Méthodes Ex Situ et In Situ des enquêtes des Transformations structurelles : le cas de la cristallisation des verres métalliques
Summary
Nous présentons ici un protocole visant à décrire les enquêtes ex situ et in situ des transformations structurelles dans les verres métalliques. Nous avons utilisé des méthodes analytiques axés sur le nucléaire qui inspectent les interactions hyperfines. Nous démontrons l’applicabilité de la spectrométrie Mössbauer et nucléaire diffusion vers l’avant du rayonnement synchrotron au cours d’expériences axées sur la température.
Abstract
Nous montrons l’utilisation de deux méthodes analytiques axées sur le nucléaire que peuvent suivre les modifications de microstructure disposition des verres métalliques à base de fer (MGs). Malgré leur caractère amorphe, l’identification des interactions entre hyperfine dévoile les modifications structurelles faibles. À cette fin, nous avons utilisé deux techniques qui utilisent la résonance entre les niveaux nucléaires d’un isotope de Fe stable 57, à savoir la spectrométrie Mössbauer et diffusion vers l’avant nucléaire (NFS) du rayonnement synchrotron. Les effets du traitement thermique sur (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG sont discutés à partir des résultats d’expériences ex situ et in situ , respectivement. Comme ces deux méthodes sont sensibles aux interactions hyperfines, information structurelle de l’entente, ainsi que sur la microstructure magnétique est facilement accessible. Effectué la spectrométrie Mössbauer ex-situ décrit comment la structure et la microstructure magnétique apparaît à température ambiante après le recuit sous certaines conditions (température, temps), et donc cette technique inspecte stable États. En revanche, NFS données sont enregistrées sur place pendant modifier dynamiquement la température et NFS examine les États transitoires. L’utilisation des deux techniques fournit des informations complémentaires. En général, il peuvent être appliqués à n’importe quel système approprié dans lequel il est important de connaître son état d’équilibre, mais aussi États transitoires.
Introduction
MGs à base de fer préparés par trempe rapide d’un magma représentent des matériaux industriellement attrayantes avec nombreuses applications pratiques1. Autant que leurs propriétés magnétiques sont souvent supérieures aux classiques (poly) alliages cristallins2,3. Pour mieux profiter de leurs paramètres avantageux, leur réaction à des températures élevées doit être connue. Avec l’augmentation de la température, la structure amorphe se détend et, enfin, la cristallisation commence. Dans certains types de MGs, cela peut conduire à la détérioration de leurs paramètres magnétiques et, partant, moins bons résultats. Il y a, cependant, plusieurs familles de MGs ferreuse avec compositions spéciales4,5,6,7 , dans lequel les grains cristallins néoformés sont très fines, généralement inférieure à environ 30 nm de taille. Les nanocristaux de stabilisent la structure et ainsi, préserver les paramètres magnétiques acceptables sur une température large gamme8,9. Ce sont les alliages nanocristallins soi-disant (NCA).
La fiabilité de la performance à long terme de MGs, surtout sous des températures élevées ou des conditions difficiles (rayonnements ionisants, la corrosion, etc.) exige une connaissance approfondie de leur comportement et les paramètres physiques individuels. Parce que MGs sont amorphes, l’assortiment des techniques analytiques qui conviennent à leur caractérisation est plutôt limité. Par exemple, les méthodes de diffraction fournissent réflexions larges et sans relief, qui peuvent être utilisées que pour la vérification des amorphicity.
Il est intéressant de noter que plusieurs, généralement des méthodes indirectes existent qui fournissent rapidement et non destructive caractérisation du MSG (p. ex., ligne à retard magnétostrictives principe de détection). Cette méthode fournit une caractérisation rapide des États structuraux et le stress y compris la présence des inhomogénéités. Il a été avantageusement appliqué à jeûner et rubans de caractérisation non destructive sur toute la longueur de MG10,11.
Aperçu plus détaillé agencement structurel désordonné peut être obtenu via les interactions entre hyperfine qui reflètent avec sensibilité l’arrangement atomique locale des atomes résonnants. En outre, des variations dans l’ordre à courte distance topologique et chimique peuvent être révélées. À cet égard, les méthodes comme la spectrométrie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et/ou la spectrométrie Mössbauer, tous deux réalisés sur 57noyaux Fe, devraient être examinées12,13. Alors que la première méthode donne réponse exclusivement à des interactions dipôle magnétique hyperfin, ce dernier est sensible aussi aux interactions quadrupolaires électriques. Ainsi, spectrométrie Mössbauer rend l’information disponible simultanément sur les arrangements structurels et États magnétiques des noyaux résonnant fer14.
