К вопросу о существовании зародышей кристаллизации в аморфных металлических сплавах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013 Серия: Физика Вып. 2 (24)

УДК 669.295.24; 669.788

К вопросу о существовании зародышей кристаллизации в аморфных металлических сплавах

Л. В. Спивак, И. В. Лунегов

Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

С использованием зондового сканирующего микроскопа исследованы поверхности быстроза-каленных сплавов системы металл-металлоид и металл-металл в аморфном состоянии и после рекристаллизационного отжига. Впервые получены экспериментальные данные, свидетельствующие о существовании в быстрозакаленных сплавах "замороженных" зародышей кристаллизации.

Ключевые слова: аморфный сплав; кристаллизация: зародыши; поверхность

1. Введение

Известным способом получения сверхмелкого зерна является кристаллизация металлических аморфных сплавов, полученных методами планар-ного литья при сверхбыстром (106 К/мин) охлаждении расплава. Высокая скорость процессов расстеклования, низкие значения энтальпии и энергии активации перехода из аморфного состояния в кристаллическое позволили сделать предположение о существовании в таких сплавах "замороженных" зародышей кристаллизации [1]. Поскольку размер таких гипотетических зародышей считается меньшим, чем разрешающая способность методов рентгеноструктурного анализа, то на рентгенограммах сплавов металл-металл или металл-металлоид, полученных сверхбыстрым охлаждением расплава, присутствие кристаллической фазы не обнаруживалось.

Поэтому ради объективности такие быстро закаленные сплавы определялись как рентгеноа-морфные, предполагая, что в них присутствуют кристаллические зародыши кристаллизации, которые рентгеновскими методами не выявляются. Учитывая малую толщину ленты аморфных металлических сплавов (20-50 мкм), из общих соображений следует, что присутствие таких зародышей более вероятно на поверхности ленты, чем в более глубоко лежащих микрообъемах.

С появлением сканирующей зондовой микроскопии возникла возможность изучения строения поверхности материалов с разрешающей способ-

ностью, существенно превосходящей методы дифракционного рентгеноструктурного анализа. Поэтому целью настоящей работы являлось исследование поверхности ренгеноаморфных аморфных сплавов металл-металл, металл-металлоид с целью обнаружения особенностей, которые могли бы свидетельствовать о наличии в сплаве "замороженных" зародышей кристаллизации.

2. Методика исследования

Объектом исследования служили сплавы металл-металл и металл-металлоид следующего состава: Fe^NijSigBjs (2НСР), Fe5Co58Ni10SinB16, Ti50 Ni25Cu25. Сплавы были получены методом планар-ного литья. Скорость охлаждения 106 К/мин; толщина ленты 40-50 мкм. Исследование проводилось на свободной (неконтактной) поверхности ленты.

Для исследовании поверхности использовали атомно-силовой микроскоп Ntegra Prima со сканирующей головкой высокого разрешения 1х1 мкм и кантиливером NSG-01Au с золотым покрытием и диаметром острия не более 1 нм. При сканировании реализован метод полуконтактной топографии. Кантиливер настраивался на рабочую резонансную частоту, которая составила 150 кГц с амплитудой сигнала 25 нА. Скорость сканирования выбиралась с учетом рельефа поверхности и чувствительности кантиливера. Полученные сканы обрабатывались программно для удаления шумов и наклона поверхности. Иллюстративный материал

© Спивак Л. В., Лунегов И. В., 2013

34

Л. В. Спивак, И. В. Лунегов

представлен по результатам исследования сплава 2НСР.

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение

На рис. 1, 2 показаны при разном увеличении морфологии поверхности сплава 2НСР, находящегося в рентгеноаморфном структурном состоянии. Наблюдаются ориентированные нормально к поверхности аморфной ленты образования, которые можно считать замороженными центрами кристаллизации. Естественно, что они расположены на поверхности ленты, поскольку их возникновение является термодинамически менее затратным (более выгодно), чем в объеме материала.

Рис. 1. Структура поверхности сплава 2НСР в аморфном состоянии

Размер таких образований не превышает по высоте 20 нм и по диаметру 100 нм. Понятно, что при разрешающей способности дифференциальной рентгеновской спектроскопии 100 нм и более, такие образования не обнаруживаются. По этому параметру сплав считается рентгенноаморфным. При нагреве данного сплава выше 450 °С происходит его переход в кристаллическое состояние, о чем, в частности, свидетельствуют данные рентге-ноструктурного анализа.

0 О

Рис. 2. Структура поверхности сплава 2НСР после расстеклования

После расстеклования (см. рис. 2, 3) на поверхности ленты наблюдаются образования, представляющие собой следствие развития уже имеющихся

в исходном состоянии элементов. Это особенно хорошо наблюдается на рис.2, где зафиксирован процесс роста новой фазы в направлении, параллельном ориентации исходных зародышей. Эти новые элементы (образования) во многих случаях имеют размеры по высоте и ширине, превышающие 100 нм (рис.3). В этом состоянии рентгенографически уже фиксируется присутствие в сплаве кристаллической фазы.

Рис. 3. Структура поверхности сплава 2НСР в начале процесса расстеклования

4. Заключение

В результате проведенного исследования показано, что в аморфных сплавах металл-металлоид и металл-металл (см. [3]) существуют в аморфном состоянии расположенные на поверхности ленты элементы, которые можно рассматривать как зародыши кристаллизации. Их присутствие в сплаве активизирует процесс расстеклования при нагреве аморфных сплавов выше температуры кристаллизации.

Полученные данные свидетельствуют в пользу предположения о существовании "замороженных" зародышей кристаллизации, полученных методом спиннингования расплава аморфных сплавов.

Список литературы

1. Спивак Л. В.. Шеляков А. В. Энергия активации и термоактивационные параметры процесса кристаллизации быстрозакаленных сплавов на базе Т1№ // Известия РАН. Физика. 2008. Т.73. №9. С.1337-1339.

2. Спивак Л .В., Малинина Л. Н., Шеляков А. В. Термоактивационные параметры процесса кристаллизации быстрозакаленных сплавов на базе интерметаллида Т1№Си //Вестник Пермского университта. Физика. 2009. Вып. 1. С.97-99.

3. Монохин А. И., Митин Б .С., Васильев В. А., Ре-вякин А. В. Аморфные сплавы. М.: Металлургия, 1984. 160 с.

4. Немошкаленко В. В., Романова А. В., Ильинский А. Г. и др. Аморфные металлические сплавы. К.: Наукова думка, 1987. 248 с.

К вопросу о существовании зародышей кристаллизации

35

5. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимобо К. Аморфные металлы. М.: Металлургия, 1987.

Структура поверхности сплава Т150М25Си25 до и после расстеклования //Вестник Пермского университета. Серия:Физика. 2012. Вып. 1(19).

328 с.

6. Спивак Л. В., Лунегов И. В., Сабиров А. А. и др.

С.82-84.

To a question of existence of germs crystallizations in amorphous metal alloys

L.V.Spivak, I.V.Lunegov

Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm

With use of a ASM microscopy surfaces superfast the hardening. alloys of system metal-metalloid and metal-metal in an amorphous status and after recrystallization annealing are probed. For the first time the experimental data testifying to existence in fast-hardened alloys of "frozen" germs of crystallization are obtained.

Keywords: amorphous; crystalline; ASM microscopy; surface