структуре сплава Fe82P16Si2 растворились, а сплава Fe78P20Si2 - сохранились. В первом случае зафиксировано улучшение магнитных свойств, а во втором - значительное упрочнение сплава.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, структура аморфных сплавов (АС), полученных закалкой из жидкого состояния, является метастабильной. Образование комплексов (неоднородностей или кластеров), согласно Фольмеру, происходит в метастабильных средах спонтанно с участием основы путем последовательной обратимой ассоциации [1]. Кластеры имеют размеры от 1 до 100 нм и отличаются сложной тет-раэдрической структурой [2-4].

В работе [4] с использованием методов измерения модуля упругости и внутреннего трения неоднородности структуры были обнаружены в АС Ре73.5Си1КЬз811з.5В9. После кратковременного нагрева джоулевым теплом удалось растворить неоднородности и улучшить магнитные свойства нанокри-сталлического сплава, известного как Идете! При выделении кластеров [5] во всех сплавах происходило изменение свойств оставшейся аморфной матрицы и повышение ее термодинамической стабильности, что облегчало образование нанокристаллов.

Целью настоящей работы было изучение условий образования кластеров и нанокристаллов при отжиге и импульсной фотонной обработке АС Ре82Р16812 (доэвтектического состава) (заэвтектического).

Диаграмма состояния системы Ре-Р-81 характеризуется существованием небольшой области тройных твердых растворов на основе а-Ре и двух фосфидов: Ре3Р и Ре2Р [6].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Сплавы готовили из исходных компонентов: железа чистотой 99.89% и монокристаллического кремния (99.999%). Фосфор вводили в сплав в виде лигатуры Ре-14.3 мас. % Р, которую получали восстановлением феррофосфора. Слитки массой 10 г плавили в электродуговой печи с водоохлаждае-мым поддоном и закаливали на вращающемся медном диске со скоростью охлаждения 105-106 К/с, полученные ленты аморфных сплавов имели толщину 25-30 мкм и ширину 2-3 мм.

Для изучения сплавов а аморфном и кристаллическом состояниях были использованы методы: рентгеновской дифракции (Со/^а-излучение с расчетом размеров фаз, выделяющихся при кристаллизации АС, по формуле Селякова-Шерера; мессбауэровской спектроскопии; измерения микротвердости, а также модуля упругости (Е) и внутреннего трения (б-1).

Внутреннее трение (О-1) и собственную частоту колебаний (/) измеряли методом резонанса [7] в диапазоне частот (1-5) х 102 Гц при температурах от 293 до 870 К (скорость нагрева 4 К/мин) в амлитудо-независимой области при относительной деформации £ < 0.5 х10-5. Поскольку / пропорционален модулю упругости Е, на рисунках приведены значения Е/Е0 (Е0 - модуль упругости при комнатной температуре), т.к. измерения проводили на одном и том же образце каждого состава сплава. Ошибка измерения модуля упругости Е и внутреннего трения О-1

в интервале температур до 870 К составляла ±5 и ±3% соответственно.

АС отжигали в вакуумированных до 0.1 Па ампулах, температуры отжига (Тотж) составляли: 450, 630, 650, 657, 685 и 723 К, с выдержкой при каждой температуре 10 мин.

Импульсную фотонную обработку (ИФО) с различной энергией (Еи) проводили на стороне фольги АС, контактировавшей при закалке с водоохлажда-ющим медным диском, на установке УОЛП-1 в вакууме импульсным излучением ксеноновых ламп с "пакетом" импульсов в интервале до 1.1 с.

Съемку мессбауэровских спектров проводили на установке с постоянным ускорением и мессбауэров-ским источником 57Со (Rh) активностью 10 мКи. Спектры снимали при комнатной температуре (точность определения компонент спектров оценивали как ±0.05 мм/с), и обсчитывали с использованием программы Normos Dist.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ рентгенограмм АС Fe-P-Si после ИФО с энергией Еи = 10-15 Дж/см2 (рис. 1) показал, что они сохранились в аморфном состоянии, но с увеличением Еи происходило увеличение размера областей когерентного рассеяния, т.е. гало на дифрактограм-мах становилось более узким.

После быстрой закалки и отжига при 770 К сплав Fe82P16Si2 в качестве основы имел фазу a-Fe, а сплав Fe78P20Si2 - фосфид Fe3P; размер выделений фазы a-Fe составил от 24 до 33 нм, а фазы Fe3P - от 34 до 63 нм. При более низкой температуре отжига размеры выделений фаз составляли 20-40 нм.

Согласно данным мессбауэровской спектроскопии, для АС Fe82P16Si2 Нэф = 2.07 х 107 А/м, а для АС Fe78P2cSÍ2 Нэф = 1.93 х 107 А/м.

На рис. 2 и 3 представлены температурные зависимости Е/Е0(Т) для сплавов Fe82P16Si2 и Fe78P20Si2 соответственно в быстрозакаленном состоянии и после воздействия ИФО с Еи = 1-15 Дж/см2. На рис. 4 приведены зависимости высоты пика внутреннего трения от плотности потока энергии ИФО для двух исследованных сплавов.

