Моделирование мессбауэровских спектров фаз бинарной системы железо-цирконий 

Методом модельной расшифровки были смоделированы мессбауэровские спектры ядер 57-железа в различных позициях фаз бинарной системы Fe-Zr. 

Введение

Исследование взаимодействия Fe с Zr начато еще в начале прошлого века [1], однако окончательно диаграмма состояния системы Fe-Zr не построена до сих пор. Различные исследователи [2-8] сообщают об образовании промежуточных фаз, число, стехиометрия и кристаллическая структура которых не всегда совпадают.

Надежно установлено существование соединения ZrFe2, которое плавится конгруэнтно при 1675ºC, имеет область гомогенности протяженностью 27,7–34,3 ат.% Zr при температуре 1450ºС [2] и 27,1–34 ат.% Zr при температурах 700-500ºС [3].

В работе [2] сообщается о соединении ZrFe3 , относящемся к структурному типу Ti6Mn23, а в работе [4] о соединении Zr0.22Fe0.78 существующим при высоких температурах и являющемся фазой Лавеса (тип MgNi2).

Соединение Zr2Fe впервые найдено авторами работы [4], подтверждено в исследованиях [3, 5-7]. Оно образуется по перитектической реакции C+ZrFe2«Zr2Fe при 974ºC и существует в ограниченном интервале температур, претерпевая эвтектоидный распад по реакции Zr2Fe«ZrFe2+Zr3Fe при температуре ~775ºС [5-6]. Для получения сплава Zr2Fe в однофазном состоянии требуется длительный отжиг (100 ч при 900ºС), а для предотвращения его эвтектоидного распада необходима резкая закалка из области существования соединения [3].

Стехиометрический состав наиболее богатого Zr соединения Zr3Fe подтвержден в исследованиях [3, 5-8]. Zr3Fe образуется по перитектоидной реакции Zr2Fe+βZr«Zr3Fe при температуре ~885ºС [5-6]. Граница области гомогенности фазы на основе Zr3Fe со стороны Fe находится при содержании 73,2 % ат. Zr, со стороны Zr граница не установлена [3].

Достоверно известно существование трех интерметаллидных фаз в системе Fe-Zr: FeZr3 (парамагнетик с орторомбической решеткой типа Re3B), FeZr2 (парамагнетик с решеткой типа NiTi2) и Fe2Zr (ферромагнетик, фаза Лавеса с кубической решеткой типа MgCu2). В работе [2] упоминается интерметаллид Fe3Zr (плотноупакованная ГЦК структура). Из вышеприведенных две фазы являются парамагнитными: интерметаллид FeZr2 с решеткой типа NiTi2 и фаза FeZr3, имеющая орторомбическую решетку типа Re3B. Мессбауэровский спектр первой фазы представляет собой дублет с изомерным сдвигом d=– 0,151±0,005 мм/с и квадрупольным расщеплением D=0,24±0,02 мм/с [8]. Второй интерметаллид [9] в стабильном состоянии является дублетом (d=–0,319±0,005 мм/с и D=0,91±0,01 мм/с).

Известно [10], что для фазы Fe2Zr характерны два секстета с эффективными магнитными полями на ядрах 57Fe Hn=190±5 кЭ и Hn=200±5 кЭ с отношением интенсивностей 1:3. Это связано с тем, что атомы железа в соединении Fe2Zr занимают неэквивалентные позиции с разным значением угла a между направлением градиента аксиально-симметричного электрического поля и магнитным полем на ядре. Если ось легчайшего намагничивания направлена вдоль кристаллографической оси [111], то существуют два класса атомов железа с a1=0 и a2=72°32' и площади парциальных спектров полученных от этих атомов имеют отношение 1:3. Фаза Fe3Zr характеризуется тремя секстетами с полями Hn=180±5, 224±5 и 241±5 кЭ с отношением интенсивностей 2:1:1 [11]. Стоит отметить, что структура соединения Fe3Zr до конца не изучена. Авторами работы [2] данный интерметаллид отнесен к структурному типу Ti6Mn23 с плотноупакованной ГЦК структурой. В работе [12] были получены данные по параметрам мессбауэровских спектров ядер железа в твердом растворе на основе циркония (табл.1). 

