Métodos Ex Situ e In Situ las investigaciones de las transformaciones estructurales: el caso de la cristalización de vidrios metálicos
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para describir investigaciones ex situ y en situ las transformaciones estructurales en los vidrios metálicos. Empleamos métodos analíticos basados en nuclear que inspección la interacción hiperfina. Demostrar la aplicabilidad de la espectrometría Mössbauer y dispersión delantera nuclear de Radiación Sincrotrón durante experimentos basados en la temperatura.
Abstract
Demostrar el uso de dos nucleares basado en métodos analíticos que pueden seguir las modificaciones microestructurales arreglo de vidrios metálicos a base de hierro (MGs). A pesar de su naturaleza amorfa, la identificación de las interacciones de la hiperfina presenta modificaciones estructurales débiles. Para ello, hemos empleado dos técnicas que utilizan la resonancia nuclear entre los niveles nucleares de un isótopo estable 57de Fe, es decir, espectrometría Mössbauer y dispersión delantera nuclear (NFS) de radiación de sincrotrón. Se discuten los efectos del tratamiento térmico sobre (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG utilizando los resultados de los experimentos ex situ y en situ , respectivamente. Como ambos métodos son sensibles a las interacciones de la hiperfina, información en el arreglo estructural, así como en la microestructura magnético está disponible. Realizadas espectrometría Mössbauer ex situ describe cómo el arreglo estructural y microestructura magnético aparece a temperatura ambiente después de recocer bajo ciertas condiciones (temperatura, tiempo), y por lo tanto esta técnica examina constante Estados. Por otra parte, datos NFS son grabados en situ durante dinámicamente cambiante temperatura y NFS examina Estados transitorios. El uso de ambas técnicas proporciona información complementaria. En general, se puede aplicar a cualquier sistema adecuado en el que es importante saber su estado estacionario sino Estados transitorios.
Introduction
Base de hierro MGs preparados por enfriamiento rápido de un derretimiento representan materiales industrialmente atractivos con numerosas aplicaciones prácticas1. Sobre todo porque sus propiedades magnéticas son a menudo superiores a los convencionales (poly) aleaciones cristalinas2,3. Para mejor beneficio de sus parámetros ventajosas, debe conocerse su respuesta a las temperaturas elevadas. Con el aumento de temperatura, se relaja la estructura amorfa y, por último, la cristalización comienza. En algunos tipos de MGs, esto puede conducir al deterioro de sus parámetros magnéticos y, en consecuencia, resultados más pobres. Sin embargo, hay varias familias de MGs con base de hierro con composiciones especiales4,5,6,7 en el que el recién formados granos cristalinos son muy finos, típicamente por debajo de unos 30 nm de tamaño. Los nanocristales estabilizan la estructura y así, preservar los parámetros magnéticos aceptables sobre una temperatura amplia gama8,9. Estas son las aleaciones llamados nanocristalinos (NCA).
La fiabilidad de rendimiento a largo plazo de MGs, especialmente bajo temperaturas elevadas o a condiciones difíciles (radiación ionizante, corrosión, etc.) exige un conocimiento profundo de su comportamiento y parámetros físicos individuales. Porque MGs son amorfo, la variedad de técnicas analíticas que son adecuados para su caracterización es bastante limitada. Por ejemplo, métodos de la difracción proporcionan reflexiones amplias y sin rasgos distintivos que pueden usarse sólo para la verificación de amorphicity.
Es notable que varios, generalmente existen métodos indirectos que proporcionan rápidos y no destructivos caracterización de MGs (p. ej., línea de retardo magnetostrictivos principio de detección). Este método proporciona rápido caracterización de Estados estructurales y de estrés, incluyendo la presencia de heterogeneidades. Ventajosamente se aplicó a rápido y caracterización no destructiva a lo largo de toda la longitud de MG cintas10,11.
