ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 2, с. 84-88
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.1782'863/865:548.313:539.26
ОРИЕНТАЦИОННЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ РЕШЕТКАМИ СОЕДИНЕНИЙ И2(Ре, 8Г)17 И ЩРе, 8Г)12 В СПЛАВАХ С И = ТЬ, Но
© 2004 г. Г. В. Иванова, Г. М. Макарова, Е. В. Щербакова, Н. Н. Щеголева
Институт физики металлов УрО РАН, 629219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 09.02.2004 г.
В богатых железом сплавах Я-Ре-81 (Я = ТЬ, Но) соединение Я2(Ре, 81)17 типа ТЬ2№17 кристаллизуется конгруэнтно, а Я(Ре, 31)12 образуется во время затвердевания слитка при более низких температурах. Между решетками этих фаз существует ориентационная связь двух типов. При одном (010)1:12 || (0001) 2:17, (100) 1:12 || {1120 } 2:17 и (001) 1:12 || {1100 } 2:17, при другом {011} 1:12 || (0001) 2:17, (100) 1:12 || {1120 } 2:17 и (001)1:12 || {1102 } 2:17. Второй тип соотношений оказался совершенно неожиданным. Общим для обоих типов является то, что направления (111) 1:12 || (2023) 2:17. По этим направлениям в решетках расположены плотноупакованные цепочки из гантелей, замещающих атомы Я (при образовании соединений из структуры типа СаСи5). По-видимому, формирование таких цепочек играет важную роль в устойчивости вышеупомянутых соединений и в механизмах фазовых превращений в указанных сплавах.
Известно, что соединения Я2(Ре, М)17, Я(Ре, М)12, Я3(Ре, М)29 и недавно обнаруженное ТЬ4(Ре, Б1)41 могут быть образованы из соединения ЯМ5 типа СаСи5 путем замещения больших атомов Я на пары ("гантели") атомов Ре(М). При таком способе формирования кристаллические решетки образованных соединений определенным образом ориентированы относительно решетки ЯМ5. Особенностью структур этих соединений является то, что в них вышеупомянутые гантели образуют плотноупакованные цепочки вдоль направления (1121) решетки ЯМ5 [1]. Порядок в расположении цепочек строго определен в каждой из структур, их содержащих. Исследуя механизм выделения соединений Яе3(Ре, М)29 или Я4(Ре, М)41 из высокотемпературной фазы Я2(Ре, М)17 типа ТИ2№17 в сплавах с Я = ТЬ, У, М = V [1, 2], мы пришли к выводу, что сами эти цепочки легко и быстро формируются во время низкотемпературного отжига сплавов. Они, по-видимому, являются очень устойчивым образованием, стабилизирующим структуры.
В данной работе исследованы ориентацион-ные соотношения между решетками фаз Я2(Ре, М)17 типа ТИ2№17 и Я(Ре, М)12, возникших в процессе затвердевания слитков, и высказано предположение, что и в этом процессе выстраивание вышеупомянутых цепочек из гантелей Ре-Ре(М) играет не последнюю роль.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Сплавы номинальных составов Я(Ре1 _ Я = = ТЬ, Но (0.09 < х < 0.15, 9.667 < у < 10.25) выплавлены методом индукционной плавки. Фазовый состав образцов непосредственно в литом состоянии исследован рентгенографически с использованием Сг-излучения: снимали порошковые рентгенограммы, рентгенограммы колебания со шлифа или скола или рентгенограммы вращения и колебания с ориентированных монокристальных фрагментов размером 0.1-0.2 мм. Фазовый состав контролировался по данным магнитометрического анализа, для чего снимались кривые температурной зависимости ас восприимчивости в полях менее 10 Ам-1 при частоте 80 Гц. Микроструктура наблюдалась в оптическом микроскопе после химического травления шлифов в нитале.