Néanmoins, pour obtenir des statistiques raisonnables, l’acquisition d’un spectre Mössbauer prend généralement plusieurs heures. Cette restriction devrait considérer surtout quand des expériences dépend de la température sont envisagées. Température élevée qui est appliquée lors de l’expérience provoque des modifications structurales dans l’ enquête de la MGs15. Par conséquent, seulement ex-situ expériences réalisées à température ambiante sur les échantillons qui ont été tout d’abord recuit à une certaine température, puis renvoyé à conditions ambiantes fournissent des résultats fiables.
L’évolution des structures de MG au cours du traitement thermique est systématiquement étudiée par des techniques analytiques qui permettent l’acquisition rapide des données comme par exemple la diffraction des rayons x du rayonnement synchrotron (DSR), différentielle (DSC), la calorimétrie à balayage ou magnétique mesures. Bien que des expériences in situ sont possibles, les informations obtenues concernent soit structurel (DSR, DSC) ou les caractéristiques magnétiques (données magnétiques). Toutefois, dans le cas de la DSC (et mesures magnétiques) l’identification du type de grains (nano) qui émergent pendant la cristallisation n’est pas possible. En revanche, les données DSR n’indiquent pas les États magnétiques du système étudié. Une solution à cette situation, c’est une technique qui rend l’utilisation des interactions hyperfines : NFS de rayonnement synchrotron,16. Il appartient à un groupe de méthodes qui exploite des procédés de diffusion résonante nucléaire17. En raison de la très haute brillance du rayonnement provenant de la troisième génération des synchrotrons, température NFS, essais in situ des conditions devient faisable18,19,20,21 ,22,23.
La spectrométrie Mössbauer et NFS sont régies par les mêmes principes physiques associés à résonance nucléaire entre les niveaux d’énergie des noyaux Fe 57. Néanmoins, alors que les anciens scans hyperfine interactions dans le domaine de l’énergie, ce dernier fournit des interférogrammes dans le domaine temporel. De cette façon, les résultats obtenus par les deux méthodes sont équivalentes et complémentaires. Afin d’évaluer les données NFS, un modèle physique raisonnable s’impose. Cette tâche difficile peut être accomplie à l’aide de la spectrométrie Mössbauer qui fournit la première estimation. Complémentarité entre ces deux méthodes signifie que in situ NFS inspecte les États transitoires et spectrométrie Mössbauer reflète les États stables, c’est-à-dire le rapport initial et/ou l’état final d’un matériau étudié ex-situ.
Cet article décrit dans des applications de détail sélectionné de ces deux méthodes moins fréquentes des résonances nucléaires : ici, nous appliquer à l’étude des modifications structurelles qui se produisent dans une (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG exposé à un traitement thermique. Nous espérons que cet article attire l’intérêt des chercheurs d’utiliser ces techniques pour l’étude des phénomènes similaires et finalement avec différents types de matériaux.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex-situ Expériences sur l’effet Mössbauer décrivent une situation stable qui se rencontre dans l’enquête MG après le traitement thermique appliqué. Chaque spectre ont été recueilli pour une durée de plusieurs heures à température ambiante. Ainsi, l’évolution de la structure initialement amorphe a été suivie en fonction des conditions de recuit. Car la spectrométrie Mössbauer est sensible aux interactions hyperfines agissant sur les noyaux résonnants, léger détails des modifications struc…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par l’Agence de développement et de recherche slovaque en vertu des contrats no. APVV-16-0079 et APVV-15-0621, subventions VEGA 1/0182/16 et VEGA 2/0082/17 et l’octroi IGA interne de l’Université Palacký (IGA_PrF_2018_002). Nous sommes reconnaissants à R. Rüffer (ESRF, Grenoble) d’assistance avec les expériences de rayonnement synchrotron.