Visión más detallada de arreglo estructural desordenada puede lograrse a través de la interacción hiperfina que sensible refleja el local arreglo atómico de los átomos resonantes. Por otra parte, las variaciones de orden de corto alcance topológico y química pueden ser reveladas. En este sentido, los métodos como la espectrometría de resonancia magnética nuclear (RMN) y espectrometría Mössbauer, ambos realizados en 57núcleos de Fe, debe ser considerado de12,13. Mientras que el método anterior proporciona únicamente en la interacción hiperfina de dipolo magnético, este último es sensible también a las interacciones de cuadrupolo eléctrico. Así, espectrometría Mössbauer hace simultáneamente información sobre el arreglo estructural y Estados magnéticos de los núcleos de hierro resonante14.
Sin embargo, para lograr estadísticas razonables, la adquisición de un espectro Mössbauer generalmente tarda varias horas. Esta restricción debe considerarse especialmente cuando están previstos experimentos dependientes de la temperatura. Elevada temperatura que se aplica durante el experimento provoca modificaciones estructurales en el MGs investigados15. En consecuencia, sólo ex situ los experimentos realizados a temperatura ambiente sobre las muestras que fueron primero recocido a cierta temperatura y volvió a las condiciones ambientales proporcionan resultados fiables.
La evolución de las estructuras de la MG durante el tratamiento térmico se estudia habitualmente por técnicas analíticas que permiten la adquisición rápida de datos como por ejemplo la difracción de rayos x de la radiación de sincrotrón (DSR), calorimetría de barrido (DSC), diferencial o magnético mediciones. Aunque en situ los experimentos son posibles, la información obtenida refiere ya sea estructural (DSR, DSC) o características (magnético de datos magnéticos). Sin embargo, en el caso de DSC (y mediciones magnéticas) no es posible la identificación del tipo de granos (nano) que surgen durante la cristalización. Por otra parte, datos DSR no indican los Estados magnéticos del sistema investigado. Una solución a esta situación es una técnica que hace uso de la interacción hiperfina: NFS de Radiación Sincrotrón16. Pertenece a un grupo de métodos que se aprovecha de dispersión resonancia nuclear procesos17. Debido a la extremadamente alta brillantez de la radiación obtenida de la tercera generación de sincrotrones, temperatura NFS experimentos en situ condiciones se convirtió en factible18,19,20,21 ,22,23.
Espectrometría Mössbauer y NFS se rigen por los mismos principios físicos relacionados con la resonancia nuclear entre niveles de energía de 57núcleos de Fe. Sin embargo, mientras que las exploraciones anteriores hiperfina interacciones en el dominio de la energía, el último proporciona interferograms en el dominio del tiempo. De esta manera, los resultados obtenidos por ambos métodos son equivalentes y complementarios. Para evaluar los datos NFS, debe establecerse un modelo físico razonable. Esta difícil tarea se puede lograr con la ayuda de espectrometría Mössbauer que proporciona la primera estimación. Complementariedad entre estos dos métodos significa que en situ NFS inspecciona los Estados transitorios y espectrometría Mössbauer refleja los Estados estables, es decir la inicial o el estado final de un material estudiado ex situ.
Este artículo describe en aplicaciones de detalle seleccionado de estos dos métodos de resonancias nucleares menos comunes: aquí, los aplicamos a la investigación de las modificaciones estructurales que se dan en un (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG expuesta a tratamiento térmico. Esperamos que este artículo atrae el interés de los investigadores a usar estas técnicas para la investigación de fenómenos similares y con diferentes tipos de materiales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex situ Experimentos de efecto Mössbauer describen una situación estable que se encuentra en el magnesio investigado después del tratamiento térmico aplicado. Cada espectro se recolectó por un período de varias horas a temperatura ambiente. Así, se siguió la evolución de la estructura originalmente amorfa en función de las condiciones de recocido. Porque espectrometría Mössbauer es sensible a la interacción hiperfina actúan sobre los núcleos resonantes, débiles detalles de modificaciones estructu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el eslovaco Agencia de investigación y desarrollo de los contratos no. APVV-16-0079 y APVV-15-0621, otorga VEGA 1/0182/16 y VEGA 2/0082/17 y la concesión IGA interna de la Universidad de Palacký (IGA_PrF_2018_002). Agradecemos a R. Rüffer (ESRF, Grenoble) para obtener ayuda con los experimentos de sincrotrón.
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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