Methoden der Ex-Situ und In Situ Untersuchungen zu strukturellen Veränderungen: der Fall der Kristallisation von metallischen Gläsern
Summary
Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zur ex-Situ und in Situ Untersuchungen von strukturellen Umwandlungen im metallischen Gläsern zu beschreiben. Wir Beschäftigten Atom-basierten Analysemethoden die Hyperfein Wechselwirkungen zu überprüfen. Wir zeigen die Anwendbarkeit der Mössbauer-Spektrometrie und nukleare Vorwärtsstreuung von Synchrotronstrahlung während Temperatur-gesteuerte Experimente.
Abstract
Wir zeigen die Verwendung von zwei Atom-basierten Analysemethoden, die die Änderungen der mikrostrukturellen Anordnung der Eisen-basierte metallische Gläser (MGs) folgen können. Trotz ihrer amorphen Natur stellt die Identifikation von Hyperfein Interaktionen schwache bauliche Veränderungen. Zu diesem Zweck haben wir zwei Techniken eingesetzt, die atomaren Resonanz unter den nuklearen Ebenen eine stabile 57-Fe-Isotop, nämlich Mössbauer-Spektrometrie und nukleare Vorwärtsstreuung (NFS) von Synchrotronstrahlung zu nutzen. Die Auswirkungen der Wärmebehandlung auf (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG werden mit den Ergebnissen der Ex-Situ und in Situ Experimente bzw. diskutiert. Da beide Methoden Hyperfein Interaktionen sind, ist Informationen über strukturelle Anordnung sowie magnetischen Mikrostruktur leicht zugänglich. Mössbauer-Spektrometrie durchgeführt ex-Situ beschreibt, wie die strukturelle Anordnung und magnetischen Mikrostruktur erscheint bei Raumtemperatur nach dem Glühen unter bestimmten Bedingungen (Temperatur, Zeit), und somit diese Technik kontrolliert stetig Staaten. Auf der anderen Seite NFS Daten sind aufgenommen in Situ bei dynamisch wechselnder Temperatur und NFS untersucht Übergangszuständen. Die Verwendung beider Techniken bietet ergänzende Informationen. Im Allgemeinen können sie auf jedem geeigneten System angewendet werden, in denen ist es wichtig zu wissen, die Steady-State, sondern auch vorübergehender Zustände.
Introduction
Eisen-basierte MGs vorbereitet durch schnelles abschrecken einer Schmelze repräsentieren industriell attraktive Materialien mit zahlreichen praktischen Anwendungen1. Zumal ihre magnetischen Eigenschaften oft besser als herkömmliche (Poly) kristalline Legierungen2,3 sind. Ihre Reaktion auf erhöhte Temperaturen sollten besser profitieren Sie von deren vorteilhafte Parameter bekannt sein. Mit zunehmender Temperatur, die amorphe Struktur entspannt und zu guter Letzt die Kristallisation beginnt. In einigen Arten von MGs, kann dies zu einer Verschlechterung ihrer magnetischen Parameter und somit schlechtere Leistung. Allerdings gibt es mehrere Familien von Eisen basierten MGs mit besonderen Kompositionen4,5,6,7 in dem neu gebildeten kristalline Körner sehr fein, in der Regel unter etwa 30 sind nm Größe. Die Nanokristalle stabilisieren die Struktur und bewahren somit akzeptabel magnetischen Parameter über einen weiten Temperaturbereich Palette8,9. Dies sind die sogenannten nanokristallinen Legierungen (NCA).
Die langfristige Funktionssicherheit der MGs, vor allem unter erhöhten Temperaturen und/oder schwierigen Bedingungen (ionisierende Strahlung, Korrosion, etc.) erfordert gründliche Kenntnis ihres Verhaltens und individuellen physikalischen Parameter. Da MGs amorphen sind, ist die Auswahl an analytischen Techniken, die für deren Charakterisierung geeignet sind eher begrenzt. Beispielsweise bieten Beugung Methoden Breite und strukturlose Reflexionen, die nur für die Überprüfung der Amorphicity verwendet werden können.
Es ist bemerkenswert, dass mehrere, in der Regel gibt es indirekte Methoden, die liefern schnelle und zerstörungsfreie Charakterisierung der MGs (z.B. magnetostriktive Verzögerungsleitung sensing-Prinzip). Diese Methode bietet schnellen Charakterisierung von Struktur- und Stress Staaten einschließlich der Anwesenheit von Inhomogenitäten. Es war vorteilhaft angewendet zu fasten und zerstörungsfreie Charakterisierung über die ganze Länge des MG Bänder10,11.
