научная статья по теме МЁССБАУЭРОВСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО СПЛАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ MO80FE20 Физика

Текст научной статьи на тему «МЁССБАУЭРОВСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО СПЛАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ MO80FE20»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2010, том 74, № 3, с. 369-372

УДК 620.193.1:(546.72+546.821):54-19

МЁССБАУЭРОВСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО СПЛАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ Mo80Fe20

© 2010 г. Е. П. Елсуков, А. В. Протасов, И. В. Повстугар

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт Уральского отделения, Ижевск

E-mail: yelsukov@fnms.fti.udm.ru

Методами мёссбауэровской спектроскопии и рентгеновской дифракции установлена последовательность твердофазных реакций при механическом сплавлении порошков Mo и Fe в атомном соотношении 80:20. На начальной стадии в частицах ОЦК-Mo формируются наноструктура и фаза rny-Mo63Fe37. На второй стадии происходит образование ОЦК-твердого раствора Mo—Fe. Процесс завершается формированием небольшого количества (20%) рентгеноаморфной фазы.

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени накоплен обширный фактический материал по поведению различных металлических систем при механическом сплавлении (МС) и измельчении элементарных порошков в энергонапряженных измельчающих устройствах [1]. Наиболее изучены бинарные системы на основе Бе вследствие большой практической значимости многих его сплавов и соединений. На основании экспериментальных данных для механического сплавления железа с В, С, А1, 81, Ое и 8п [2] была предложена модель, согласно которой на начальной стадии в Бе формируется наноструктура, атомы второго компонента проникают по границам зерен Бе и сегрегируют на них. К аналогичному выводу о проникновении атомов второго компонента на границу зерен Бе пришли авторы работы [3] при изучении МС с 8п, Zr, Т1, МЪ, Мо и W с одним очень важным уточнением: сегрегирование можно было предположить только для тех элементов (8п, Zr, Т1), предел текучести которых меньше, чем у Бе. В эксперименте это проявляется в медленном растворении №, Та, Мо и W в решетке Бе. Если обнаруженная корреляция с пределом текучести справедлива, то при МС систем на базе МЪ, Та, Мо и W с Бе, в которых Бе будет выступать вторым (примесным) компонентом, должно наблюдаться быстрое растворение Бе в базовых элементах. Представляло интерес также изучение последовательности твердофазных реакций в системе, в которой базовым элементом является отличный от Бе металл.

Для проведения исследований был выбран состав порошковой смеси в атомном соотношении Мо80Ре20. Ранее были выполнены детальные исследования начальной стадии МС смеси Бе80Мо20 [4], что позволяет провести сравнение результатов МС систем с инвертированными атомными соотношениями. Механическая обработка проводилась в атмосфере аргона в планетарной мель-

нице "Пульверизетте-7". Сосуды (объем 45 см3) и шары (20 шт. диаметром 10 мм) были изготовлены из шарикоподшипниковой стали ШХ15, содержащей 1.5 мас. % Сг и 1 мас. % С (остальное Бе). Ранее было показано [5], что данная сталь наиболее износоустойчива в процессах механического сплавления по сравнению с такими материалами, как карбид вольфрама или нержавеющая сталь. Масса загружаемого порошка оставляла 10 г. Для контроля возможного загрязнения исследуемого материала продуктами износа шаров и сосуда проводилось взвешивание образца, сосуда и шаров до и после обработки. Выборочно проводился также контроль масс-спектрометром вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС). Рентгено-структурные исследования выполнены на ди-фрактометре ДРОН-3 в СиХ"а-излучении. Рентге-нофазовый анализ проводили с использованием пакета программ полнопрофильного анализа [6]. Для определения размера зерен и величин микроискажений применялся гармонический анализ Уоррена и Авербаха с аппроксимацией формы линии функцией Фойгта [7]. Мёссбауэровские исследования проводили при комнатной температуре на спектрометре 8М220ШЯ в режиме постоянных ускорений с источником резонансного у-излучения 57Со(Сг). Математическая обработка мёссбауэровских спектров выполнялась в дискретном представлении методом наименьших квадратов с использованием алгоритма Левен-берга—Марквардта.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В процессе механической обработки не наблюдались загрязнения образцов за счет износа шаров и сосуда: расхождение в массе образца до и после обработки не превышало 50 мг; по данным ВИМС, после стравления поверхности частиц

370

ЕЛСУКОВ и др.

