научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 6, с. 91-97

_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ _

ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.15:539.213:539.241.25

ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

© 2004 г. Е. В. Пустовалов, Н. Д. Захаров, В. С. Плотников, Б. Н. Грудин

Дальневосточный государственный университет, 690950 Владивосток, ул. Суханова, 8 Поступила в редакцию 07.10.2003 г.

Представлены результаты исследования методами высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ), рентгеновской дифракции и химического микроанализа микроструктуры аморфных сплавов Fe77Ni1SÍ9B13 и Fe67NÍ6Si11B16 и ее динамики при термовоздействии. В исходном состоянии в микроструктуре сплавов обнаружены области локального атомного порядка в виде "цепочек" со структурой, близкой к микрокристаллам соединения Fe3B. Размер таких образований 1-3 нм. На начальной стадии релаксации структуры аморфного сплава состава Fe77Ni1Si9B13 на ВРЭМ снимках визуализированы микрокристаллы y-Fe (размер микрокристаллов 1-5 нм), а на электронно-микроскопических изображениях визуализирована микроструктура типа "сетки" с характерными периодами от 4.8 до 10 нм. При нагреве образцов в интервале температур 250-300°С наблюдается фазовый переход y-Fe —»- a-Fe. Кристаллизация сплава Fe67Ni6Si11B16 осуществляется через зарождение и рост микрокристаллов Fe3B. Ионное утонение образцов аморфных сплавов позволило визуализировать крупномасштабные концентрационные неоднородности с характерными размерами 1-3 мкм. На границе крупномасштабных неоднородностей содержание кремния выше, чем на участках образца рядом с границей на 2-2.5%.

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в развитии физической теории аморфного состояния определяется экспериментальным и теоретическим изучением структуры как в исходном состоянии, так и при термовоздействии на различных стадиях структурной релаксации. Наибольший интерес представляет изучение начальной стадии процесса кристаллизации аморфных сплавов, когда материал в основном остается аморфным. С практической точки зрения, аморфный сплав, претерпевший кристаллизацию, не представляет практической ценности, так как теряет свои уникальные эксплутацион-ные характеристики. Поэтому детальное изучение структуры аморфных сплавов в процессе отжига при невысоких температурах важно как для развития фундаментальных представлений о физике аморфного состояния, так и для практического применения аморфных сплавов.

Однако большая часть существующих научных работ по этой тематике в основном посвящена аспектам структурной релаксации и кристаллизации при температурах порядка 400-700°С и в них обычно не уделяется должного внимания связи исходной структуры аморфного сплава с конкретными кристаллическими фазами, получаемыми в процессе нагрева. Основная цель данной работы - исследование динамических изменений в микроструктуре многокомпонентных аморфных сплавов на основе железа при термовоздействии на начальной стадии кристаллизации.

Объектами исследования были выбраны многокомпонентные аморфные сплавы на основе железа: Ре^М^кВ^ и Ре67№681пВ16 (промышленные марки 2НсР и 10НСР соответственно). Эти аморфные материалы обладают уникальными магнитными свойствами, высокой твердостью и коррозионной стойкостью, что позволяет, в частности, использовать их в качестве датчиков для измерения магнитных полей и сердечников для магнитных головок и трансформаторов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: исследовать микроструктуру аморфных сплавов в исходном состоянии с целью выявления возможных центров локального упорядочения структуры при кристаллизации; исследовать динамику микроструктуры аморфных сплавов при различных режимах нагрева и оценить влияние исходной микроструктуры на этот процесс; сравнить механизмы кристаллизации аморфных сплавов с различным составом (2НСР и 10НСР).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

При изучении микроструктуры аморфных сплавов в качестве основного метода использовалась просвечивающая электронная микроскопия, позволяющая осуществлять прямое наблюдение микроструктуры сплавов. Количественные характеристики микроструктуры определялись по электронно-микроскопическим изображениям с ис-

пользованием спектрального и структурно-морфологического анализа изображений [1, 2].

Аморфные сплавы состава 2НСР и 10HCP были изготовлены методом одновалкового спинин-гования из расплава и представляли собой ленты шириной 9.5 мм и толщиной около 20 мкм. Контроль среднего химического состава лент проводился на лазерном масс-спектрометре ЭМАЛ-2. Контроль локального химического состава электронно-микроскопических образцов осуществлялся на электронном микроскопе Philips CM20T (ускоряющее напряжение 200 кВ), оборудованном рентгеновским энергодисперсионным анализатором. Для контроля аморфности структуры сплавов в целом были выполнены эксперименты по рентгеновской дифракции на порошковом дифрак-тометре "Rigaku" (СиАа-излучение, Ni-фильтр).

