ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 96, № 2, с. 330-336
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА
УДК 535.36
РАССЕЯНИЕ СВЕТА ПОВЕРХНОСТЬЮ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОТЖИГОМ И КРИОГЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ ЛЕНТ АМОРФНЫХ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
© 2004 г. Л. В. Поперенко*, С. И. Лысенко*, К. Л. Винниченко*
*Националъный университет им. Тараса Шевченко, 01033 Киев, Украина **Институт физики полупроводников НАН Украины, 03028 Киев, Украина Поступила в редакцию 20.05.2003 г.
При помощи метода рассеяния света исследована модификация микрорельефа и структуры поверхностного слоя лент аморфных металлических сплавов на основе железа и кобальта после различных тепловых и криогенных воздействий, а также в условиях приложения внешнего магнитного поля. Из экспериментально измеренных индикатрис рассеянного света рассчитаны параметры шероховатости поверхности. Показано, что нагревание металлических лент до температуры Т = 650-750 K приводит к частичному снятию напряжений, возникающих при изготовлении ленты, а также к уменьшению шероховатости поверхности по сравнению со свежеизготовленным образцом. Криогенная обработка при Т = 78 К способствует увеличению шероховатости поверхности, а приложенное к ленте магнитное поле приводит к возникновению анизотропии в поверхностном слое благодаря эффекту магнитострикции.
ВВЕДЕНИЕ
Аморфные металлические сплавы (AMC) на основе железа интенсивно исследуются в связи с возможностью их широкого практического применения. Химические, термодинамические, магнитные, механические и др. свойства лент AMC, полученных методом спиннингования расплава, значительно отличаются от свойств монокристаллов и определяются не только структурой, сформированной в процессе изготовления материала, но и дальнейшей термообработкой. При формировании ленты (вследствие градиента скорости охлаждения по ее толщине) возникают поля внутренних напряжений, а на поверхности образуются локальные микронеоднородности аморфной структуры. В ряде работ [1-3] показано, что эти напряжения можно частично или полностью снять, подвергая ленты AMC дополнительной термической обработке. Отжиг при температуре, близкой к температуре кристаллизации аморфного сплава, приводит к изменению целого ряда физических свойств, что связывают с процессами релаксации структуры, происходящими при переходе от метастабильных атомных конфигураций к более стабильным [1]. Исследования AMC, которые были подвергнуты криогенной обработке, показывают, что охлаждение таких сплавов ведет к разрушению кластеров из металла и металлоида, а также к повышению однородности материала [4].
При термической обработке AMC под действием внешних полей или механических напряжений происходит также изменение рельефа поверхности, что связано с процессами диффузии на
поверхности и с процессами структурно-фазовых превращений в поверхностном слое. Такие процессы сопровождаются миграцией как отдельных атомов на поверхности, так и их объединений, включающих сотни и тысячи атомов [5]. При этом реконструкция поверхности происходит в основном на нано- и микроуровнях, поскольку для изменения размера, формы и пространственного положения микронеоднородностей требуется значительно меньшая энергия, чем в случае ма-кронеоднородностей поверхности.
Необходимо отметить, что в большинстве случаев при изучении AMC основное внимание уделяется изучению атомной структуры, в то время как модификация микрорельефа поверхностного слоя вследствие температурных воздействий остается во многом неисследованной. Поэтому в данной работе основное внимание уделено анализу статистических особенностей микрорельефа поверхности лент AMC Fe61Co20Si5B14, прошедших термическую и криогенную обработку.
Предварительные исследования контактной поверхности таких лент, т.е. поверхности, которая непосредственно соприкасалась с вращающимся диском при создании ленты методом спиннингования расплава, показали, что величина среднеквадратичной шероховатости этой поверхности на несколько порядков превышает аналогичную величину для неконтактной стороны ленты. Было установлено, что величина шероховатости и структура контактной поверхности определяются только характером взаимодействия расплава Fe61Co20Si5B14 с поверхностью диска,
а также неровностями поверхности этого диска. Поэтому исследования контактной поверхности ленты AMC не проводились.
Благодаря своей высокой информативности для исследования микрорельефа и упруго-напряженного состояния поверхностного слоя лент AMC была использована методика рассеяния света. Хорошо известно, что пространственное распределение и поляризационные характеристики рассеянного света полностью определяются состоянием поверхности [6]. Исследование поля рассеянного излучения дает информацию об оптических свойствах и статистическом распределении неоднородностей поверхности в пределах сравнительно больших областей, составляющих тысячи квадратных микрометров.
