РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Обоснование выбора исследуемых сплавов
Объектами экспериментальных исследований в настоящей работе являются легкие редкоземельные металлы (РЗМ) (La, Ce, Nd), полученные закалкой из расплава. Такой выбор обусловлен следующими обстоятельствами.
Во-первых, для рассматриваемых РЗМ известны температурные зависимости теплофизических свойств в твердом и жидком состояниях [94-96]. Это, в отличие от рассмотренных выше моделей [65, 80-82], повышает точность расчетов режимов быстрого охлаждения и позволяет оценить ряд параметров, входящих в уравнения для скоростей зарождения, без использования дополнительных приближений.
Во-вторых, легкие лантаноиды являются полиморфными элементами и имеют от двух (Nd) до четырех (Ce) структурных модификаций [97]. Это дает основание предположить, что при глубоких переохлаждениях расплава, которые достигаются в методах закалки из жидкого состояния, процессы структурообразования осуществляются в условиях близкой конкурентоспособности нескольких плотноупакованных фаз. Следствием такой конкуренции может быть формирование новых метастабильных модификаций металлов, аналогично тому, как наблюдалось в быстроохлажденных пленках Mn [53], Sm [55] или в сплавах Ce-Al [98].
2.2. Закалка металлов из жидкого состояния
Редкоземельные элементы цериевой группы обладают высокой склонностью к окислению на воздухе. Поэтому при получении быстроохлажденных фольг, а также при хранении образцов, предусматривали защиту от окисления. Для приготовления быстрозакаленных фольг использовали лантан, церий и неодим высокой степени чистоты с содержанием примесей не более 0,6 мас.%.
Для получения быстроохлажденных сплавов использовали один из вариантов метода "выстрела". Общий вид закалочной установки и схема метода показаны на рисунке 2.1. В используемом методе небольшую навеску металла 1 (не более 100 мг) размещали в алундовой трубке 2, которую нагревали в трубчатой печи сопротивления 3. Расплав перегревали на 100-150 К выше температуры плавления, после чего с помощью электропневматического клапана, струей аргона под избыточным давлением ~2-3 атм. каплю выстреливали на внутреннюю поверхность быстровращающегося (~6000 об./мин) медного цилиндра 4. Соударяясь с поверхностью цилиндра, под действием центробежных сил капля расплавленного металла растекалась тонким слоем и затвердевала в виде фольги. Толщина получаемых фольг, в зависимости от скорости вращения цилиндра и давления аргона, изменялась от 20 до 100 мкм. Для обеспечения хорошего контакта между расплавленным слоем и подложкой, перед каждым выстрелом поверхность цилиндра обрабатывалась тонкой шлифовальной шкуркой.
Рис. 2.1. Установка для получения быстрозакаленных сплавов (а) и схема использованного варианта метода "выстрела" (б) Применение инертной среды и скоротечность процесса затвердевания расплава позволяли получать практически фольги с блестящими поверхностями без заметных признаков окисления. Благодаря хорошей жидкотекучести исследуемого металла, быстроохлажденные образцы имели достаточно однородную толщину, что позволяло использовать их как для структурных исследований, так и для резистометрического анализа.
Для избежания окисления полученных фольг на воздухе, до выполнения структурных и резистометрических измерений, их хранили в вакуумной камере при остаточном давлении ~13,3 Па (2•10-1 мм. рт. ст.).
Скорость охлаждения полученных фольг рассчитывали по их толщине с помощью оригинальных эмпирических уравнений, представленных в третьем разделе диссертации.
2.3. Методика исследования структуры быстроохлажденных фольг
Структуру быстроохлажденных фольг исследовали рентгенографическим методом. Дифрактограммы получали на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в монохроматизированном CuK? - излучении. Съемку дифракционных картин выполняли в широком интервале углов 2? = 20-100о.
Фазовый состав исследуемых образцов определяли сравнением экспериментальных значений межплоскостных расстояний со справочными данными картотеки ASTM. Для расшифровки структуры метастабильных фаз, образующихся в условиях быстрой закалки, теоретически рассчитывали модельные дифракционные картины. Кристаллографические модели строили, задаваясь структурным типом и численными значениями параметров элементарной ячейки идентифицируемых фаз.
Межплоскостные расстояния рассчитывали с помощью соотношений, записанных применительно к наиболее общему случаю кристаллов триклинной сингонии [99]:
,(2.1),(2.2),(2.3),(2.4),(2.5),(2.6),(2.7),(2.8)где H, K, L - индексы интерференции; V - объем элементарной ячейки; a, b, c - периоды кристаллической решетки; ?, ?, ? - углы между ребрами элементарной ячейки.
Числовые значения индексов интерференции HKL определяли путем выбора таких сочетаний трех целых чисел, одновременно не равных нулю, для которых выполняется условие неравенства нулю структурного фактора интенсивности отраженных рентгеновских лучей. В случае кристаллов, состоящих из атомов одного сорта, значение структурного фактора интенсивности определяли по формуле:
,(2.9)где N - число атомов в элементарной ячейке; x, y, z - координаты базисных атомов; f - рассеивающая способность атома (в первом приближении величину f приравнивали порядковому номеру элемента Z в таблице Менделеева).
Расчеты межплоскостных расстояний для различных комбинаций индексов HKL осуществляли до тех пор, пока выполняется условие:
,(2.10)где ? - длина волны рентгеновского излучения.
Относительную интегральную интенсивность максимумов дифрактограммы вычисляли по уравнению [100]:
,(2.11)где I0 - интенсивность первичных лучей; V - объем элементарной ячейки; С - постоянная величина для данного вещества и данных условий съемки; f(?) - угловой множитель интенсивности; mp - множитель повторяемости; e-2M - температурный множитель интенсивности; R(?) - абсорбционный множитель.
Каждый из множителей интенсивности определяли следующим образом:
1) Угловой множитель f(?
- Київ+380960830922