Для проведения электронно-микроскопических исследований аморфных сплавов из лент вырезались диски диаметром 3 мм, которые утонялись на установке ионного травления. Полировка осуществлялась ионами аргона при парциальном давлении 5 х 10-5 Па с двух сторон при ускоряющем напряжении 4 кВ, токе пучка 10 мкА. Угол падения пучка на образец - около 80°. При таком режиме утонения скорость травления составляла примерно 3 мкм/ч, а температура образца не превышала 75°С. Для получения более тонкого и протяженного края образца, что важно для ВРЭМ-ис-следований, применялась дополнительная обработка образцов - полировка в течение 2-3 ч в щадящем режиме (ускоряющее напряжение 3 кВ, ток 5 мкА). Общее время препарирования образцов в среднем составляло 10-12 ч.

Отжиг образцов в основном осуществлялся по следующей схеме: нагрев до 100°С со скоростью 0.15 град/с, затем уменьшение скорости нагрева до 0.1 град/с и дальнейший нагрев образца до 200°С, выдержка образца при этой температуре в течение часа; затем либо охлаждение образца до комнатной температуры со скоростью 0.3 град/с, либо продолжение нагрева до 300°С, выдержка образца при этой температуре в течение получаса и охлаждение его до комнатной температура со скоростью 0.3 град/с.

ВРЭМ-изображения аморфных сплавов были получены на электронных микроскопах JEOL-2000EX и JE0L-4000EX. Для "in situ" исследований при нагреве использовался держатель, позволяющий проводить нагрев образца в колонне электронного микроскопа JEM 100B при сохранении высокого разрешения [3]. Максимальная рабочая температура нагревателя - 600°С. В процессе отжига электронно-микроскопические изображения записывались с помощью телевизионной камеры на видеомагнитофон. Для повышения чувствительности камеры использовался усилитель яркости. Это позволило фиксировать изображе-

ния при малом токе электронного пучка, значительно уменьшая дополнительный нагрев образца в колонне микроскопа.

Для ВРЭМ-исследований микроструктуры аморфных сплавов в основном использовался электронный микроскоп ХЕОЬ 4000ЕХ с ускоряющим напряжением 400 кВ. Для этого микроскопа дефокусировка по Шерцеру А = -40 нм, а положительная вторая полуволна передаточной функции возникает при А = -70 нм, что позволяет установить предел разрешения для данного микроскопа на уровне 0.16 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На рис. 1а приведено обработанное на ЭВМ ВРЭМ изображение структуры сплава 2НСР и его спектр Фурье. Изображение получено при шерцеровских условиях дефокусировки на электронном микроскопе ХЕОЬ 4000 ЕХ. Размер изображения - 12 нм. При обработке на ЭВМ к исходному изображению применялись следующие процедуры [1, 2]: морфологическая фильтрация - для удаления мельчайших неоднородностей-арте-фактов на изображении; удаление тренда - для выравнивания освещенности на изображении, контрастирование и бинаризация изображения. Несложно заметить на обработанном изображении упорядоченные области. На рис. 16 приведена интегральная частотная характеристика (ИЧХ -распределение энергии спектра в системе кольцевых зон [1]) для данного изображения, подтверждающая его квазипериодический характер. Маркером отмечена частота, соответствующая пространственному периоду 0.28 нм.

Количественный анализ неоднородностей структуры на этом изображении проводился с использованием программы морфологического анализа изображений [2]. На рис. 1в показана морфологическая функция радиального распределения, имеющая три четко выделенных и периодически расположенных максимума. Расстояния между этими максимумами соответствуют наиболее часто встречаемому расстоянию между упорядоченными неоднородностями на изображении, которое в данном случае равно 0.28 нм. По числу четко различимых максимумов можно оценить среднюю длину таких упорядоченных образований - в данном случае это длина составляет примерно 2 нм. На рис. 1г приведен спектр эффективных размеров [2] структурных неоднородностей на данном изображении. Здесь эффективный средний размер Ь = 0.3 нм, мода М = 0.2 нм, среднеквадрати-ческое отклонение а = 0.15 нм. Отметим некоторые особенности упорядоченных областей: на исходном изображении они, как правило, не имеют четких границ; имеют произвольные формы, зачастую изогнуты; один из линейных размеров больше другого. Эти области с упорядочением

Рис. 1. Анализ ВРЭМ-изображения участка структуры аморфного сплава РеууМ^дВ^, полученного на электронном микроскопе ШОЬ 4000ЕХ.

подобны "цепочкам", где их одно звено составляет период. Такие же образования обнаружены и в структуре сплава 10НСР. В работе [4] с использованием математической обработки и моделирования изображений показано, что наиболее вероятная структура таких областей - микрокристаллы соединения Бе3В, представляющие собой фрагменты тригональных призм, в центре которых расположены атомы бора, а по вершинам -атомы железа. Пространство между "цепочками" заполняется аморфной структурой.

Эксперименты по изучению начальной стадии кристаллизации проводились в диапазоне температур 100-300°С со скоростями нагрева до 0.17 град/с, что позволяет хорошо проследить начало процессов кристаллизации. Первые изменения контраста элек

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