Вплив електронного і гама-опромінення на властивості сплавів заліза

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

Дисципліна: фізика металів

«Вплив електронного і гама-опромінення на властивості сплавів заліза»

Вступ

1 Мета роботи і задачі дослідження

2 Теоретичні дані

3 Експериментальні методи обробки результатів досліджень

4 Результати досліджень впливу опромінення на магнітні характеристики вихідних та термооброблених MG-сплавів та їх часову стабільність Висновки Література

Вступ

Аморфні і нанокристалічні сплави на основі системи Fe_Si-B — перспективні магнітом'які матеріали. Вони набувають широкого застосування в якості індуктивних елементів електронної та електротехнічної апаратури. Аморфні феромагнетики простіші в отриманні, а за своїми технічними характеристиками не поступаються традиційним кристалічним матеріалам. Особливе місце належить аморфним сплавам на основі Fe-Si-В (типу Metglas), що характеризуються високими значеннями індукції насичення та магнітної проникності, низькими втратами на перемагнічування, великим питомим електроопором. Нанокристалічні металеві сплави на основі системи Fe_Si_B_Cu_Nb (типу Finemet) отримують шляхом часткової кристалізації аморфних стрічок. Однорідність їх аморфно-кристалічної структури з певним (близько 10 нм) розміром кристалів б-Fe (Si) досягається контрольованим легуванням сплаву міддю і ніобієм. За своїми гістерезисними характеристиками нанокристалічні сплави переважають не лише традиційні кристалічні магнітом'які матеріали (ферити, пермалої та сталі), але й аморфні. Завдяки відмінним магнітним властивостям аморфні і нанокристалічні сплави на основі системи Fe_Si-B використовують для виготовлення елементів електротехнічної апаратури (силових трансформаторів, малогабаритних трансформаторів, що працюють на середніх та високих частотах, дроселів). На сьогоднішій день практично відсутні літературні дані, що стосуються дослідження впливу опромінення на структуру і властивості аморфних і нанокристалічних сплавів даної системи. Дослідження впливу опромінення на властивості таких матеріалів є актуальним в двох аспектах. По_перше, актуальним є встановлення можливості використання радіаційної обробки, як методу контрольованого впливу на магнітні характеристики осердь та, відповідно, індуктивних елементів, виготовлених з аморфних і нанокристалічних сплавів. По-друге, необхідним є отримання експериментальних даних про динаміку змін магнітних характеристик таких індуктивних елементів приладів, що могли б працювати в умовах опромінення.

Дослідження впливу опромінення на властивості аморфних сплавів має не тільки прикладне значення. Аналіз наявних на сьогоднішній день експериментальних даних не дозволяє зробити однозначних висновків про вплив різних видів іонізуючої радіації на структуру і властивості аморфних та аморфно-кристалічних металевих сплавів. Найбільш неоднозначними є літературні дані, що стосуються впливу гама-опромінення на структуру і властивості аморфних металевих сплавів (АМС). Обмаль робіт, присвячених впливу електронного опромінення на структуру і властивості цих матеріалів. Зовсім не дослідженим залишається вплив електронного і гама-опромінення на аморфно-кристалічні металеві сплави. Тому актуальним є дослідження впливу саме цих видів іонізуючої радіації на структуру і властивості аморфних і нанокристалічних металевих сплавів. Встановлення механізмів впливу опромінення на атомну структуру цих матеріалів ускладнюється також через відсутність єдиної структурної моделі аморфного стану. Таким чином, вивчення впливу іонізуючої радіації на структуру і властивості аморфних і нанокристалічних сплавів має важливе значення для фізики неупорядкованих систем та радіаційної фізики аморфних металевих сплавів.

1 Мета роботи і задачі дослідження

Метою роботи є отримання експериментальних даних про вплив іонізуючого опромінення на структуру та магнітні властивості аморфних і нанокристалічних сплавів на основі системи Fe_Si-B, їх аналіз та встановлення основних механізмів цього впливу.