д

<D

К н О

А Н О

о

X «

и

о

к

н

к

к

(110) Mo

(110) Fe (2°°) Mo (211) Mo (220) Mo 1 чЛа_^-A___/U___А_

ГПУ Mo - Fe

ГПУ Mo - Fe J_._L

Fe

_u_i_

j_L

Mo i_l_

40 50 60 70 80 90 20(CuKa), град.

* ^ V 2

д

(D

X н О

А H О

о

X «

и

о X

<D

н X

К

"Т ■■-•-•-Т1"--- с

-2 -10 1 2

4

j_i_i_i_i_i_i_i_

_i_i_i_i_i_i_i_i_

10 -8 -6 -4 -2 0 2

10

и, мм • с

2

3

Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы механически сплавленных образцов Мо80Ре20 Для различных времен механической обработки /МС: 1 — 0.5; 2 — 2, 3 — 4, 4 — 12, 5 - 16, 6 — 24 ч. Тизм = 300 К.

Рис. 2.Мёссбауэровские спектры механически сплавленных образцов Мо80ре20 для различных времен механической обработки /МС: 1 — 0.5, 2 — 2, 3 — 4, 4 — 12, 5 — 16, 6 — 24 ч. На вставках к спектрам 3 и 6 показан результат математической обработки. Тизм = 300 К.

толщины 30 нм концентрация Mo составляла 80.0 ± 0.7 ат. %, примеси Cr и C не обнаружены.

Рентгеновские дифрактограммы и мёссбауэ-ровские спектры механически сплавленных образцов представлены на рис. 1 и 2 соответственно. Уже при времени обработки tMC = 0.5 ч в рентгеновской дифрактограмме (рис. 1, кривая 1) появляются новые рефлексы, интенсивность которых становится максимальной при tMC = 4 ч (рис. 1, кривая 3). В соответствии с представленными внизу рис. 1 штрих-дифрактограммами новая фаза является гексагональной плотноупакованной (обозначение по тексту — ГПУ Mo—Fe). В мёсс-бауэровских спектрах эта фаза представлена парамагнитным дублетом (рис. 2, кривые 1 и 2). С увеличением времени обработки при tMC > 1 ч за счет растворения Fe в Mo появляется фаза ОЦК Mo—Fe с полным исчезновением чистого ОЦК Mo при tMC = 12 ч (рис. 2, кривая 4). Из вида мёсс-бауэровского спектра для tMC = 12 ч (рис. 2, кривая 4)

этой фазе можно отнести парамагнитную одиночную линию с изомерным сдвигом близким к нулю относительно ОЦК Fe с отрицательной стороны шкалы скоростей. Фаза ГПУ Mo—Fe полностью исчезает при tMC > 12 ч с формированием в системе рентгеноаморфной фазы Am Mo—Fe (рис. 1, кривые 5и 6), проявляющейся в мёссбауэ-ровском спектре в виде парамагнитной линии с положительным изомерным сдвигом »0.3 мм • с-1 (рис. 2, кривые 5 и 6). Необходимо отметить здесь значительную пользу мёссбауэровской спектроскопии для анализа твердофазных реакций при МС: четко фиксируется расходование фазы ОЦК-Fe по интенсивности магнитно-расщепленной части в спектрах, и не обнаруживается растворение Mo в ОЦК-Fe (рис. 2, кривые 1-3). Практически невозможно из-за отсутствия эталонов выполнить рентгенофазовый анализ образцов, содержащих аморфную фазу Am Mo-Fe (рис. 1, кривые 5 и 6), в то время как такой анализ по данным мёссбауэровской спектроскопии не

МЁССБАУЭРОВСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО СПЛАВЛЕНИЯ

371

представляет каких-либо затруднений (рис. 2, кривые 5 и 6).