Зависимость Е/Е0(Т) для исходного АС Fe82P16Si2 (рис. 2, кривая 1) характеризуется наличием двух максимумов: при Т = 528-640 К и Ткр = 743 К, где Ткр - температура кристаллизации. Наличие максимума при 528-640 К свидетельствует о начале образования кластеров, которые при нагреве выше 640 К растворяются до Ткр. Этим превращениям в АС соответствуют высокие значения Q 1 (рис. 4). После ИФО c Еи = 1 и 5 Дж/см2 первый максимум на кривой Е/Е0(Т) исчезает (рис. 2, кривые 2, 3), при этом значение высоты пика внутреннего трения уменьшается с увеличением плотности потока энергии ИФО от 1 до 5 Дж/см2 (рис. 4). Действие ИФО с Еи = 10 Дж/см2 вновь приводит к возникно-

20

25

30 0, град

Рис. 1. Фрагменты дифрактограмм АС Fe82P^Si2 после ИФО с Еи = 15 Дж/см2 (1) и АС Fe78P20Si2 после ИФО с Еи = 10 (2) и 15 Дж/см2 (3).

вению первого максимума на кривой Е/Е0(7), но в другом температурном интервале - 373-396 К (рис. 2, кривая 4); при этом происходит некоторое увеличение значений Q~l (см. рис. 4). ИФО с Еи = = 12 Дж/см2 (рис. 2, кривая 5) и Еи = 13 Дж/см2 (рис. 2, кривая 6) приводит к появлению первого

E/Eo 1.51.41.3 -1.2 1.1 1.0 0

300

Рис. 2. Температурные зависимости относительного модуля упругости Е/Ео для быстрозакаленного АС Бе82Р16812 (1) и после ИФО с Еи = 1(2), 5 (3), 10 (4), 12 (5) и 13 Дж/см2 (6) (ун = 4К/ мин).

1

3

E/Eo 1.9 -| 1.8 -1.7 -1.61.5 -1.41.3 -1.21.1 1.0-

0

1

300400 500 600 700 800 T, K

Рис. 3. Температурные зависимости относительного модуля упругости E/Eq для быстрозакаленного АС Fe78P20Si2 (1) и после ИФО с Еи = 1 (2), 5 (3), 10 (4) и 15 Дж/см2 (5) (ун = 4К/ мин).

максимума в том же интервале температур и повы-

шению значений О-1 (см. рис. 4), т.е. увеличению

вязкости сплава.

Q-1 х 103

7 6 5 4

Еи, Дж/см

Рис. 4. Зависимости высоты пика внутреннего трения сплавов Ре82Р1б^12 (1) и Ре78Р20^2 (2) от энергии ИФО (у-н = 4 К/мин).

Изменение температурного интервала максимумов, видимо, происходит вследствие обратимых превращений в метастабильном АС, при этом повышается Ткр АС, т.е увеличивается его термическая стабильность.

Для АС Ре78Р20Б12 зависимости Е/Е0(7) (рис. 3) также отличаются наличием двух максимумов при Т < Ткр, значения О-1 практически не изменяются (рис. 4). После ИФО с Еи = 1 и 5 Дж/см2 (рис. 3, кривые 2 и 3 соответственно) эти максимумы сохраняются.

При действии ИФО с Еи = 10 Дж/см2 (рис. 3, кривая 4) максимум на кривой Е/Е0(Т) возникает при Т = 486-680 К, при повышении температуры кластеры растворяются. После ИФО с Еи = 15 Дж/см2 (рис. 3, кривая 5) вновь образующиеся кластеры устойчивы до Ткр.

Таким образом, только для сплава Ре82Р16Б12 неоднородности в структуре АС могут быть растворены при ИФО с Еи = 1-5 Дж/см2, но при большей Еи они возникают вновь, видимо, другого состава. Возможно, это связано с нестехиометричностью фазы Ре3Р.

Анализ рис. 4 показывает, что для сплава с 16 ат. % Р значения высоты пика внутреннего трения оказываются большими, чем для сплава с 20 ат. % Р, т.е. в сплаве с большим содержанием фосфора имеет место большая диффузионная подвижность атомов, что и определяет его меньшую степень упрочнения.

Для проведения мессбауэровских исследований АС были отожжены при температурах, которые выбирались в соответствии с данными температурной зависимости модуля упругости. Мессбауэров-ские спектры сплавов после отжигов представлены на рис. 5.

Результаты обсчета спектров приведены в таблице и на рис. 6 и 7. Весь диапазон распределения Р(Н был разбит на подобласти Н = (0.16-0.24) х х 107 А/м, учитывая, что полуширина линий секстетов Г/2 = 0.3 мм/с, что отвечает ^ 0.24 х 107 А/м .

Аморфный сплав Ре82Р16Б12 по распределению Р(Н , исходном состоянии может быть представлен в виде экстраполированного треугольника, в котором Нэф отвечает его вершине и составляет в процентном отношении максимальное значение, равное (1.91-2.06) х 107 А/м, распределение Р(Н) на половине высоты составляет (2.54 - 1.75) х 107 А/м = = 0.79 х 107 А/м, а в основании - (2.63 - 1.03) х х 107 А/м = 1.6 х 107 А/м, т.е. имеет большой набор неэквивалентных состояний окружений атомов железа и почти полное разупорядочение, соответствующее аморфному состоянию (рис 6, кривая 1).

При Т = 450 К (рис. 6, кривая 2) вероятность Р(Н) увеличивается, а само распределение даже уширяется по сравнению с исходным состоянием, что объясняется релаксационным процессом, который на кривых Е/Е0(7) проявляется снижением значений.

Повышение Тотж до 630 К, наоборот, уменьшает вероятность Р(Н)

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком