Каталог :: Физика

Диплом: Дослідження фазових перетворень в аморфній стрічці Fe76-Si13-B11 при імпульсному нагріванні

                                      ЗМІСТ                                      
     Вступ. 6
     1 Огляд літератури. 7
     1.1 Аморфні металеві сплави, їх класифікація та властивості. 7
     1.2 Кристалізація аморфних металевих сплавів. 9
     1.2.1 Механізми кристалізації аморфних сплавів. 9
     1.2.2 Особливості кристалізації аморфних стрічок на
основі заліза при імпульсному нагріванні лазером. 11
     1.2.3 Особливості кристалізації аморфних стрічок на
основі заліза при тривалому відпалі, та при нагріві з постійною зміною
температури. 13
     1.2.4 Особливості кристалізації аморфних стрічок на
основі заліза при імпульсному нагріванні електричним струмом. 18
     2 Зразки та методи дослідження. 20
     2.1 Виготовлення і підготовка зразків та приладів для
проведення експерименту. 20
     2.2 Методи дослідження зразків. 26
     2.2.1 Рентгенографічний метод. 26
     2.2.2 Метод вимірювання термо-ЕРС.. 29
     3 Дослідження фазових перетворень в аморфній стрічці  
при нагріванні імпульсами електричного струму. 34
     3.1 Результати експериментальних досліджень. 34
     3.1.1 Результати дифрактометричного аналізу отриманих зразків. 34
     3.1.2 Результати аналізу термо-ЕРС в отриманих зразках. 40
     4 Питання дотримання правил техніки безпеки при
виконанні даної дипломної роботи. 48
     Висновки. 52
     Перелік посилань. 53
     
      

ВСТУП

Тема, яка стосується процесів кристалізації в аморфних металевих сплавах є дуже актуальною на цей час.. На цей час існує достатньо велика кількість робіт, які були б присвячені впливу на процеси кристалізації аморфних металевих сплавів різними видами нагріву [1-6]. Але існує дуже незначна кількість робіт у яких би нагрів зразків проводили за допомогою короткочасних імпульсів електричного струму. Метою цієї роботи було отримання кристалічних фаз в аморфному сплаві шляхом імпульсного короткочасного нагріву. Задачі роботи: 1) Обробити зразки короткочасними імпульсами електричного струму з різною величиною енергії; 2) Провести дифрактометричний аналіз отриманих зразків; 3) Провести дослідження зразків методом вимірювання термо-ЕРС. Наукова новизна цієї роботи полягає в тому, що була проведена зміна фазового складу зразків за допомогою короткочасного нагріву імпульсами електричного струму.

1 ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Аморфні металеві сплави, їх класифікація та властивості.

Аморфні метали – це тверді метали та сплави, які знаходяться у аморфному стані. Експериментально аморфність металевих і неметалевих речовин встановлюється по відсутності характерних для кристалів дифракційних максимумів на рентгено-, нейтроно- і електронограмах зразків. Існує чотири основних метода одержання аморфних металів та сплавів: 1) Швидке охолодження (зі швидкостями 104 – 106 К/с) рідкого розплаву; отримані аморфні сплави мають назву металеве скло; 2) Конденсація парів, або напилювання атомів на холодну підложку з утворенням тонких плівок аморфного металу; 3) Електрохімічне осадження; 4) Опромінення кристалічних металів інтенсивними потоками іонів або нейтронів. Аморфні метали – це метастабільні системи, які термодинамічно нестійкі відносно процесу кристалізації. Їхнє існування обумовлене тільки сповільненістю кінетичних процесів при низьких температурах. Стабілізації аморфних металів сприяє присутність так званих аморфізуючих домішок. Так, аморфні плівки з чистих металів значно менше стабільні, ніж плівки зі сплавів. Для одержання металевого скла з чистих металів потрібні дуже великі швидкості охолодження (~ 1010 К/с) [7] Найбільший інтерес становить металеве скло. Воно були вперше отримане в 1960 році [7]. Основні класи металевого скла: системи , де - перехідний або шляхетний метал, ­­­- аморфізуючий неметал, х ≈ 0,2 (наприклад, Pb—Si, Fe—B, (Fe, Ni)—(P,C)) та сплави перехідних металів (Ti—Ni, Zr—Cu) чи інших металів (La—Ni, Ga—Al, Mg—Zn) в деяких інтервалах складів. Багато металевого скла має унікальні механічні, магнітні і хімічні властивості. Границі текучості і міцності для ряду металевого скла дуже високі і близькі до так званих теоретичних меж. У той же час металеве скло має високу пластичність, що різко відрізняє їх них від діелектричного і напівпровідникового скла. Велика кількість металевого скла при високій механічній міцності характеризуються великою початковою магнітною сприйнятливістю, малими значеннями коерцитивних сил та практично повною відсутністю магнітного гістерезису. Корозійна стійкість деякого металевого скла на декілька порядків вище, ніж у багатьох кращих нержавіючих сталей. Серед інших унікальних особливостей металевого скла – слабке поглинання звуку та каталітичні властивості. Основні особливості металевого скла, очевидно, пов'язані з їх високою мікроскопічною однорідністю, тобто відсутністю дефектів структури типу межзерених границь, дислокацій та т.і. Детальна теорія, що пояснює властивості і явища в металевому склі, не розвинена і досі. Термостабільність металевого скла характеризують так званою температурою кристалізації (при якій відпал за одну годину часу призводить майже до повної кристалізації зразка). варіюється в межах 300 – 1000 К (для найбільш розповсюдженого металевого скла 600 – 800 К). Металеве скло практично стабільне при Т значно менше (порядку 200 К). Час кристалізації при цьому оцінюються в сотні років. Розроблено ряд способів виробництва металевого скла, зокрема лиття струменя розплавленого металу на холодну підложку, що швидко обертається. При цьому за 1 хвилину виробляється до 1 – 2 км стрічки товщиною 20 – 100 мкм, шириною 2 – 100 мм, при цьому довжина такої стрічки практично необмежена. Аморфні металеві стрічки, отримані осадженням металу на холодну підложку, звичайно менше термостабільні, ніж металеве скло, і кристалізуються при Т < 300 К. Виключення становлять так звані аморфоутворюючі сплави, одержані пошаровим напилюванням окремих компонентів (у вигляді моношарів). По термостабільності вони близькі до металевого скла. З ростом товщини стабільність плівок звичайно падає. Найбільш вивчені їх електричні і надпровідні властивості. Температура надпровідних переходів в аморфних металах може бути як вище, так і нижче, ніж у кристалічних речовинах того ж складу. Корозійна стійкість аморфних плівок зазвичай більше, ніж кристалів. Але в цілому їхні фізичні властивості вивчені слабо. Ще в більшій ступені це відноситься до аморфних металів, отриманих електрохімічним осадженням або радіаційним впливом на кристали. [7]

1.2 Кристалізація аморфних металевих сплавів.

1.2.1 Механізми кристалізації аморфних сплавів. Температура кристалізації аморфних металів та сплавів не є постійною величиною як, наприклад, температура плавлення. Температура кристалізації аморфних металів залежить від швидкості їх нагрівання. Тому для дослідження процесу кристалізації використовують два методи: ізотермічний, та при постійній швидкості нагрівання. Процес кристалізації аморфних металів – це зародковий процес, тому швидкість процесу кристалізації залежить від швидкості утворення кристалічних центрів (зародків кристалізації) та від швидкості їх росту. Для протікання кристалізації необхідно, щоб молекули почали розташовуватися у визначеному порядку. Для цього процесу рухливість часток повинна бути вища за певне значення, а це можливе тільки при певному співвідношенні між енергією молекул, та енергією їх взаємодії. При температурах нижчих за певне значення енергії теплового руху стає недостатньо для забезпечення взаємного руху молекул, та кристалізація припиняється. Імовірність кристалізації з’являється тільки тоді, коли температура підвищується до значення . [7] Механізми кристалізації поділяють на чотири типи: поліморфна, первинна, евтектична та кристалізація з розшаруванням. Поліморфна кристалізація – це кристалізація, при якій аморфний сплав без усякої зміни концентрації переходить у пересичений твердий розчин, метастабільний чи стабільний кристалічний стан. Первинна кристалізація – це кристалізація при якій відбувається кристалізація фази, хімічний склад якої відрізняється від складу аморфної фази. Евтектична кристалізація – це кристалізація при якій проходить виділення двох чи більше кристалічних фаз. Кристалізація з розшаруванням – це кристалізація при якій спостерігається поділ на різні аморфні фази, кожна з яких кристалізується окремо. Взагалі процес кристалізації аморфного сплаву дуже залежить від технології, та способу його виробництва. 1.2.2 Особливості кристалізації аморфних стрічок на основі заліза при імпульсному нагріванні лазером. Детальне дослідження структурної релаксації в аморфних металевих сплавах (АМС) яке відбувається під час різних видів термічної дії, є актуальним як з точки зору фізики аморфного стану, так і з точки зору практичного використання магнітом’яких АМС системи перехідний метал – металоїд. Пошук оптимальних видів термообробок, та їх температурно-часових характеристик для досягнення наперед заданих фізичних властивостей зразків дає змогу підвищувати термічну стабільність АМС та поліпшувати їх магнітні властивості. Структурні зміни в АМС, які були викликані термічною дією, зв’язані з процесами релаксації, які супроводжуються зняттям залишкових напружень та зменшенням збиткового вільного об’єму. При цьому відмічається зміна, важливих з точки зору фізико-механічних властивостей АМС, зокрема магнитом’яких характеристик. [5] На цей час у науковій літературі існує дуже незначна кількість робіт, які були б присвячені вивченню впливу термічної обробки з надвисокими швидкостями нагріву на структурний стан аморфних сплавів [4, 2, 1]. Розглянемо вплив лазерного нагріву на аморфну стрічку , яка була виготовлена методом гартування з рідкого стану на диск, що швидко обертався. При нагріванні був використаний лазерний нагрів з різною густиною потужності випромінювання, яка досягалась шляхом дефокусування променя і давала змогу нагрівати поверхневі шари аморфної стрічки до певних температур. Швидкість нагріву складала при цьому ~ 104 К/с. Особливості структурного стану зразків досліджувались рефрактометричним методом. Згідно з даними рефрактометричного аналізу у вихідному (безпосередньо після отримання) стані всі досліджені зразки були рентгеноаморфнми, про що свідчила відсутність на дифрактограмах відображень від граток кристалічних фаз на фоні аморфного гало. Лазерна обробка з густиною потужності q = 51,8 МВт/м2 практично не призводила до зміни дифракційної картини, яка спостерігалась від вихідних зразків, тобто ознак розвитку кристалізаційних процесів не було виявлено. Але зовсім незначне підвищення q (до 53,0 МВт/м2) викликало повну кристалізацію об’єму зразка, дані про структурний стан якого можна було отримати рентгенографічно. При цьому фіксувались відображення від обох кристалічних фаз та . Подальше підвищення густини потужності випромінювання (аж до руйнування зразків, q = 61 МВт/м2) не викликало зміни зовнішнього виду рентгенограм. Треба підкреслити, що при всіх застосованих режимах лазерного нагріву надструктурні максимуми не фіксувались зовсім. [3] Необхідно зазначити, що кристалізація сплаву починає відбуватися лише при досягненні досить високих значень густини потужності випромінювання. Для порівняння: кристалізація сплавів системи Fe-B починалась при q > 20 МВт/м2, а сплаву при q > 25 МВт/м2. Крім того після досягнення „стартової” густини потужності кристалізація досліджуваного сплаву відбувалась настільки інтенсивно, що виявлялось неможливим отримання „аморфно-кристалічного” стану в зоні лазерної дії. Той факт, що різниця між густиною потужності випромінювання, при якій починається кристалізація, і тією густиною потужності, при якій починається руйнування зразка, незначна (вважаючи, що руйнування зразка починається при температурі плавлення сплаву), дає підставу вважати, що температура кристалізації при даних режимах лазерного нагріву (тобто при використаних швидкостях нагріву та охолодження) є набагато вищою, ніж у випадку ізотермічних відпалів, чи повільних нагрівів. 1.2.3 Особливості кристалізації аморфних стрічок на основі заліза при тривалому відпалі, та при нагріві з постійною зміною температури. Для тривалого відпалу, та відпалу з постійною зміною температури були обрані зразки аморфної стрічки , яка була виготовлена методом гартування з рідкого стану на диск, що швидко обертався. Як і в попередньому випадку згідно з даними рефрактометричного аналізу у вихідному стані всі дослідженні зразки були рентгеноаморфнми, про що свідчила відсутність на дифрактограмах відображень від граток кристалічних фаз на фоні аморфного гало. Зразки сплаву зазнали таких видів термічної дії, які давали змогу нагрівати їх до певних температур з різними швидкостями: відпалу на протязі 30 хвилин у захисному середовищі перофіліту з подальшим гартуванням у воду, пічному нагріву до певної температури зі швидкістю ~ 0,4 К/с також з подальшим гартуванням. Ізотермічний відпал при температурі 450°С ініціював розвиток кристалізаційних процесів: на фоні аморфного гало фіксувався дифракційний максимум, який відповідав відображенню (110) від гратки твердого розчину , тобто структура зразка була аморфно-кристалічною. Відпал при температурі 500°С призводив до деякого зниження інтенсивності аморфного гало і формування на його фоні інших дифракційних максимумів від гратки . Після відпалу при 550°С аморфне гало вже не виявлялося. При цьому на дифрактограмах були присутні як максимуми від гратки твердого розчину , так і стабільного бориду . Згідно [9-10] у сплавах такого типу виникає упорядкування твердого розчину заміщення кремнію в залізі. Рентгенографічно це проявлялося в тому, що на дифрактограмах фіксувались ще й додаткові максимуми, обумовлені цим упорядкуванням. Відпали при більш високих температурах призводили до деякого підсилення інтенсивності вказаних надструктурних максимумів, що пояснюється зростанням ступеня упорядкування твердого розчину (при незмінному фазовому складі сплаву). Термічна обробка шляхом нагріву зразків зі швидкістю 0,4 К/с з подальшим гартуванням не призводила до помітних структурних змін: послідовність формування кристалічних фаз залишалась тією ж. Проте необхідно зазначити, що перші дифракційні максимуми від ОЦК гратки на основі заліза в цьому випадку фіксувались при більш високій (порівняно з ізотермічними відпалами) температурі (570°С). Лінії від гратки бориду і надструктурні максимуми спостерігались лише після нагрівів до 610°С. Нагрів же до більш високих температур (як і в попередньому виді термообробки) викликав лише незначне підвищення ступеня упорядкування. Для порівняння зміни фазового складу аморфної стрічки при різних видах нагріву підсумкові результати наведені в таблиці 1.1 [2]. Фрагменти дифрактограм від контактної поверхні аморфного сплаву у вихідному стані та після термічної обробки наведені на (рис. 1.1) та (рис. 1.2) [2]. Зміна електричного опору аморфної стрічки, яка перебувала під дією постійної зміни температури зображено на (рис. 1.3). Таблиця 1.1 – Фазовий склад аморфної стрічки в процесі кристалізації при різних видах та режимах нагріву
Види та режими нагрівуФазовий склад

Ізотермічні відпали

t, °С

<450A*
450

A + сл.

500

А +

>550

+

Нагрів до заданої температури t, (°С) зі швидкістю 0,2 К/с з подальшим гартуванням <570A*
570

A + сл.

610

+

>650

+

Імпульсний лазерний нагрів,

q , МВт/м2

<51,8A*
53

+

61

+

Примітки: A* - аморфний стан; - впорядкований твердий розчин кремнію в залізі; - сліди впорядкованого твердого розчину кремнію в залізі. Рисунок 1.1 – Фрагмент дифрактограми від контактної поверхні аморфного сплаву у вихідному стані (1) та після ізотермічних відпалів на протязі 30 хв при температурах 500°С (2) та 550°С (3)

Рисунок 1.2 – Фрагмент дифрактограми від контактної поверхні аморфного сплаву після імпульсної лазерної обробки з густиною потужності випромінювання q = 51,8 МВт/м2 (1), 56,6 МВт/м2 (2), та 61 МВт/м2 (3) Рисунок 1.3 – Зміна електричного опору аморфного сплаву в процесі нагріву зі швидкістю 0,20 К/с 1.2.4 Особливості кристалізації аморфних стрічок на основі заліза при імпульсному нагріванні електричним струмом. Для експерименту була обрана аморфна металічна стрічка шириною 5 мм., товщиною 20 мкм. Через зразок цієї плівки довжиною 145 мм. пропускався струм у імпульсному режимі з довжиною імпульсу 1 мс. та максимальною амплітудою 20 А. Було використано 2 типи нагріву: ізотермічний, та з постійною зміною температури [6]. Як і в попередньому експерименту із лазерним нагрівом кристалізація проходила спонтанно при досягненні деякої потужності імпульсу. Про те, що пройшла кристалізація свідчили данні рентгеноструктурного аналізу стрічки. Для випадку з постійною зміною температури спостерігалась кристалізація при 740 К у випадку, коли температура зразка підвищувалася з постійною швидкістю 40 К/хв. Це призвело до кристалізації окремих фаз та . 2 ЗРАЗКИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ 2.1 Виготовлення і підготовка зразків та приладів для проведення експерименту. У якості матеріалу для дослідження була взята аморфна металева стрічка , виготовлена методом швидкого охолодження на диск, що обертається (рис 2.1) [14] Рисунок 2.1 – Принципова схема виготовлення аморфної металевої стрічки 1 – тигель; 2 – рідкий метал; 3 – мідний барабан холодильник. Швидкість обертання якого 25-30 м/с; 4 – аморфна металева стрічка. Для проведення експерименту аморфна металева стрічка була порізана на шматки (зразки) довжиною 6 – 6,5 см, ширина обраної стрічки дорівнювала 22мм. Суть експерименту полягала в тому, що потрібно було пропусканням імпульсів струму через зразок змінити його фазовий склад. Для проведення експерименту була виготовлена оснастка, схема якої зображена на (рис 2.2). Рисунок 2.2 – Схема оснастки для проведення експерименту 1 – 2 мідні клеми розташовані одна над одною; 2 – гетинаксові підставки; 3 – гетинаксова основа; 4 – гумові підставки; 5 – алюмінієві кабелі; 6 – зразок для експерименту; 7 – отвори для болтів. Для виготовлення оснастки був використаний гетинакс товщиною 35 мм. З нього була зроблена гетинаксова основа та гетинаксові підставки. Зразок, довжина якого 6 – 6,5 см був міцно зажатий проміж мідних клем, так, що кожний його край був зажатий між 2 мідними пластинами, які були відшліфовані з обох сторін. Під закріплюючи болти з обох сторін був підкладений кінець кабелю з клемою, інша клема якого закріплювалася на струмопідводах установки. Таким чином робоча довжина зразка становила 5 см. Для отримання короткочасних імпульсів струму використовувалась установка, принципова схема якої зображена на (рис 2.3) [13]. Рисунок 2.3 – Принципова схема установки для отримання короткочасних імпульсів струму 1 – підвищувальний трансформатор; 2 – високовольтний випрямляч; 3 – струмообмежуючий опір; 4 – батарея конденсаторів; 5 – ігнітрон; 6 – зразок; 7 – контактний кіловольтметр; 8 – блок керування. При проведенні експерименту гостро стало питання точного контролю сили струму, що проходить через зразок, та визначення достатньо точного значення напруги на конденсаторах у момент розряду, яке було вирішене такими методами: 1) Для контролю сили струму був використаний двопроменевий, запам’ятовуючий осцилограф С811. До одного з струмовідводів у схему установки був послідовно уключений еталонний опір з параметрами через який у момент розряду йшов струм з батареї конденсаторів. З обох кінців еталонного опору для зменшення витрат енергії через коаксіальний кабель був підключений двопроменевий, запам’ятовуючий осцилограф С811. Таким чином завдяки падінню напруги на еталонному опорі була обчислена сила струму, що йде через зразок. 2) Для достатньо точного визначення напруги на клемах конденсатора був використаний цифровий вольтметр, який мав більшу точність вимірювання ніж той, що був вбудований в установку. Вольтметр був підключений безпосередньо до клем батареї конденсаторів. Таким чином можна було достатньо точно визначити початкову напругу на батареї конденсаторів, та силу струму, що проходить через зразок. Для пропускання імпульсів струму була використана установка, у якій використовувалася батарея конденсаторів ємністю 400 мкФ з максимально допустимою напругою 10 кВ. За допомогою оснастки, яка була підключена до цієї установки, через зразки були пропущені короткочасні імпульси струму. Для цього було обрано 15 зразків, кожному з яких був призначений свій номер. Експериментально була визначена межа при якій зразки починали руйнуватись. Починаючи з енергії 112,5 Дж (яка майже вся виділялася на зразках) зразки починали руйнуватися по краях, та в містах затиску. Коли енергія досягла значення 128 Дж настало повне механічне руйнування зразків, після чого вони були непридатні для аналізу на дифрактометрі, але ще були придатні для визначення термо-ЕРС. При досягненні межі в 200 Дж стався зрив зразків, при якому проходив гучний хлопок, та зразок розлітався на розплавлені шматки, і вже був непридатний навіть для визначення термо-ЕРС. При пропусканні імпульсу через зразки довжина імпульсу сягала 120 мкс, та імпульс мав аперіодичну форму (рис 2.4). τ, мкс

