Métodos de Ex Situ e In Situ investigações de transformações estruturais: O caso de cristalização de vidros metálicos
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para descrever as investigações ex situ e em situ das transformações estruturais em copos metálicos. Utilizamos métodos analíticos baseados em nuclear que inspecionam interações hyperfine. Vamos demonstrar a aplicabilidade da espectrometria de Mössbauer e espalhamento frontal nuclear de radiação síncrotron durante experimentos orientados a temperatura.
Abstract
Vamos mostrar o uso de dois métodos analíticos baseados em nuclear que pode acompanhar as modificações do arranjo microestrutural de óculos metálicos à base de ferro (mg). Apesar da sua natureza amorfa, a identificação das interações hyperfine revela fracas modificações estruturais. Para esta finalidade, nós empregamos duas técnicas que utilizam a ressonância nuclear entre níveis nucleares de isótopo estável 57Fe, nomeadamente espectrometria de Mössbauer e espalhamento frontal nuclear (NFS) de radiação síncrotron. Os efeitos do tratamento térmico sobre (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG são discutidos usando os resultados de experimentos ex situ e em situ , respectivamente. Como ambos os métodos são sensíveis a interações hyperfine, informações sobre o arranjo estrutural, bem como na microestrutura magnética estão prontamente disponíveis. Mössbauer espectrometria realizada ex situ descreve como o arranjo estrutural e microestrutura magnética aparece à temperatura ambiente após recozimento sob determinadas condições (temperatura, tempo), e, portanto, esta técnica inspeciona constante Estados-Membros. Por outro lado, dados NFS são gravados em situ durante mudar dinamicamente a temperatura e NFS examina estados transitórios. O uso de ambas as técnicas fornece informações complementares. Em geral, eles podem ser aplicados a qualquer sistema apropriado, em que é importante saber seu estado estacionário, mas também Estados transitórios.
Introduction
À base de ferro MGs preparados pelo resfriamento rápido de um derretimento representam materiais industrialmente atrativos com inúmeras aplicações práticas1. Especialmente, uma vez que suas propriedades magnéticas são muitas vezes superiores ao convencional (poli) ligas cristalino2,3. Para melhor beneficiar seus parâmetros vantajosos, sua resposta a temperaturas elevadas deve ser conhecida. Com o aumento da temperatura, a estrutura amorfa relaxa e, finalmente, começa a cristalização. Em alguns tipos de MGs, isso pode levar à deterioração de seus parâmetros magnéticos e, consequentemente, desempenho mais pobre. Há, no entanto, várias famílias de MGs com base em ferro com composições especiais4,5,6,7 em que o recém-formado grãos cristalinos são muito finas, geralmente abaixo de aproximadamente 30 nm em tamanho. Os nanocristais estabilizar a estrutura e assim, preservar parâmetros magnéticos aceitáveis ao longo de uma escala de temperatura larga escala8,9. Estas são as ligas nanocristalina so-called (NCA).
A confiabilidade a longo prazo do desempenho de MGs, especialmente sob temperaturas elevadas e/ou em condições difíceis (radiações ionizantes, corrosão, etc.) exige conhecimento profundo de seu comportamento e parâmetros físicos individuais. Porque MGs são amorfos, a variedade de técnicas analíticas que são adequados para a sua caracterização é bastante limitada. Por exemplo, métodos de difração fornecem amplos e inexpressivo reflexões que podem ser usados somente para a verificação de amorphicity.
É notável que vários, geralmente existem métodos indirectos que fornecem rápido e não-destrutivos caracterização de MGs (por exemplo, linha de retardo magnetoestrictivos princípio de detecção). Este método fornece rápida caracterização dos Estados estruturais e de estresse, incluindo a presença de heterogeneidades. Foi vantajosamente aplicado para rápido e caracterização não-destrutiva ao longo do comprimento inteiro de MG fitas de10,11.
