Methoden van Ex Situ en In Situ onderzoeken van structurele transformaties: het geval van kristallisatie van metalen bril
Summary
Hier presenteren we een protocol om te beschrijven van ex situ en in situ onderzoeken van structurele transformaties in metalen bril. Wij dienst nucleaire gebaseerde analysemethoden die hyperfine interacties keuren. We tonen de toepasselijkheid van Mössbauer spectrometrie en nucleaire voorwaartse verstrooiing van synchrotronstraling tijdens temperatuur gestuurde experimenten.
Abstract
We tonen het gebruik van twee nucleaire gebaseerde analytische methoden die de wijzigingen in de regeling van de microstructurele ijzer gebaseerde metalen bril (MGs volgen kunnen). Ondanks hun amorfe aard onthult de identificatie van hyperfine interacties vaag structurele wijzigingen. Voor dit doel hebben we twee technieken die gebruik maken van nucleaire resonantie tussen nucleaire niveaus van een stabiele 57Fe isotoop, namelijk Mössbauer spectrometrie en nucleaire voorwaartse verstrooiing (NFS) voor synchrotronstraling werkzaam. De effecten van warmtebehandeling op (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG worden besproken met behulp van de resultaten van ex situ en in situ -experimenten, respectievelijk. Als beide methoden gevoelig voor hyperfine interacties zijn, is informatie over structurele regeling en magnetische microstructuur gemakkelijk beschikbaar. Mössbauer spectrometrie uitgevoerd ex situ beschrijft hoe de structurele regeling en magnetische microstructuur verschijnt bij kamertemperatuur na het gloeien onder bepaalde omstandigheden (temperatuur, tijd), en dus deze techniek inspecteert gestage Staten. Aan de andere kant, NFS gegevens zijn opgenomen in situ tijdens het dynamisch wijzigen van temperatuur en NFS onderzoekt voorbijgaande Staten. Het gebruik van beide technieken vindt u aanvullende informatie. In het algemeen, kunnen ze worden toegepast op elk geschikt systeem waarin het is belangrijk om te weten de steady-state maar ook tijdelijke Staten.
Introduction
IJzeren gebaseerde MGs bereid door snelle blussen van een smelten vertegenwoordigen industrieel aantrekkelijke materialen met talrijke praktische toepassingen1. Vooral omdat hun magnetische eigenschappen vaak superieur aan conventionele (poly) kristallijne legeringen2,3 zijn. Bij beter profiteren van hun voordelige parameters, moet hun reactie op hoge temperaturen worden bekend. Met de toenemende temperatuur, de amorfe structuur ontspant en, ten slotte, begint de kristallisatie. In sommige soorten MGs, dit kan leiden tot de verslechtering van hun magnetische parameters en daarmee slechtere prestaties. Er zijn echter verschillende families van ijzer gebaseerde MGs met speciale composities4,5,6,7 waarin de nieuw gevormde kristallijne korrels zeer fijne, meestal onder ongeveer 30 zijn nm in grootte. De nanokristallen stabiliseren van de structuur en dus aanvaardbaar magnetische parameters te behouden over een groot temperatuur bereik8,9. Dit zijn de zogenaamde nanocrystalline-legeringen (NCA).
De langdurige betrouwbaarheid van de prestaties van MGs, vooral onder hoge temperaturen en/of zware omstandigheden (ioniserende straling, corrosie, etc.) vraagt om grondige kennis van hun gedrag en individuele fysieke parameters. Omdat MGs amorf, is het assortiment van analytische technieken die geschikt voor hun karakterisering zijn vrij beperkt. Bijvoorbeeld, bieden diffractie methoden brede en eentonig reflecties die kunnen alleen worden gebruikt voor de verificatie van amorphicity.
Het is opmerkelijk dat verschillende, meestal indirecte methoden bestaan waarmee snelle en niet-destructieve karakterisering van MGs (b.v., magnetostrictive vertraging-line sensing principe). Deze methode biedt snelle karakterisering van structuur- en stress Staten met inbegrip van de aanwezigheid van inhomogeneities. Het was voordelig toegepast op snelle en niet-destructieve karakterisering van over de gehele lengte van MG ribbons10,11.