Таблица 1 – Параметры мессбауэровских спектров фаз бинарной системы Fe-Zr при комнатной температуре 

 Параметры мессбауэровских спектров фаз бинарной системы Fe-Zr при комнатной температуре         

В настоящей работе представлены результаты моделирования спектров фаз, представленных на фазовой диаграмме бинарной системы Fe–Zr. 

Экспериментальные методы

В качестве объекта исследования взята фазовая диаграмма бинарной системы Fe-Zr. Комплекс методов обработки и анализа мессбауэровских данных, реализованных в виде программного комплекса MSTools [13], был использован в нашей работе. В настоящее время комплекс MSTools состоит из десяти программ, предназначенных для обработки и анализа как экспериментальных мессбауэровских спектров, так и их параметров. Для достижения цели работы была использоавана модельная расшифровка мессбауэровских спектров с использованием априорной информации об объекте исследования (SPECTR). 

Результаты и обсуждение

Таким образом, для решения задачи моделирования бинарной системы необходимо создать модели твердого раствора циркония в a-Fe(Zr), интерметаллидных соединений (Fe3Zr, Fe2Zr, FeZr2 и FeZr3) и твердого раствора железа в a-Zr(Fe).

После начало запуска программы SPECTR появляется общее меню, состоящее из пяти команд (четыре из которых имеют всплывающие команды), Подменю # и строку Help (см. рис.1). Строка Help сопровождает Общее меню, подменю и пункты меню и содержит информацию о горячих клавишах и способах перемещения внутри меню. Все доступные команды помечены яркими цветами. Перемещения между ними производится посредством клавиш со стрелками.

Подменю # позволяет получить доступ к разделам справки, проводить манипуляцию с файлами и каталогами, установить порт принтера, получать информацию о текущем состоянии задач. При нажатии # на экране появятся команды (см. рис.1). 

 

Рисунок 1 – Общее меню и Подменю 

Подменю подготовки данных Prepare Data позволяет подготовить текущие задания для обработки. При нажатии Experimental Data появляется подменю (рис.2), позволяющее осуществить ввод файла спектра вручную (Input from KBD) или путем вызова готового файла спектра с диска (Input from Disk). После выбора файла, например taza.spc, из предоставляемого списка существует возможность просмотра графика спектра или его содержимого при выборе Control Graph или Control Table, соответственно.

Рисунок 2 – Подменю экспериментальных данных Experimental Data 

Для проведения моделирования необходимо, прежде всего, определиться с числом компонентов в создаваемом спектре. Так как перед нами стоит задача моделирования секстета для атомов 57Fe в a-Fe, то моделируется спектр 1-го секстета, состоящего из 6 линий. Для этого в подменю Prepare Data выбирается опция Components (рис.3) и осуществляется ввод числа подспектров (в нашем случае – 1) и количество линий в каждом подспектре (6 – для секстета). Далее необходимо задать матрицы амплитуд, скоростей и ширин типа SubType (рис.4).

Рисунок 3 – Опция Components подменю экспериментальных данных

Рисунок 4 – Подменю трансформирования матрицы амплитуд Матрицы амплитуд TA, скоростей TV и ширин TG имеют вид:

На следующем этапе задаются варьируемые параметры. Для этого по опции Modelling (in mm/s, kOe) амплитуда 1-ой линии выбирается равной 120000 (рис.5). Программа автоматически присваивает амплитудам 2-ой и 3-ей линии значения 80000 и 40000, соответственно. Далее для изомерного сдвига, квадрупольного смещения и сверхтонкого магнитного поля придаются данные из табл.1.

