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.