CC BY
15Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского Серия «Физико-математические науки». Том 23 (62). 2010 г. № 3. С. 174-181
УДК 539.213
ОТРИМАННЯ НАНОКРИСТАЛ1ЧНИХ МАТЕР1АЛ1В ШЛЯХОМ КРИСТАЛ1ЗАЦ11 АМОРФНИХ СПЛАВ1В Лисов В.1., Цареградська Т.Л., Турков О.В., Саенко Г.В.
Киыський нащональний унверситет шет Тараса Шевченка, Кшв, Украта
E-mail: tsar [email protected]
Проведено експерименти по термообробщ аморфних сплав1в з метою отримання сплав1в в наноструктурному сташ. За допомогою високочутливо! дидатометрично! методики визначено температури початку крим^защя для вихадних зразкв та тих, що пройшли
термообробку. Показано, що запропоноваш режими термообробки приводять до тдвищення стабiльностi аморфних сплавiв, про що св1дчигь збiльшення температури початку штенсивно! крист^заци. Отримано сплави в нанокрим^чному станi за допомогою запропонованих методiв термообробки, що тдтверджуеться результатами рентгенодифракцшних експеримент1в. Ключовi слова: аморфш сплави, нанокристадiзацiя, термообробка.
ВСТУП
Одним з актуальних напрям1в сучасно! ф1зики е вивчення структуры i властивостей невпорядкованих конденсованих середовищ, до яких вщносяться тша з аморфною структурою, зокрема, аморфш металевi сплави. Вщомо, що усi властивостi аморфних сплавiв залежать вiд умов !х отримання та наступно! обробки. Зовнiшнi впливи, таю як опромшення частниками рiзноl природи та вiдпал за температур, значно нижчих за температуру кристатзацп Tk (низькотемпературний вiдпал), призводять до змши електропровiдиостi, иамагиiчеиостi, мехаиiчинх характеристик та ш [1-4]. 1снуе ще один тип температурного впливу, дослщження якого було розпочато лише останшм часом - це крiообробка (багатогодинний вщпал зразкiв за температури китння азоту) [5, 6]. Такий вид обробки призводить до змши макроскотчних властивостей АМС, а також тдвищуе часову та температурну стабiльиiсть сплавiв, що е дуже важливим фактором з практично! точки зору. В зв'язку з цим е актуальним дослщження поведшки аморфних сплавiв, як за тдвищених, так i за низьких температур, тим бшьше, що залишаються вщкритими питання про мехашзми впливу зовшшшх факторiв на магштш та механiчнi властивостi аморфних сплавiв [7-9].
Отже, важливим напрямком дослщжень металевих стекол е розробка методiв керованого наноструктурування в процес термообробки.
Для ряду аморфних сплавiв було проведено експерименти по термообробщ з метою отримання сплавiв в наноструктурному сташ. В якосп об'екту дослщжень були обраш аморфнi сплави на основi бшарно! системи Fe-B, якi отримувались додаванням до базового сплаву модифшуючих домiшок (Si, Nb, Mo, Mn, Ni, Co).
Перший вид термообробки полягав в на^ванш до Т=300 С ^=1 хвилина) та рiзкому охолодженнi до температури рiдкого азоту Т=-1960С (77 К) з метою „заморожування" отримано! наноструктури. 1ншим видом термообробки було термоциклування: 3 цикла на^вання до Т=4500С.
1. ДИЛАТОМЕТРИЧН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕРМООБРОБКИ НА СТАБ1ЛЬН1СТЬ БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ АМОРФНИХ СПЛАВ1В
За допомогою високочутливо! дилатометрично! методики [10] були визначенi температури початку штенсивно! кристалiзацiя для вихщних зразкiв та тих, що пройшли термообробку.
На рис. 1. наведена температурна залежнють вщносно! змiни об'ему АУ/У(Т) для вихщного аморфного сплаву Fe80B14Si6 (крива 1) та пюля нагрiвання зразка до Тк/2+100К+крюобробка, а на рис. 2 - температурш залежностi об'емно! частки кристатчно! фази Х(Т) для даного сплаву.