Основні задачі наукових досліджень:

1. Вивчення впливу електронного і гама-опромінення на динаміку змін структурних і магнітних характеристик аморфних сплавів системи Fe-Si-B та впливу гама-опромінення на динаміку змін магнітних характеристик нанокристалічних сплавів на основі системи Fe-Si-B-Nb-Сu.

2. Вивчення ролі легування аморфних сплавів Fe-Si-B нікелем і молібденом на характер впливу опромінення на термічну стабільність та динаміку змін їхніх структурних і магнітних характеристик.

3. Вивчення впливу попереднього опромінення на магнітні властивості аморфних і нанокристалічних сплавів на основі Fe-Si-B, та дослідження можливості використання опромінення в якості методу керованого впливу на магнітні характеристики цих матеріалів.

4. Вивчення впливу опромінення на часову стабільність магнітних характеристик магнітопроводів, виготовлених з аморфних і нанокристалічних сплавів на основі системи Fe-Si-B.

2 Теоретичні дані

Напрям та величина змін температури кристалізації, електричного опору, температури Кюрі, інших магнітних характеристик АМС під дією цих видів радіації істотно залежить від їх хімічних складів. Більш неоднозначними є літературні дані, що стосуються впливу електронного і г-опромінення на структуру та властивості АМС. Обмаль робіт, присвячених впливу г-опромінення на магнітні властивості аморфних феромагнетиків, а вплив електронного не досліджено зовсім. Відсутні також дані, що стосуються дослідження цих видів іонізуючої радіації на структуру і властивості нанокристалічних металевих сплавів.

На цій основі сформульована постановка задачі дослідження: дослідити вплив електронного і г-опромінення на структуру та магнітні властивості аморфних та вплив г-опромінення на магнітні властивості нанокристалічних сплавів на основі системи Fe-Si-B. Визначені конкретні експериментальні завдання.

Отримані результати є важливими як з точки зору фундаментальної науки, так і прикладної. Результати досліджень можуть бути використані в технології виготовлення магнітопроводів індуктивних елементів для керування їхніми характеристиками шляхом здійснення радіаційних обробок, а також для прогнозування змін характеристик аморфних і нанокристалічних сплавів, особливо, змін магнітних характеристик осердь індуктивних елементів, що виготовлені з цих матеріалів при їх експлуатації в реальних умовах радіаційної дії.

3 Експериментальні методи обробки результатів досліджень

Об'єктами дослідження були аморфні сплави (MG-сплави) двох базових систем Fe-Si₆B₁₄-(Ni, Mo) і Fe-Si₂B₁₆-(Ni, Mo), та нанокристалічні сплави (FM_сплави) — Fe_Si-B-Cu-Nb-Co. Хімічний склад (в ат. %) сплавів наведено в табл. 1.

Таблиця. 1

Аморфні сплави отримувались методом спінінгування (надшвидкого охолодження розплаву) у вигляді тонких стрічок. Товщини стрічок, залежно від хімічного складу, становили від 20 до 38 мкм. Досліджувались як вихідні (не відпалені), так і відпалені в оптимальному, з точки зору магнітних властивостей, режимі (Т = 420 ⁰С, t = 15 хв) MG-сплави. FM-сплави отримувались шляхом проведення термообробки вихідних аморфних стрічок при Т = 520, 535 ⁰С протягом 0,5, 1 год. Нанокристалічні сплави являють собою однорідну аморфно-кристалічну структуру з розміром зерен близько 10 нм і часткою кристалічної фази близько 80%. Зразки опромінювались електронами з енергією 1 МеВ (інтенсивність ц_е? 10¹³ ел/(cм²с)) на ЛПЕ «Аргус» в ІФ НАН України, а також _квантами ⁶⁰Со (ц_г? 10¹¹ і 10¹² _кв/(см²с)) на установці MPX—25M в ІФ НАН України.