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследованные сплавы уже в литом состоянии содержали фазы R2(Fe, Si)17 типа Th2Ni17 и R(Fe, Si)12 (для краткости далее первое из названных соединений будем называть 2:17, а второе - 1:12). В некоторых сплавах присутствовало также очень небольшое количество a-Fe. Сплавы были весьма грубозернистыми, так что можно было работать с отдельными зернами как с монокристаллами. Рентгенограммы вращения и колебания, снятые с таких однозеренных ориентированных фрагментов, всегда содержали картину, типичную для монокристалла 2:17, но около каждого рефлекса 2:17 присутствовало несколько рефлексов 1:12 с разными индексами hkl. Следовательно, в каждом
1:5
2:17
_ 1:12 1210
1210
2110
001
2110
100
Рис. 1. Микроструктура литого сплава ТЬ(Ре0.85810.15)10.25-
таком фрагменте содержалась фаза 2:17 одной ориентации (т.е. монокристалл) и фаза 1:12 нескольких разных ориентаций. Такая картина означает, что во время затвердевания слитка соединение 2:17 кристаллизуется первым в виде отдельных монокристальных зерен, а соединение 1:12 образуется при более низкой температуре. Так как кристаллические структуры фаз близки, то образующаяся позднее фаза определенным образом ориентируется относительно решетки ранее образовавшейся, вследствие чего около каждого зерна 2:17 появляются области нескольких разных ориентаций фазы 1:12.
На рис. 1 приведена фотография микроструктуры литого сплава ТЬ(Ре0.85810.15)1025. Видны крупные области (по-видимому, 2:17), окруженные участками более мелкозернистой фазы (по-видимому, 1:12). Микроструктура вполне согласуется со сделанным выше заключением о процессе затвердевания исследованных сплавов.
Поверхности ликвидуса и солидуса сплавов ТЬ-Ре-81 и Но-Ре-81 неизвестны. При кристаллизации двойных сплавов [3] соединения ТЬ2Ре17, ТЬ6Ре23, ТЬРе3 образуются по перитектическим реакциям. Но2Ре17 затвердевает конгруэнтно, и при более низких температурах кристаллизуются две эвтектики: Но2Ре17 + Ре и Но2Ре17 + Но6Ре23. Из наших результатов ясно, что небольшая добавка кремния меняет диаграммы состояний: во-первых, появляются фазы И(Ре, 81)12, во-вторых, оказывается, что соединение ТЬ2(Ре, Б1)17 затвердевает также конгруэнтно. Сказать определенно, каким образом (по перитектической или по эвтектической реакции) образуются соединения 1:12 в исследованных нами сплавах, мы не можем. Ясно лишь, что возникшие при более высокой температуре кристаллы 2:17 служат как бы подложкой для кристаллизации 1:12.
Рис. 2. Ориентация решеток фаз Я2М17 и ЯМ^ относительно решетки ИМ5, вытекающая из способа их конструирования путем замены части атомов И на гантели М-М в структуре ИМ5.