Рис. 1. Температурна залежнють вщносно! змши об'ему АУ/У(Т) для вихiдного аморфного сплаву Fe80Bl4Si6 (крива 1) та пiсля на^вання зразка до Tk/2+100K+крiообробка (2).
О 100 200 300 400 500 600 700
т, °с
Рис. 2. Залежнють об'емно! частки кристатчно! фази Х(Т) сплаву для вихiдного аморфного сплаву Fe80B14Si6, (крива 1) та тсля нагрiвання зразка до Tk/2+50K+крiообробка (2).
З рисунюв 1 та 2 видно, що температура початку штенсивно! кристатзаци пiсля нагрiвання до Tk/2+100K+крiообробка збшьшилась на 40 К.
Таблиця 1
Температури початку штенсивно! кристатзаци для двох випадюв: вихiдного зразка при неперервному на^вант та пiсля термообробки
Склад аморфного сплаву Тк, 0С (вихiдний) Т^, 0С пiсля термообробки: Тк/ 2 + 100К + крюобробка
Fe8oBl4Si6 500 540
Fe77,5Bl6Si2Niз,5MOl 480 520
Fe75.5B16Si2Ni3.5Mo3 565 560
Склад аморфного сплаву Тк , 0С (вихщний) Тк, 0С тсля термообробки: Тк/ 2 + 50 К + кр1ообробка
Fe76,2Bl4Si6Niз,8 500 525
Fe78Bl6Si2NilMoз 525 520
В таблицi 1 наведено даш температур початку штенсивно! кристатзаци для двох випадюв: вихiдного зразка при неперервному на^ванш та пiсля термообробки. З таблиц 1 видно, що запропонована термообробка приводить до збшьшення iнтервалу температурно-часово! стабiльностi бiльшостi аморфних сплавiв, про що свiдчить збшьшення температури початку штенсивно! кристатзаци на (25-40) К. Для сплавiв з бшьш високим вмiстом молiбдену Тк майже не змiнилась, що можна пояснити тим, що наявнють високотемпературно! домiшки (Мо) стабiлiзуe структуру сплаву.
На рис. 3 представлено експериментальш результати дослщжень вщносно! змiни об'ему АУ/У(Т) при неперервному нагрiваннi та охолодженш сплаву Fe70Crl5Bl5 у вихщному станi та пiсля термоциклування (3 цикла на^вання до Т = 4500С).
Ре7оСг15В15 — I
ДУЛ/
----- .4... | 1 I 1 .....! ... I
ц I
1 1 1 и'''
| 1 1
1 1 1 "ч__ \
»я® 1 1 'А
К-- """С*
1 1 1 ^ * I
1 1 1 I
1 1 1
1 1 щ 1 I
1 1 "\ I
— - г- ...1... -Л
г 1 1.Л, 1 .А... 1 ..л... 1
г 1 1 1 I 1 I
1 1 1 I
г - - -1 Н-н "Г" -4- 1 —н В
О 100 200 300 400 500 600 700
т°с
Рис. 3. Температурна залежнiсть вщносно! змши об'ему АУ/У(Т) при неперервному на^ванш та охолодженнi аморфного сплаву Fe70Crl5Bl5 у вихiдному станi (1) та тсля термоциклування: 3 цикла на^вання до Т = 4500С (2).
З порiвняння залежностей, наведених на рис. 3, видно, що температура початку штенсивно! кристатзаци Тк для вихщного аморфного сплаву Fe70Crl5Bl5 складае Тк = 4800С, пiсля термоциклування майже не змшюеться (лише суттево змiнюеться коефiцiент лiнiйного розширення в аморфному сташ в дiапазонi температур 300°С-480°С).
2. РЕНТГЕНОГРАФ1ЧН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕРМООБРОБКИ НА СТРУКТУРУ АМОРФНИХ СПЛАВ1В
На рис. 4 представлено дифрактограму (1-й максимум) сплаву Fe77,5B16Si2Ni3,5Mo1 у вихщному аморфному станi (1) та тсля нагрiвання зразка до Тк/2+100К+крюобробка (2).