Вимірювання структурного фактора і частки кристалічної фази в MG-сплавах проводилось рентгено-дифракційним методом на дифрактометрі ДРОН-3. Температура Кюрі і температура кристалізації цих матеріалів визначались з термомагнітограм, що знімалися на вібромагнітометрі LDJ MODEL 9000−9500. Індукційно-безперервним методом та методом визначення фактора індуктивності проводились вимірювання магнітних характеристик (магнітної проникності м, півширини динамічної петлі гістерезису H_c, індукції насичення B_s) кільцевидних магнітопроводів, виготовлених із MGі FM-сплавів.представлено результати впливу електронного та г-опромінення на структурний фактор вихідних (не відпалених) сплавів на основі Fe-Si-B, впливу електронного опромінення на температуру Кюрі та температуру кристалізації цих матеріалів та впливу електронного опромінення при кімнатній температурі на зміну частки кристалічної фази в аморфно-кристалічному сплаві Fe₈₀Si₆B₁₄.

Часткова кристалізація аморфного сплаву Fe₈₀Si₆B₁₄ здійснювалась шляхом проведення ізотермічних обробок зразків при температурі 420 ⁰С протягом 0,25 — 10 год. При цьому в аморфній матриці сплаву утворювались кристали, що займали до 11 об. %. Після електронного опромінення (Ф = 10¹⁷ ел/см² Т_зр? 70 ⁰С) частка кристалічної фази Х_С в усіх цих зразках збільшилась. Привнесені опроміненням зміни Х_С виявились пропорційними до наявної частки кристалічної фази в зразках перед радіаційною обробкою. Відносна зміна частки кристалічної фази для всіх зразків є приблизно однаковою і становить 32 — 36%. На цій основі показано, що радіаційно-стимульована кристалізація проходить за механізмом росту вже існуючих кристалів.

Наступні експериментальні дані відображають вплив радіації на структуру вихідних (не відпалених) аморфних сплавів на основі Fe-Si-B. В табл. 2. наведено результати впливу електронного опромінення (Ф = 2Ч10¹⁷ ел/см²) на висоту першого максимуму структурного фактора i (s₁) базових сплавів MG-1, MG-5 і легованих — MG-3, MG-8. Істотних змін інших параметрів структурного фактора внаслідок радіаційної обробки сплавів не виявлено. Видно, що більш суттєві зміни висоти першого максимуму структурного фактора спостерігаються в базових сплавах. Тобто, леговані нікелем і молібденом MG-сплави виявляються менш чутливими до дії електронного опромінення. Заслуговує на окрему увагу той факт, що незважаючи на невелику відмінність в хімічному складі, вплив опромінення на i (s₁) нелегованих сплавів MG-1 та MG-5 виявляється протилежним.

Висота першого максимуму структурного фактора сплаву MG-1 після радіаційної обробки зменшується, а MG-5 — збільшується. Це зумовило необхідність дослідження дозових залежностей характеристик сплавів.

Таблиця 2

Видно, що ця залежність має немонотонний характер. Збільшення висоти першого максимуму структурного фактора в АМС внаслідок дії іонізуючої радіації виявлено вперше. Такі зміни i (s₁) спостерігаються також при релаксуючій термообробці АМС. При цьому атомна структура сплавів стає більш однорідною, відбувається зменшення вільного об'єму, зняття внутрішніх напружень. Викликані опроміненням атомні зміщення можуть також приводити до таких структурних змін. Тому збільшення висоти першого максимуму структурного фактора в MG_сплавах може свідчити про радіаційно-стимульовану структурну релаксацію. Зменшення i (s₁) внаслідок дії радіації свідчить про розупорядкування структури сплаву. При цьому відбувається зменшення кількості кластерів, що за типом ближнього порядку (БП) належать до переважаючих. Тобто, при взаємодії високоенергетичних електронів з атомною структурою аморфного сплаву відбувається руйнування хімічно упорядкованих атомних утворень з типом БП, що відповідаєFe (Si) та Fe₃B.

Якісно схожими виявились результати досліджень впливу г-опромінення на структурний фактор цих же матеріалів. Показано, що радіаційна чутливість висоти першого максимуму структурного фактора легованих сплавів, як і при електронному опроміненні, значно нижча. А дозові залежності i (s₁) базових сплавів також немонотонні. Більше того, залежності висоти першого максимуму структурного фактора сплаву MG-1 від дози електронного і г-опромінення виявились схожими. Це може свідчити про однаковість механізмів дії цих видів радіації на структуру АМС.