Meer gedetailleerd inzicht in de ongeordende structurele regeling kan worden bereikt via hyperfine interacties die gevoelig de lokale atomaire regeling van de resonerende atomen weerspiegelen. Bovendien kunnen de variaties in de topologische en chemische korte orde worden onthuld. In dit opzicht, de methoden als de Spectrometrie van de nucleaire magnetische resonantie (NMR) en/of Mössbauer spectrometrie, beide uitgevoerd op 57Fe kernen,12,13moet worden beschouwd. Terwijl de eerste methode reactie uitsluitend op magnetische dipool hyperfine interacties biedt, is de laatste gevoelig ook voor de elektrische vierpolige interacties. Zo maakt Mössbauer spectrometrie gelijktijdig beschikbare informatie over zowel de structurele regeling en de magnetische Staten van de resonerende ijzer kernen14.
Niettemin, om te bereiken van redelijke statistieken, de verwerving van een spectrum Mössbauer duurt meestal enkele uren. Deze beperking moet worden beschouwd, vooral wanneer de temperatuur-afhankelijke experimenten worden overwogen. Verhoogde temperatuur die wordt toegepast tijdens het experiment zorgt ervoor dat structurele wijzigingen in de onderzochte MGs-15. Bijgevolg opleveren alleen ex situ experimenten uitgevoerd bij kamertemperatuur op monsters die zijn eerste gegloeid op een bepaalde temperatuur en keerde daarna terug naar omgevingsomstandigheden betrouwbare resultaten.
De evolutie van MG structuren tijdens de warmtebehandeling wordt routinematig bestudeerd door analytische technieken die het mogelijk maken van snelle data-acquisitie als bijvoorbeeld röntgendiffractie voor synchrotronstraling (DSR), differentiële scanning calorimetrie (DSC), of magnetische metingen. Hoewel in situ experimenten mogelijk zijn, betrekking de verkregen inlichtingen hebben structurele (DSR, DSC) of magnetische (magnetische gegevens) onderdelen. In het geval van DSC (en magnetische metingen) is de identificatie van het type (nano) korrels die ontstaan tijdens de kristallisatie echter niet mogelijk. Aan de andere kant, geeft de DSR gegevens niet weer de magnetische Staten van het onderzochte stelsel. Een oplossing voor deze situatie is een techniek die gebruik maakt van hyperfine interacties: NFS synchrotronstraling16. Het behoort tot een groep van methoden die misbruik maakt van nucleaire resonant verstrooiing processen17. Als gevolg van extreem hoge schittering van straling afkomstig van de derde generatie van synchrotrons, temperatuur NFS werd experimenten in situ omstandigheden haalbaar18,19,20,21 ,22,23.
Zowel Mössbauer spectrometrie en NFS worden beheerst door de dezelfde fysieke beginselen in verband met nucleaire resonantie tussen energieniveaus van 57Fe kernen. Toch, terwijl de voormalige scans hyperfine interacties in het domein van de energie, de laatste biedt interferograms in het tijdsdomein. Op deze manier zijn de resultaten van beide methoden gelijk en complementaire. Om te beoordelen van de NFS-gegevens, moet een redelijke fysieke model komen. Deze uitdagende taak kan worden bereikt door de hulp van Mössbauer-spectrometrie waarmee de eerste raming. Complementariteit tussen deze twee methoden betekent dat in situ NFS voorbijgaande Staten inspecteert en Mössbauer spectrometrie de stabiele staten, zijnde de eerste en/of de uiteindelijke toestand van een materiële bestudeerde ex situ weerspiegelt.
Dit artikel beschrijft in detail geselecteerd toepassingen van deze twee minder vaak voorkomende methoden van nucleaire resonanties: hier, we toepassen op het onderzoek van structurele wijzigingen die in een (Fe2,85van Co1)77Mo8Cu1 optreden B14 MG blootgesteld aan de hitte behandeling. Wij hopen dat dit artikel het belang van onderzoekers trekt voor deze technieken voor het onderzoek van soortgelijke verschijnselen en uiteindelijk met verschillende soorten materialen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex situ Mössbauer effect experimenten beschrijven een stabiele situatie die wordt aangetroffen in de onderzochte MG na de toegepaste warmtebehandeling. Elke spectrum werd verzameld voor een periode van enkele uren bij kamertemperatuur. Dus, de evolutie van de oorspronkelijk amorfe structuur werd gevolgd als een functie van het gloeien van voorwaarden. Omdat Mössbauer spectrometrie gevoelig voor hyperfine interacties treden bij de resonant kernen is, kunnen vage details voor structurele en/of magnetische wijzig…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Slowaakse Research en Development Agency onder de contracten Nee. APVV-16-0079 en APVV-15-0621, verleent VEGA 1/0182/16 en VEGA 2/0082/17 en de interne IGA-toekenning van Palacký Universiteit (IGA_PrF_2018_002). We zijn dankbaar R. Rüffer (ESRF, Grenoble) voor hulp bij de synchrotron experimenten.
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).