Materials
| stable isotope, 57Fe | Isoflex USA | iron-57 | metallic form |
| standard eletrolytic Fe, 99.95 % | Sigma Aldrich (Merck) | 1.03819 | fine powder |
| electrolytic Co, 99.85 % | Sigma Aldrich (Merck) | 1.12211 | fine powder |
| electrolytic Cu, 99.8 % | Sigma Aldrich (Merck) | 1.02703 | fine powder |
| electrolytic Mo, 99.95 % | Sigma Aldrich (Merck) | 1.12254 | fine powder |
| crystalline B, 99.95 % | Sigma Aldrich (Merck) | 266620 | crystalline |
| calibration foil for Mössbauer spectrometry, bcc-Fe | GoodFellow | 564-385-23 | foil 0.0125 mm, purity 99.85 % |
| HNO3 acid, ANALPURE Ultra | Analytika Praha, Czech Republic | UAc0061a | concentration 67 %, volume 500 mL |
| spectrometer for atomic absorption spectrometry | Perkin Elmer 1100, Germany | ||
| spectrometer for optical emmission spectrometry with inductively coupled plasma | Jobin Yvon 70 Plus, France | ||
| X-ray diffractometer | Bruker D8 Advance, USA | ||
| differential scanning calorimeter | Perkin Elmer DSC 7, Germany |
Riferimenti
- McHenry, M. E., Laughlin, D. E. Nano-scale materials development for future magnetic applications. Acta Mater. 48 (1), 223-238 (2000).
- Chang, Y. -. H., Hsu, C. -. H., Chu, H. -. L., Chang, C. -. W., Chan, W. -. S., Lee, C. h. -. Y., Yao, C. -. S., He, Y. -. L. Effect of uneven surface on magnetic properties of Fe-based amorphous transformer. Int. J. Elect. Comp. Energetic, Electronic and Commun. Eng. 5 (8), 1160-1164 (2011).
- Herzer, G. Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials. Acta Mater. 61 (3), 718-734 (2013).
- Yoshizawa, Y., Oguma, A., Yamauchi, K. New Fe-based soft magnetic-alloys composed of ultrafine grain-structure. J. Appl. Phys. 64 (10), 6044-6046 (1988).
- Suzuki, K., Kataoka, N., Inoue, A., Makino, A., Masumoto, T. High saturation magnetization and soft magnetic-properties of bcc Fe-Zr-B alloys with ultrafine grain-structure. Mater. Trans. JIM. 31 (8), 743-746 (1990).
- Willard, M. A., Laughlin, D. E., McHenry, M. E., Thoma, D., Sickafus, K., Cross, J. O., Harris, V. G. Structure and magnetic properties of (Fe0.5Co0.5)(88)Zr7B4Cu1 nanocrystalline alloys. J. Appl. Phys. 84 (88), 6773-6777 (1998).
- Makino, A., Men, H., Kubota, T., Yubuta, K., Inoue, A. New Fe-metalloids based nanocrystalline alloys with high B-s of 1.9 T and excellent magnetic softness. J. Appl. Phys. 105 (7), (2009).
- Suzuki, K., Herzer, G. Magnetic-field-induced anisotropies and exchange softening in Fe-rich nanocrystalline soft magnetic alloys. Scripta Mater. 67 (6), 548-553 (2012).
- Hasegawa, R. Advances in amorphous and nanocrystalline materials. J. Magn. Magn. Mater. 324 (21), 3555-3557 (2012).
- Hristoforou, E., Reilly, R. E. Nonuniformity in amorphous ribbon delay lines after stress and current annealing. J. Appl. Phys. 69 (8), 5008-5010 (1991).
- Hristoforou, E., Niarchos, D. Fast characterization of magnetostrictive delay-lines. IEEE Trans. Magn. 29 (6), 3147-3149 (1993).
- Miglierini, M., Lančok, A., Kohout, J. Hyperfine fields in nanocrystalline Fe-Zr-B probed by 57Fe nuclear magnetic resonance spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 96 (21), (2010).
- Kohout, J., Křišťan, P., Kubániová, D., Kmječ, T., Závěta, K., Štepánková, H., Lančok, A., Sklenka, &. #. 3. 1. 7. ;., Matúš, P., Miglierini, M. Low Temperature Behavior of Hyperfine Fields in Amorphous and Nanocrystalline FeMoCuB. J. Appl. Phys. 117 (17), 1-17 (2015).