Mais pormenorizada introspecção desordenado arranjo estrutural pode ser conseguida através de interações hyperfine que refletem sensivelmente o local arranjo atômico dos átomos ressonantes. Além disso, variações na ordem Short-Range topológica e química podem ser reveladas. A este respeito, os métodos, como espectrometria de ressonância magnética nuclear (NMR) e/ou espectrometria de Mössbauer, ambas executadas em 57núcleos de Fe, devem ser consideradas12,13. Enquanto o antigo método fornece resposta exclusivamente para interações hyperfine de dipolo magnético, o último é sensível também para as interações de quadrupolo elétrico. Assim, espectrometria de Mössbauer faz simultaneamente disponíveis informações sobre o arranjo estrutural e os Estados magnéticos dos núcleos de ferro ressonante14.
No entanto, para obter estatísticas de razoáveis, a aquisição de um espectro de Mössbauer geralmente leva várias horas. Esta restrição deve ser considerada, especialmente quando experiências de temperatura-dependente estão previstas. Temperatura elevada que é aplicada durante o experimento provoca modificações estruturais no MGs investigadas15. Consequentemente, só ex situ experimentos realizados em temperatura ambiente com amostras que foram primeiro recozido a determinada temperatura e depois voltou para as condições do ambiente fornecem resultados confiáveis.
A evolução das estruturas de MG durante tratamento térmico rotineiramente é estudada por técnicas analíticas que permitem a aquisição de dados rápida, como por exemplo a difração de raios x de radiação síncrotron (DSR), diferencial de varredura (DSC), a calorimetria ou magnética medições. Apesar de experimentos em situ são possíveis, a informação obtida diz respeito a características magnéticas (dados magnéticos) ou estrutural (DSR, DSC). No entanto, no caso de DSC (e medidas magnéticas) a identificação do tipo de grãos (nano) que surgem durante a cristalização não é possível. Por outro lado, dados do DSR não indicam os Estados magnéticos do sistema investigado. Uma solução para esta situação é uma técnica que faz uso de interações hyperfine: NFS de radiação síncrotron16. Pertence a um grupo de métodos que explora processos de dispersão de ressonância nuclear17. Devido ao extremamente alto brilho de radiação obtido a partir da terceira geração os síncrotrons, temperatura NFS experiencias em situ condições tornou-se viável18,19,20,21 ,22,23.
Tanto Mössbauer espectrometria e NFS são regidas pelos mesmos princípios físicos relacionados com ressonância nuclear entre níveis de energia dos núcleos de Fe 57. No entanto, enquanto as antigo varreduras hyperfine interações no domínio da energia, este último fornece interferograms no domínio do tempo. Desta forma, os resultados obtidos em ambos os métodos são equivalentes e complementares. Para avaliar os dados NFS, deve ser estabelecido um modelo físico razoável. Este desafio pode ser realizado com a ajuda da espectrometria de Mössbauer, que fornece a primeira estimativa. Complementaridade entre estes dois métodos significa que em situ NFS inspeciona estados transitórios e Mössbauer espectrometria reflete os Estados estáveis, viz. , a inicial e/ou o estado final de um material estudado ex situ.
Este artigo descreve em aplicações de detalhe selecionado destes dois métodos menos comuns de ressonâncias nucleares: aqui, podemos aplicá-los para a investigação de modificações estruturais que ocorrem em um (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG exposto a um tratamento térmico. Esperamos que este artigo atrai o interesse de pesquisadores de usar essas técnicas para a investigação de fenômenos semelhantes e, eventualmente, com diferentes tipos de materiais.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex situ Experimentos de efeito Mössbauer descrevem uma situação estável que é encontrada na MG investigado após o tratamento térmico aplicado. Cada espectro foi coletado por um período de várias horas à temperatura ambiente. Assim, a evolução da estrutura amorfa originalmente foi seguida em função das condições do recozimento. Porque espectrometria de Mössbauer é sensível às interações hyperfine agindo sobre os núcleos ressonantes, fracos detalhes das modificações estruturais e/ou magné…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado pelo eslovaco pesquisa e agência de desenvolvimento no âmbito dos contratos, não. APVV-16-0079 e APVV-15-0621, concede a VEGA 1/0182/16 e VEGA 2/0082/17 e a concessão IGA interna da Universidade de Palacký (IGA_PrF_2018_002). Estamos gratos à R. Rüffer (ESRF, Grenoble) para obter assistência com os experimentos de síncrotron.
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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