В табл. 3 наведено результати впливу електронного опромінення (Ф = 210¹⁷ел/см²) на температуру Кюрі Т_с та температури початку первинної Т_X1 та інтенсивної стадії первинної Т_X2 кристалізації MG-сплавів, що визначались з температурних залежностей їх намагніченості. При первинній кристалізації в структурі MG-сплавів виділяються кристали б-Fe (Si). Для легованих нікелем та молібденом сплавів MG-3 та MG-8 зміщення температур Кюрі та температур початку та інтенсивної стадії первинної кристалізації під дією електронного опромінення не виявлено. А вплив опромінення на Т_с сплавів MG-1 та MG-5 (табл. 3), як і на і(s₁) (табл. 2) виявляється протилежним. Для опроміненого сплаву MG-1 спостерігається зменшення Т_с на 7 ⁰С, а для MG-5 — збільшення на 18 ⁰С. Однак, викликані дією радіації зміни висоти першого максимуму структурного фактора і температури Кюрі MG-сплавів не корелюють між собою. Дозова залежність температури Кюрі аморфного сплаву MG-1 монотонна.

Ефекти впливу опромінення на температуру початку первинної кристалізації MG-сплавів виражені менш істотно (табл. 3). Для сплаву MG-1 спостерігається зменшення Т_Х1 сплаву на 5 ⁰С, а Т_Х1 сплаву MG-5 не змінюється. Температура інтенсивної стадії первинної кристалізації Т_Х2 помітно зростає (на 15 ⁰С) лише в сплаві MG-5. Залежності Т_Х1(Ф_е) і Т_Х2(Ф_е) сплаву MG-1 немонотонні.

Таблиця. 3

Це також свідчить про реалізацію кількох механізмів впливу опромінення на структуру сплавів. При цьому суттєвих змін зазнають кластери упорядковані за типом б-Fe.

Радіаційно-стимульовані структурні зміни в аморфних металевих сплавах пов’язані з дифузією атомів «легких» елементів, до яких в MG-сплавах належать атоми Si і B. Протилежні зміни Т_с в сплавах MG-1 і MG-5 під дією опромінення можуть свідчити про відмінність механізмів радіаційно-стимульованої дифузії атомів цих елементів. Вважається, що В дифундує за міжвузловинним механізмом. Тому збільшення Т_с в сплаві MG-5 згідно кривої Бете-Слейтера можна пов’язати з підсиленням обмінної взаємодії внаслідок збільшення відстаней між атомами заліза [3, 4]. Атоми кремнію відіграють роль елементів заміщення. Тому викликане опроміненням зменшення Т_с сплаву MG-1, що має вищу концентрацію атомів цього елементу, може бути спричинене зміною кількості координацій Fe-Fe.

Незмінність Т_Х1 сплаву MG-5 означає, що радіаційно-стимульована дифузія В не виявляє істотного впливу на процес зародження кристалів. Істотне збільшення Т_Х2 може свідчити про те, дифузія атомів цього елемента до зародків кристалічної фази призводить до затримки процесу росту кристалів. Зменшення Т_Х1 сплаву MG-1 може свідчити про те, що радіаційно-стимульована дифузія Si стимулює процес зародкоутворення. Розчинність цього елемента в б-Fe може бути причиною меншого впливу опромінення на Т_Х2 сплаву MG-1. Тому, ймовірно, стимульована опроміненням дифузія Si не виявляє істотного впливу на ріст кристалів.

Менша чутливість структурного фактора, температури Кюрі, температури кристалізації легованих нікелем і молібденом MG-сплавів до дії опромінення свідчить про більшу радіаційну стійкість їх БП. Ймовірно, наявність атомів нікелю і молібдену в структурі цих матеріалів приводить до зменшення радіаційно-стимульованої дифузії Si і В.