Рассеяние света на поверхности с малой величиной среднеквадратичной шероховатости, много меньшей длины волны X зондирующего излучения, носит линейный характер. В этом случае из пространственного распределения рассеяния может быть выделено и независимо рассматриваться рассеяние на отдельных компонентах рельефа. Для проведения такого анализа рельеф поверхности представляют в виде двумерной суммы дифракционных решеток с разными периодами, амплитудами и фазами [6]. Рассеяние на одной дифракционной решетке с фиксированной пространственной частотой (величиной, обратной периоду решетки) происходит в определенный угловой диапазон. Поэтому с помощью рассеяния света можно получить информацию о наборе таких решеток. Данные рассеяния в этом случае удобно представлять и анализировать в зависимости от пространственной частоты разложения рельефа поверхности f, которая связана с полярным углом рассеяния б соотношением f = sin б/X. Для поверхности с низкой шероховатостью из данных эксперимента по рассеянию света можно рассчитать статистические функции плотности спектральной мощности шероховатости поверхности PSD (power spectral density) [6]. Функция PSD дает информацию о статистическом распределении и величине неровностей поверхности с различными пространственными частотами и равна квадрату модуля Фурье-преобразования функции h(p), описывающей микропрофиль поверхности:
PSD (f) =
J h( р)eimdp
He-Ne-лазер
О é^^L г— X = 632.8 нм Io
ФЭУ
'scat б
/ ......
Ф
где р - радиус вектор точки поверхности, проведенный из начала координат.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для проведения исследований методом спин-нингования расплава были изготовлены ленты
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения углового распределения интенсивности рассеянного света.
аморфного металлического сплава Fe61Co2oSi5B14 [7]. Различные образцы лент AMC подвергались термическому отжигу в течение 10 мин при температурах Тотж = 650 и 750 K, криогенной обработке в течение четырех часов при температуре кипения жидкого азота Т = 78 К с последующим отогревом до комнатной температуры, а также криогенной обработке в магнитном поле (В ~ 30 мТл), приложенном перпендикулярно к поверхности ленты. Во время криогенной обработки образцы AMC находились в дьюаре с жидким азотом в течение четырех часов, а их отогрев до комнатной температуры проводился на воздухе.
Изучение микрорельефа лент AMC выполнялось путем анализа пространственного распределения интенсивности рассеянного света исследуемой поверхностью. Циркулярно поляризованное излучение I0, источником которого был He-Ne-лазер (длина волны света X = 632.8 нм), падало нормально к поверхности образца (рис. 1). Выбор такой поляризации был сделан с целью предотвратить вклад анизотропии рассеяния, связанный с поляризационными эффектами. Диаметр светового пятна не превышал 100 мкм. Рассеянное излучение Iscat фиксировалось фотоприемником (ФЭУ), который поворачивался относительно точки измерения в азимутальном и полярном направлениях с помощью шаговых двигателей. Такое изменение углового положения ФЭУ позволяло измерять распределение рассеяния в пределах полусферы над поверхностью образца.
Наряду с измерениями рассеяния света в пределах полусферы в работе также измерялись полярные зависимости интенсивности рассеяния при фиксированном азимутальном угле ф. Такие измерения проводились на нескольких участках поверхности, находящихся вблизи осевой линии
2
+ ^
A
tY
lgARS
--4
B
0, град
Y lgARS
-4
--5
60 0, град
-6
Рис. 2. Угловые зависимости интенсивности рассеяния ARS(0, ф) поверхностью образцов AMC. а - све-жеизготовленный образец; б - образец, отожженный при T = 650 К; в - образец, отожженный при T = 750 К. Ось X совпадает с продольной осью ленты AMC.
ленты, после чего данные рассеяния для различных участков усреднялись.
Из данных рассеяния света рассчитывались значения нормированной интенсивности рассеяния ARS(6, ф) (angle resolved scattering), определяемые соотношением [6]
ARS(0, ф) =
1 dIscat ( 0 > ф )
I0 d Q '
где dIscat - интенсивность рассеяния света в телесный угол dQ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
К особенностям исследуемой поверхности следует отнести неровности двух типов. Это макронеровности, высоты которых сравнимы с длиной волны зондирующего излучения, а характерные размеры в боковом направлении составляют несколько десятков микрон, а также неровности с высотами, много меньшими длины волны излучения. Неровности первого типа сформировались при создании образцов AMC в результате растекания расплава по вращающемуся диску и быстрой его закалки [8]. Вследствие такой особенности изготовления образцов эти макронеровности имели вид линейных углублений, ориентированных вдоль направления растекания расплава. Неровности второго типа имели характерные размеры в несколько десятков раз меньше и располагались в пределах макронеровностей.
Поскольку макронеровности поверхности были ориентированны вдоль продольной оси ленты AMC, рассеяние света на них проявляло анизотропию с максимумом в индикатрисе при азимутальном угле ф = 90°. Рассеяние происходило в диапазоне полярных углов 0 от 0° до 18°, что соответствовало малым пространственным частотам от 0 до 0.4 мкм-1 и на
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.