Наиболее подробно взаимная ориентация фаз изучена на сплаве с И = ТЬ. Она была такой же в сплавах с И = Но. Аналогичную картину мы наблюдали также в сплавах У-Ре-У, исследованных нами ранее [4]. Выше уже сказано, что кристаллические структуры соединений ИМ12 и И2М17 могут быть получены из структуры соединения ИМ5 путем замены части атомов И на пары (гантели) атомов М. При этом решетки ИМ12 и И2М17 ориентированы относительно решетки ИМ5 так, как показано на рис. 2. Естественно было ожидать, что решетка образовавшейся при кристаллизации сплава фазы 1:12 будет ориентирована относительно решетки 2:17 так, как следует из рис. 2, т.е. [010] и [100] 1:12 параллельны соответственно [0001] и < 2110 > 2:17 и [001] 1:12 || < 0110 > 2:17. Оказалось, что области с такими ориентациями 1:12 в исследованных образцах действительно есть. На рис. 3 приведена стереографическая проекция кристалла И2М17, содержащего области ИМ12, связанные с И2М17 именно такими ориента-ционными соотношениями (назовем их ориента-ционными соотношениями первого типа). Всего возможны три ориентации ИМ12, в соответствии с тем, что направление [001] 1:12 может быть параллельно одному из трех направлений < 1010 > 2:17. Из рисунка следует, что, если направление
[ 1120 ] 2:17 параллельно оси вращения образца,
то на нулевой слоевой линии около рефлекса 660 2:17 на рентгенограммах колебания должны появиться рефлексы 004 и 602 1:12, около 336 2:17 -062 и 361 1:12 и около 004 2:17 - 040 1:12. На рентгенограммах колебания группы таких рефлексов есть. Должны также присутствовать рефлексы на слоевых линиях, соответствующих периодам идентичности ~8.4 А (период идентичности вдоль направления [100]) и ~16.5 А (период идентичнос-
Рис. 3. Стереографическая проекция плоскостей кристалла ТЬ2(Ре, 81)17 типа Т^М^ и областей ТЬ(Бе, 81)12, связанных друг с другом ориентационными соотношениями первого типа:
• - выходы нормалей к плоскостям НЫ или кристаллографических направлений (2023) 2:17 и (111), (103), (233) 1:12; х - индексы соответствующего объекта ТЬ2(Ре, 81)17, ОДП - индексы объектов ТЬ(Бе, 81)12 разных ориентаций.
ти вдоль направления (103) 1:12). Такие рефлексы на рентгенограммах также есть.
Кроме рефлексов, принадлежащих областям этих ориентаций 1:12, на рентгенограммах есть и другие, не принадлежащие к ним. Например, около рефлекса 33б 2:17 наблюдается рефлекс 004 1:12. Есть слоевые линии рефлексов 1:12, соответствующие периоду идентичности ~33 А; на первой слоевой линии, в частности, расположены рефлексы 530 и 512 1:12. Очевидно, в образце есть области соединения 1:12, имеющие другие ориентации. На рис. 4 приведена стереографическая проекция, на которой нанесены некоторые из этих рефлексов. Картина совместима с заключением, что в рассматриваемых областях плоскости (011) 1:12 || (0001) 2:17, (100) 1:12 || {1120} 2:17, (001) 1:12 ||{ 1102 } 2:17. При этом вдоль направления [ 1120 ] 2:17 располагаются [100] или (233) (период идентичности вдоль направления (233) 1:12 составляет 33.5 А). Всего таких ориентаций может быть 6 (в соответствии с тем, что плоскость (001) 1:12 может быть параллельна одной из шести плоскостей {1102 } 2:17), на рисунке
Рис. 4. Стереографическая проекция плоскостей кристалла ТЬ2(Ре, 81)17 типа Т^М^ и областей ТЬ(Бе, 81)12, связанных друг с другом ориентационными соотношениями второго типа:
• - выходы нормалей к плоскостям НЫ или кристаллографических направлений (2023) 2:17 и (111), (103), (233) 1:12; х - индексы соответствующего объекта ТЬ2(Ре, 81)17; ОДП - индексы объектов ТЬ(Бе, 81)12 разных ориентаций.
показаны три (эти ориентационные соотношения назовем соотношениями второго типа).
Совпадение плоскостей (0001) 2:17 и (011) 1:12 на первый взгляд кажется странным. На рис. 5 показано расположение атомов в этих плоскостях. Видно, однако, что наблюдается немалое сходст-
(а) (б)
Рис. 5. Расположение атомов ТЬ (О) и Бе(81) (О): а - плоскость 011 решетки ТЬ(Бе, 81)12; • - смешанная плоскость базиса решетки ТЬ2(Ре, 81)17 (жирными линиями прочерчена проекция элементарной ячейки на плоскость базиса; •
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.