- Gütlich, P. h., Bill, E., Trautwein, A. X. . Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry. , (2011).
- Stankov, S., Sepiol, B., Kaňuch, T., Scherjau, D., Würschum, R., Miglierini, M. High Temperature Mössbauer Effect Study of Fe90Zr7B3 Nanocrystalline Alloy. J. Phys.: Condens. Mat. 17 (21), 3183-3196 (2005).
- Smirnov, G. V. General properties of nuclear resonant scattering. Hyperfine Int. 123 (1-8), 31-77 (1999).
- Röhlsberger, R. . Nuclear Condensed Matter Physics with Synchrotron Radiation. , (2004).
- Miglierini, M., Procházka, V., Stankov, S., Švec, P., Zajac, M., Kohout, J., Lančok, A., Janičkovič, D., Švec, P. Crystallization kinetics of nanocrystalline alloys revealed by in-situ nuclear forward scattering of synchrotron radiation. Phys. Rev. B. 86 (2), (2012).
- Miglierini, M., Procházka, V., Rüffer, R., Zbořil, R. In situ crystallization of metallic glasses during magnetic annealing. Acta Mater. 91, 50-56 (2015).
- Procházka, V., Vrba, V., Smrčka, D., Rüffer, R., Matúš, P., Mašláň, M., Miglierini, M. Structural transformation of NANOPERM-type metallic glasses followed in situ by synchrotron radiation during thermal annealing in external magnetic field. J. Alloy. Compounds. 638, 398-404 (2015).
- Miglierini, M., Pavlovič, M., Procházka, V., Hatala, T., Schumacher, G., Rüffer, R. Evolution of structure and local magnetic fields during crystallization of HITPERM glassy alloys studied by in situ diffraction and nuclear forward scattering of synchrotron radiation. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (42), 28239-28249 (2015).
- Miglierini, M. B., Procházka, V., Khodaei, M., Petaccia, L. Nanocrystallization of Metallic Glasses Followed by in situ Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation. X-ray Characterization of Nanomaterials by Synchrotron Radiation. , 7-29 (2017).
- Miglierini, M., Matúš, P. Structural Modifications of Metallic Glasses Followed by Techniques of Nuclear Resonances. Pure Appl. Chem. 89 (4), 405-417 (2017).
- Žák, T., Jirásková, Y. CONFIT: Mössbauer spectra fitting program. Surf. Interf. Anal. 38 (4), 710-714 (2006).
- Rüffer, R., Chumakov, A. I. Nuclear-resonance beamline at ESRF. Hyperfine Interact. (1-4), 589-604 (1996).
- Sturhahn, W., Gerdau, E. Evaluation of time-differential measurements of nuclear-resonance scattering. of X-rays Phys. Rev. B. 49 (14), 9285-9294 (1994).
- Sturhahn, W. CONUSS and PHOENIX: Evaluation of nuclear resonant scattering data. Hyperfine Interact. 125 (1-4), 149-172 (2000).
- Vrba, V., Procházka, V., Smrčka, D., Miglierini, M. Advanced Approach to the Analysis of a Series of in-situ Nuclear Forward Scattering Experiments. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 847, 111-116 (2017).
- Miglierini, M., Grenèche, J. -. M. Mössbauer Spectrometry of Fe(Cu)MB-Type Nanocrystalline Alloys: I. The Fitting Model for the Mössbauer Spectra. J. Phys.: Condens. Matter. 9 (10), 2303-2319 (1997).
- Mülhaupt, G., Rüffer, R. Properties of synchrotron radiation. Hyperfine Int. 123 (1-8), 13-30 (1999).
- Rüffer, R. Nuclear resonance scattering. C. R. Physique. 9 (5-6), 595-607 (2008).
- Seto, M. Condensed matter physics using nuclear resonant scattering. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021016 (2013).
- Machala, L., Procházka, V., Miglierini, M., Sharma, V. K., Marušák, Z., Wille, H. -. C. h., Zbořil, R. Direct Evidence of Fe(V) and Fe(IV) Intermediates during Reduction of Fe(VI) to Fe(III): A Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation Approach. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (34), 21787-21790 (2015).