4 Результати досліджень впливу опромінення на магнітні характеристики вихідних та термооброблених MG-сплавів та їх часову стабільність

Як відомо, на відміну від структурних характеристик, ефект впливу легування на чутливість початкової магнітної проникності м_і до радіаційної обробки виявляється протилежним. Викликані опроміненням зміни м_і MG-сплавів тим більші, чим вища концентрація легуючих елементів в їхньому складі, перш за все — молібдену. Найбільші відносні зміни м_і (27 — 29%) спостерігаються для сплаву MG-6, в якому концентрація Ni становить 1%, а Mo — 3%. Для сплавів MG-7, MG-8, в яких концентрація атомів Ni становить 3,5%, а Mo — відповідно, 1 і 3%, відносні зміни м_і становлять 16 — 23%. Це означає, що радіаційна чутливість початкової магнітної проникності цих матеріалів визначається не змінами інтегральних параметрів БП, а їх концентраційною неоднорідністю. Ймовірно, опромінення приводить до утворення стабільних кластерів навколо атомів молібдену, збагачених атомами найбільш рухливої компоненти сплаву — бору. Можливість появи таких структурних утворень, що є бар'єрами для руху доменних стінок при перемагнічуванні, підтверджується авторами робіт [5, 6]. Збагачені молібденом і бором області утворюються в приповерхневих шарах аморфних стрічок.

Видно, що опромінення приводить до зменшення магнітної проникності при низьких полях (Н? Нм_max). Зміни є більшими в сплаві з вищою концентрацією легуючих елементів. Це також може свідчити про утворення немагнітних включень, а саме збагачених бором кластерів навколо атомів молібдену. Крім того, видно, що криві залежності м (Н), які відповідають опроміненим зразкам сплавів, є більш плавними. Це може бути підтвердженням радіаційно-стимульованої релаксації, при якій структура сплавів стає більш однорідною, зменшується величина внутрішніх напружень. Радіаційно-стимульована релаксація проявляється також при подальших термообробках. Початкова магнітна проникність відпалених в оптимальному режимі попередньо опромінених сплавів MG-3, MG-8 на 15% більша, ніж неопромінених. Після проведення ізохронних термообробок легованих сплавів було виявлено, що магнітна проникність попередньо відпалених зразків сплавів в зовнішніх полях Н? Нм_max є вищою, ніж неопромінених. Це може свідчити про те, що поява кластерів в приповерхневих шарах АМС сповільнює процес кристалізації, який починається з поверхонь стрічок. Це підтверджується також даними, наведеними в табл. 4. Видно, що значення і(s₁) попередньо опромінених (Ф = 210¹⁷ ел/см²) зразків легованих MG-сплавів є меншими, ніж неопромінених зразків, відпалених в Таблиця 4

однакових умовах. Це свідчить про те, що попереднє опромінення сповільнює процес кристалізації цих матеріалів на його початковій стадії.

Вплив опромінення на динаміку часових змін початкової магнітної проникності відпалених в оптимальному режимі MG-сплавів відображено .Опромінення проводилось як перед термообробкою (г + ТО), так і після (ТО + г). Видно, що для опромінених зразків аморфних сплавів спостерігаються ефекти як зворотніх, так і незворотніх змін м_і при їх витримці при кімнатній температурі. Протягом приблизно одного року початкова магнітна проникність опромінених сплавів стабілізується.

Видно, що початкова магнітна проникність нанокристалічних FM-сплавів менш чутлива до дії опромінення, ніж аморфних MG-сплавів. Для MG-сплавів спостерігається зменшення початкової магнітної проникності під дією опромінення до 15 — 30%, а для FM-2Т та FM-6 — до 8 — 12%. Максимальні зміни м_і опромінених магнітопроводів, виготовлених зі сплавів FM-10 та FM-11 ще менші і становлять 5 — 7%. Видно, також, що істотні зміни м_і та вихід на стаціонар залежностей м_і(Ф_г) MGі FM_сплавів відбуваються в однакових інтервалах дозопромінення. Це може свідчити про те, що ініційовані радіаційною обробкою зміни початкової магнітної проникності FM-сплавів зумовлені структурними змінами в їх аморфній матриці. Більше того, схожість дозових залежностей початкової магнітної проникності може також означати, що механізми впливу опромінення на структуру аморфної матриці FM-сплавів і на структуру MG-сплавів якісно однакові. Роль, яку, ймовірно, виконує молібден в MG-сплавах, у нанокристалічних сплавах може належати атомам ніобію.