Рисунок 5 – Подменю варьируемых параметров 

По завершению ввода параметров моделируемого спектра, пройдя по опции Control Graph, можно наблюдать искомый спектр (рис.6). Симметричный спектр, расположенный в нижней части экрана, представляет собой разность между исходным спектром (белые точки) и наложенной на него моделью (розовая кривая).

Рисунок 6 – Смоделированный спектр атомов 57Fe в a-Fe 

Для дальнейшей работы будет использоваться разностный спектр. Для того, чтобы выделить его в подменю обработки (рис.7) запущенный при нажатии Go on Fitting и Esc процесс обсчета спектра останавливается на 1-ой итерации и осуществляется выход из операции обсчета (Interrupt Fitting). Перейдя в подменю экспериментальных данных меню подготовки Prepare Data (см. рис.2), разностный спектр опцией Use Difference вызывается в виртуальную память как основной и сохраняется на жестком диске под именем a-Fe.spc. (рис.8). Для использования полученного спектра в дальнейшем в подменю вывода результатов обработки выбирается Import Spectra for GRAPHER (рис.9) и файл сохраняется под тем же именем с другим расширением (a-Fe.dat).

 

Рисунок 7 – Подменю обработки

Рисунок 8 – Вновь созданный эталонный спектр a-Fe 

 

Рисунок 9 – Подменю Take Result 

Аналогичным способом были созданы спектры всех фаз бинарной системы Fe-Zr (табл.1). На рис.10 представлены полученные по вышеуказанной методике спектры ядер железа в различных позициях кристаллической решетки фаз, присутствующих на диаграмме состояния системы Fe-Zr.

Рисунок 10 – Эталонные спектры атомов 57Fe в различных фазах: (a) – a-Fe, (b-d) – Fe3Zr, (e-f) – Fe2Zr, (g) – FeZr2, (h) – FeZr3, (i) – a-Zr 

Заключение

В результате проведенных исследований были получены эталонные спектры ядер 57Fe в различных состояниях в интерметаллидных соединениях и твердых растворах бинарной системы Fe-Zr.

 

Список использованной литературы:

  1. Хансен М., Андерко К. Структура двойных сплавов: в 2-х томах. – М.: Металлургиздат, 1962. – 1488 с.
  2. Свечников В.Н., Пан В.М., Спектор А.Ц. // Ж. неорг. химии. т.8. №9. C.2118-2123.
  3. Aubertin F., Gonser U., Campbell S.J., Wagner H.-G. // Z. Metalkunde. 1985. Bd.76, No 4. S.237-244.
  4. Rhines F.N., Gould R.W. // Advan. X-Ray Anal., 1963. Vol.6 62-73.
  5. Malachova T.O., Alekseyeva Z.M. // J. Less-Common. Met., 1981. Vol.81. No 2. 293-300.
  6. Малахова Т.О., Кобылкин А.Н. // Изв. АН СССР. Металлы, 1982. №2. 205-209.
  7. Van Essen R.M., Buschow K.H.J. // J. Less-Common. Met., 1979. Vol.64. 277-284.
  8. Vincze I., Van der Woude F., Scott M.G. // Solid State Commun., 1981. Vol.37. No 7. P.567570.
  9. Дехтяр И.Я. Мессбауэровское исследование метастабидльных фаз в Fe-Zr системе после лазерного облучения. // Металлофизика, 1984. Т.6. №6. С.100-102.
  10. Congiu F. et al // J. Magn. Magn. Mater. 2004. Vol.272-276,
  11. Ghafari M.et al // Nucl. Meth. 1982. Vol.199. P.197.
  12. Шиканова Ю.А. Мессбауэровские исследования влияния термообработки на фазовое состояние железа и олова в циркониевых сплавах. // Автореферат дисс. … к.ф.-м.н. по специальности 01.04.07 – физика конденсированного состояния. Москва, 2006. 22 с.
  13. Русаков В.С. Мессбауэровская спектроскопия локально неоднородных систем. – Алматы, 2000.
Год: 2016
Город: Актюбинск