Detaillierteren Einblick in ungeordneten strukturelle Anordnung kann über Hyperfein Interaktionen erfolgen, die die lokalen Atomanordnung der resonanten Atome sensibel widerspiegeln. Darüber hinaus können Variationen topologische und chemischen Kurzstrecken nacheinander aufgedeckt werden. In dieser Hinsicht, die Methoden wie Kernspinresonanz (NMR)-Spektrometrie und/oder Mössbauer-Spektrometrie beide Kerne Fe an 57durchgeführt,12,13betrachtet werden. Während die erste Methode ausschließlich auf magnetischen Dipol Hyperfein Interaktionen reagiert wird, ist letztere empfindlich auch auf die elektrische Quadrupol-Interaktionen. So macht Mössbauer-Spektrometrie gleichzeitig verfügbaren Informationen über die strukturelle Anordnung und magnetische Zustände von die resonanten Eisen Kerne14.
Dennoch, um angemessene Statistiken zu erreichen, der Erwerb eines Mössbauer-Spektrums dauert in der Regel mehrere Stunden. Vor allem bei temperaturabhängigen Experimente vorgesehen sind, sollte diese Einschränkung berücksichtigt werden. Erhöhter Temperatur, der während des Experiments angewendet wird bewirkt, dass bauliche Veränderungen in den untersuchten MGs-15. Infolgedessen liefern nur ex-Situ Experimente bei Raumtemperatur bei Proben, die waren zuerst bei bestimmten Temperatur geglüht und kehrte dann nach Umgebungsbedingungen zuverlässige Ergebnisse.
Die Entwicklung der MG-Strukturen bei der Wärmebehandlung wird routinemäßig durch analytische Techniken, die es ermöglichen schnelle Datenerfassung wie zum Beispiel x-ray Diffraction von Synchrotronstrahlung (DSR), differential scanning-Kalorimetrie (DSC), untersucht oder magnetischen Messungen. Obwohl in Situ Experimente möglich sind, betrifft die erhaltenen Informationen entweder strukturell (DSR, DSC) oder magnetischen (magnetische) Datenfunktionen. Bei DSC (und magnetischen Messungen) ist die Identifizierung des Typs (Nano) Körner, die während der Kristallisation entstehen jedoch nicht möglich. DSR-Daten deuten auf der anderen Seite nicht die magnetische Zustände des untersuchten Systems. Eine Lösung für diese Situation ist eine Technik, die Macht der Hyperfein Interaktionen: NFS Synchrotronstrahlung16. Es gehört zu einer Gruppe von Methoden, die nukleare resonanten Streuung Prozesse17nutzt. Durch extrem hohe Brillanz der Strahlung aus der dritten Generation des Synchrotrons, Temperatur NFS gewonnen wurde Experimente in Situ Bedingungen machbar18,19,20,21 ,22,23.
Mössbauer-Spektrometrie und NFS unterliegen den gleichen physikalischen Prinzipien, die im Zusammenhang mit atomaren Resonanz unter den Energieniveaus der 57Fe Kerne. Dennoch, während die ehemaligen Scans Hyperfein Interaktionen im Bereich Energie bietet Letzteres interferogramme im Zeitbereich. Auf diese Weise sind die Ergebnisse aus beiden Methoden gleichwertig und komplementär. Um die NFS Daten auszuwerten, muss ein angemessenes physikalisches Modell hergestellt werden. Diese anspruchsvolle Aufgabe kann mit Hilfe von Mössbauer-Spektrometrie bietet die erste Schätzung erfolgen. Komplementarität zwischen diesen beiden Methoden bedeutet, dass in Situ NFS inspiziert Übergangszuständen und Mössbauer-Spektrometrie spiegelt die stabile Zustände, nämlich den ersten bzw. den Endzustand der ein Material studierte ex-Situ.
Dieser Artikel beschreibt im Detail, ausgewählte Anwendungen dieser beiden seltener Methoden der nuklearen Resonanzen: hier gelten wir sie für die Untersuchung von strukturellen Veränderungen, die auftreten, in eine (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG Wärmebehandlung ausgesetzt. Wir hoffen, dass dieser Artikel das Interesse der Forscher zieht, diese Techniken für die Untersuchung von ähnlichen Phänomenen und schließlich mit verschiedenen Arten von Materialien zu verwenden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex-situ Mössbauer Effekt Experimente beschreiben eine stabile Situation, die in den untersuchten MG nach der angewandten Wärmebehandlung anzutreffen ist. Jedes Spektrum wurde für eine Dauer von mehreren Stunden bei Raumtemperatur gesammelt. So folgte die Entwicklung der ursprünglich amorphe Struktur als eine Funktion der glühbedingungen. Da Mössbauer-Spektrometrie auf Hyperfein Interaktionen auf die resonante Kerne reagiert, können schwache Details strukturelle und/oder magnetischen Änderungen infolge er…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom slowakischen Research and Development Agency unter den Verträgen Nein unterstützt APVV-16-0079 und APVV-15-0621, VEGA 1/0182/16 und VEGA 2/0082/17 und die interne IGA-Gewährung der Palacký-Universität (IGA_PrF_2018_002) gewährt. Wir sind dankbar für die Unterstützung bei der Synchrotron-Experimente R. Rüffer (ESRF, Grenoble).
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 |
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