Часова стабільність магнітних характеристик опромінених нанокристалічних сплавів також є вищою, ніж аморфних. відображено вплив опромінення на часові залежності початкової магнітної проникності магнітопроводів, виготовлених з FM-сплавів. Видно, що для опромінених зразків цих матеріалів спостерігаються значно менші зміни м_i з часом витримки при кімнатній температурі, ніж для зразків аморфних сплавів. Це також може свідчити про те, що зміни магнітних характеристик нанокристалічних сплавів зумовлені структурними змінами в їх аморфній матриці.

Попереднєопромінення може приводити до суттєвого покращення магнітних характеристик нанокристалічних сплавів. На рис. 15 видно, що початкова магнітна проникність попередньо опромінених зразків сплаву FM-11 в 3,5 — 4 рази більша, ніж в контрольних. Крім того видно, що м_і опромінених зразків сплаву залишається стабільною протягом 2-ох років. Стабільність та стабілізація магнітних характеристик опромінених аморфних і нанокристалічних сплавів є передумовою для використання радіаційної обробки як методу корекції характеристик цих матеріалів. Таким чином попереднє опромінення може бути використаним як метод керування властивостями аморфних і нанокристалічних сплавів.

Висновки

1. Встановлено, що електронне опромінення при кімнатній температурі приводить до росту існуючих кристалів в аморфно-кристалічних сплавах Fe_Si-B.

2. Запропоновано два механізми впливу опромінення на структуру аморфних сплавів Fe-Si-B: радіаційно-стимульована релаксація і розупорядкування.

3. Встановлено, що величина і напрям змін висоти першого максимуму структурного фактора, температури Кюрі, температури кристалізації сплавів Fe-Si-B під дією опромінення істотно залежать від концентрацій кремнію і бору в їхньому складі. Показано, що відмінність впливу опромінення на ближній порядок і процес кристалізації в аморфних сплавах Fe-Si-B може бути пов’язана з різними механізмами радіаційно-стимульованої дифузії атомів кремнію і бору. Кремній дифундує за механізмом заміщення, бор — за міжвузловинним.

4. Встановлено, що легування нікелем і молібденом приводить до зменшення чутливості до опромінення висоти першого максимуму структурного фактора, температури Кюрі і температури кристалізації і до збільшення чутливості магнітної проникності аморфних сплавів на основі системи Fe_Si_B. Ці результати свідчать про утворення збагачених бором кластерів навколо атомів молібдену, які можуть приводити до зменшення коефіцієнту дифузії бору і зниження рухливості доменних стінок при перемагнічуванні.

Список використаних джерел

Полотнюк В.В., Шалаев А. М., Котов В. В., Ефимова Т. В., Власак Г., Шкапа В. М. Изменения локальной структуры аморфных сплавов Fe_85-хСо_хB₁₅ в зависимости от содержания Со и облучения г-квантами // Металлофизика. — 1991 — 13, № 7 — С. 97 — 103.

Поварчук В.Ю., Неймаш В. Б., Крайчинський А. М., Носенко В. К., Маслов В. В. Вплив електронного опромінення на температуру Кюрі та температуру кристалізації аморфних сплавів Fe-Si-B // Труды XVI Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. — Алушта (Украина). — 2004 — С. 103 — 104.

Аморфные металлические сплавы. Под ред. Люборского Ф. Е. / Пер. с англ. Под. ред. Прокошина. — М.: Металлургия, 1987. — 518. с.

Вонсовский С.В., Шур Я. С. Ферромагнетизм. — М.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1948. — С. 816.

Беднарська Л., Ковбуз М., Білик О., Гореча М. Взаємозв'язок складу та корозійної стійкості ряду аморфних сплавів на основі заліза. / Матеріали міжнародної конференції-виставки «Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів», КОРОЗІЯ-98, 9−11червня 1998, Львів.-с.259 — 261.

Walter J.L., Bacon F., Luborsky F.E. The ductile-brittle transition of some amorphous alloys // Mater. Sci. and Eng. — 1976. — 24, № 2. — P. 239 — 245.