Результаты количественного анализа представлены на рис. 3. Для оценки размеров зерен L в ОЦК Mo—Fe отдельно снималась часть дифрак-тограммы в области углов 29 = 70—77 град с шагом 0.05 град. Объединенные результаты для ОЦК Mo и ОЦК Mo—Fe приведены на рис. 3а. Наблюдается резкое уменьшение размера зерен на начальном этапе МС при /МС < 2 ч (L = 13 нм при /МС = 2 ч). При дальнейшем увеличении времени обработки зависимость L^q) практически выходит на насыщение с характерными величинами L в интервале от 6 до 8 нм. Из сопоставления зависимостей L^q) с зависимостью количества ОЦК-Fe (кривая 1 на рис. 3б) можно сделать вывод, что исчезновение фазы ОЦК-Fe при /МС « 4 ч непосредственно связано с интенсивным формированием наноструктуры в ОЦК-Mo на начальной стадии МС и, возможно, осуществляется диффузией атомов Fe по границам зерен Mo. Отметим, что для полного расходования фазы ОЦК-Fe при МС системы Mo80Fe20 требуется подведение механической энергии ~20 кДж • г-1, в то время как фаза ОЦК-Mo до конца не была израсходована при 40 кДж • г-1 в случае МС смеси с инвертированным атомным соотношением Fe80Mo20 [4]. Таким образом, установленная в [3] корреляция скорости расходования второго компонента в зависимости от его предела текучести ат по отношению к пределу текучести базового элемента находит свое убедительное подтверждение. В [3] приведены следующие значения aT(Fe) = 167 МПа и aT(Mo) = 550 МПа. При анализе фазового состава при МС с использованием мёссбауэровской спектроскопии была использована модельная схема, в которой спектр ГПУ Mo—Fe является дублетом, а фазы ОЦК Mo—Fe и Am Mo—Fe соответствовали синглетам (см. вставки на рис. 2, кривые 3 и 6). В результате математической обработки были получены следующие параметры: для ГПУ Mo—Fe изомерный сдвиг 5(ГПУ Mo—Fe) = 0.10 ± 0.02 мм • с-1, квад-рупольное расщепление А(ГПУ Mo—Fe) = 0.40 ± ± 0.02 мм • с-1, для ОЦК Mo—Fe и Am Mo—Fe 5(ОЦК Mo-Fe) = -0.01 ± 0.02 мм • с-1 и 5(Am Mo-Fe) = 0.39 ± 0.02 мм • с-1. В целом найденные из рентгеновских и мёссбауэровских измерений фазовые соотношения в зависимости от /МС приведены на рис. 3б. С резким уменьшением L и P(Fe) при /МС < 4 ч формируется фаза ГПУ Mo-Fe, достигая своего максимального значения Р(ГПУ Mo-Fe) = 40 ат. % при /МС = 4 ч (рис. 3б, кривая 2). Предполагая так же, как и в [2], что ширина интерфейсов в наноструктуре Mo в 1 нм, доля объема, приходящаяся на интерфейсы Pif при представлении зерен в виде куба с L = 8 нм, составляет 33%. При сделанных грубых предположениях совпаде-

н cd

£0 Рч

^0

30

25

20

15

10

5 80

60

40

20

0

312 .311 310 309 308

20

15*

10

и"

0 4 8 12 16 20 24

¡MC ч

Рис. 3. а - зависимости от времени механической обработки ¡Мс размера зерна в ОЦК-фазах Mo и Mo-Fe, б - фазового состава (ОЦК-Fe - 1; ГПУ Mo-Fe - 2; ОЦК Mo-Fe - 3; Am Mo - Fe - 4); в - параметра решетки и концентрации Fe в ОЦК-Mo-Fe (кривые 1 и 2 соответственно).

ние величин Р(ГПУ Mo-Fe) и Pif следует считать вполне удовлетворительным. Полученный результат позволяет утверждать, что на начальной стадии МС с фо

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