Рис. 4. Дифрактограмма (1-й максимум) сплаву Fe77,5B16Si2Ni3,5Mo1 в початковому аморфному сташ (1) та тсля на^вання зразка до Тк/2+50К+крюобробка (2).
В таблицi 2 представлено визначет з дифрактограми параметри, а саме: кутове положення максимушв, значення натвширини дифракцшно! лши, модуля хвильового вектору та розмiру нанокристалiв, ощнених за формулою Селякова-Шерера [11]:
L = —, (1)
^вА
де I - розмiр нанокристалiв, що складають зразок, X - довжина хвилi рентгетвського випромiнювання (Х(С0)= 0,179026 нм, в - кут дифракцп (град), А -твширина дифракцшно! лши (рад).
На дифрактограмах аморфних сплавiв, що пройшли крiообробку у порiвняннi iз вихiдними спостерiгаються наступнi змiни: незначне змщення положення дифракцiйного максимуму 2в в бiк бiльших кутiв дифракцп; зменшення пiвширини дифракцiйного максимуму А; збшьшення модуля хвильового вектора К = 4п sin вX та збшьшення розмiру нанокристалiв L.
Таблиця 2
Характеристики, визначенi з дифрактограми для сплаву Fe77,5B16Si2Ni3.5Mo1
Fe77.5B16Si2Ni3.5Mo1 ( 21 )тах. А ,0 К = 4жsml| X (нм-1) L , (нм)
Вихiдний(аморфний) зразок 52,37 3,71 30,955 3,11
Пюля термообробки: нагрiвання зразка до Т +100К +крiообробка 53,15 3,50 31,376 3, 30
На рис. 5 представлено дифрактограму (1-й максимум) сплаву Fe70Cr15B15 в початковому аморфному сташ та тсля термоциклування.
Рис. 5. Дифрактограма (1-й максимум) сплаву Fe70Cr15B15 в початковому аморфному сташ (1) та тсля термообробки: 3 цикла на^вання до 4500С (2).
В таблицi 3 представлено визначеш з дифрактограми кутове положення максимушв, значення напiвширини дифракцшно! лшй, хвильового вектор та розмiру нанокристатв.
Таблиця 3
Характеристики, визначеш з дифрактограми для сплаву Fe70Cr15B15
Fe70Cr15B15 (2в) max? А, 0 K = 4 п sin в Я (нм-1) L , (нм)
Початковий аморфний зразок 52,626 2,694 31,07 4,2
Пюля термообробки (3 цикла на^вання до 4500С) 52,374 1,321 30,93 8,2
Для сплаву Fe70Cr15B15, що пройшов термоциклування спостерiгаeться змiщення положення дифракцшного максимуму 2 в в бш менших кутiв дифракцп та зменшення хвильового вектора K = 4 п sin в/Я. Значення пiвширини
дифракцiйного максимуму А зменшусться, а розмiр нанокристалiв збшьшуеться майже вдвiчi: з 4,2 нм до 8,2 нм. Загалом, змши, що спостерпаються можна пояснити формуванням нанокристатчного стану.
ВИСНОВКИ
1. Запропоновано методи отримання наноструктурного стану з початкового аморфного, а саме крюобробка та термоциклування.
2. За допомогою запропонованих методiв керованого наноструктурування отримано сплави в нанокристатчному станi, що шдтверджуеться результатами рентгенодифракцiйних експериментiв.
3. Показано, що за допомогою термоциклування отримусться структура з бшьшим розмiром нанокристалiв, нiж при крюобробщ.
Список лiтератури
1. Шпак А.П. Кластерные и наноструктурные материала: / Шпак А.П., Куницкий Ю.А., Лысов В.И. - Кшв: Академпериодика, 2002. т. 2. - 540 с.
2. Ф1зика юнно-електронних р1дин : монограф1я / Булавш Л.А., Лисов В.1., Рево С.Л. та in. - К. : Вид.-пол1граф1чний центр „Ктвський ушверситет", 2008. - 367 с.
3. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов / Золотухин И.В. -М.: Металлургия, 1986. - 176 с.
4. Криматзащя i аморфiзацiя металевих систем / Шпак А.П., Лисов В.1., Куницький Ю.А., Цареградська Т.Л. - Кшв: Академперюдика, 2002. - 207 с.
5. Structural relaxation of amorphous metallic alloys / Dokukin M.E., Perov N.S., Beskrovnyi A.I., Dokukin E.B. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2004.- V. 272-276S. - P. 1151.
6. Influence of boundary conditions on the parameters of the low temperature deltaT-effect / Zaichenko S., Radkovskaya A., Sivov A., Glezer A. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2003. -V. 258-259. - P. 567.
7. The cryogenic treatment effect on the magneto-impedance properties of the Co- and Fe-based amorphous ribbons / Dokukin M.E., Perov N.S., Kim Chong-Oh, Kim Cheol Gi// Physica Status Solidi (a). - 2004. - V. 201. - № 8. - P. 1988-1991
8. Neutron Scattering Investigation Of Co- And Fe- Based Amorphous Alloys / Dokukin E.B., Beskrovnyi A.I., Kuklin A.I. et al // Physica status solidi (b). - 2004. - V. 241. - № 7. - P. 1689-1692.
9. Исследование изменения микроструктуры аморфных металлических сплавов, после низкотемпературной обработки, методом нейтронной дифракции / Бескровный А.И., Докукин Е.Б., Докукин М.Е., Перов Н.С. - «Совещание по исследованиям на реакторе ИБР-2», Дубна, Россия. - 2002. - 72 с.
10. Новиков В.Н. Методика дилатометрических исследований металлических стекол / Новиков В.Н., Рябчиков Б.Е. // Заводская лаборатор1я. - 1989. - т. 55. -№ 37. - С. 49-53.
11. Иверонова В.И. Теория рассеяния рентгеновских лучай : учеб. Пособие для физ. спец. вузов, 2-е изд. / Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. - М.: МГУ, 1978. - 277 с.
Лысов В.И. Получение нанокристаллических материалов кристаллизацией аморфных сплавов / Лысов В.И., Цареградская Т.Л., Турков О.В., Саенко Г.В. // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия: Физико-математические науки. - 2010. -Т. 23(62), №3. - С. 174-181.
С целью разработки методов управляемого наноструктурирования путем кристаллизации аморфных сплавов проведен ряд экспериментов. С помощью высокочувствительной дилатометрической методики определены температуры начала интенсивной кристаллизация для исходных образцов и тех, что прошли термообработку. Показано, что предложенные режимы термообработки приводят к повышению стабильности аморфных сплавов, о чем свидетельствует увеличение температуры начала интенсивной кристаллизации. Получены сплавы в нанокристаллическом состоянии с помощью предложенных режимов термообработки, которая подтверждается результатами рентгенодифракцийних экспериментов.
Ключевые слова: аморфные сплавы, нанокристализация, термообработка.
Lysov V.I. Receipt of nanocrystallic materials a way by crystallization of amorphous alloys / Lysov V.I., Tsaregradskaya T.L., Turkov O.V., Saenko G.V. // Scientific Notes of Taurida National V.I. Vemadsky University. - Series: Physics and Mathematics Sciences. - 2010. - Vol. 23(62), No.3. - P. 174-181. With the purpose of development of methods of receipts of the nanocrystallic state by crystallization of amorphous alloys the row of experiments is conducted. By the highly sensitive dilatometric method temperatures of began intensive crystallization for initial standards and those, that passed heat treatment were certain. It is rotined that over the offered modes of heat treatment bring to the increase of stability of amorphous alloys, what the increase of temperature of beginning of intensive crystallization testifies to. Alloys in the nanocrystallic state by the offered modes of heat treatment which is confirmed the results of {-rays diffraction metods experiments were got.
Keywords: amorphous alloys, nanocrystallization, heat treatment.
Поступила в редакцию 10.11.2010 г.