0

0,2

U,В 04

06

08

0 50 100 150 200 Рисунок 2.4 – Осцилограма імпульсу струму, що проходить через зразок при значенні енергії 112.5 Дж Завдяки аперіодичній формі імпульсу можна судити, що не пройшла перезарядка конденсаторів, та повторне проходження електричного струму через зразок. За допомогою цих даних можна було зробити висновок, що енергія, яка виділялася на зразку дорівнювала: (2.1) Де С – ємність батареї конденсаторів (С = 400 мкФ), U – напруга на конденсаторах. Таким чином з 15 зразків пригодними для проведення дифрактометричного аналізу виявились тільки 12, а визначити значення термо-ЕРС вдалося в 14 зразках. 2.2 Методи дослідження зразків. 2.2.1 Рентгенографічний метод. Основним методом при проведенні аналізу фазового складу отриманих зразків був рентгенографічний метод. Джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка. Пучок електронів з катода розганяється високою напругою та ударяється в анод. При цьому більша частина енергії пучка витрачається на нагрівання анода (який охолоджується проточною водою) і лише 2% енергії пучка перетвориться в рентгенівське випромінювання, що складається з неперервного та лінійчатого спектрів. Лінійчатий спектр визначається матеріалом, з якого був зроблений анод, тому він одержав назву характеристичного випромінювання, неперервний спектр має назву гальмівного випромінювання. В залежності від переданої атому енергії електрон переходить на більш високий енергетичний рівень, та атом переходить у так званий збуджений стан. Потім атом повертається в колишній стан, при цьому випромінюючи квант певної визначеної частоти. Залежно від рівня збудження випромінювання поділяється на серії: K, L, M і т.д. Усередині кожної серії окремі лінії позначаються грецькими літерами. У рентгенівському дифракційному аналізі використаються використовуються лінії Кα , Кβ Розглянемо дві паралельні атомні площини АА та ВВ і падаючий під кутом рогом θ пучок рентгенівських променів (рис 2.5). При цьому атоми , , стають джерелами вторинного випромінювання. Взагалі, розсіювання рентгенівських променів іде в усі сторони, але хвилі, розсіяні атомами та підсилюють одна одну в напрямку, що утворює з атомною площиною кут θ . Те ж відбувається із хвилями, розсіяними будь-якими атомами площини АА, тобто цю площину можна розглядати як плоске дзеркало. Хвиля, розсіяна атомом буде посилюватись тільки в тому випадку, коли довжина ломаної , яка дорівнює різниці ходу промінів та , буде дорівнювати цілому числу хвиль. З геометрії очевидно, що . Звідси можна отримати умову для відбивання хвиль від атомних площин: (2.2) Ця формула має назву формули Брегів-Вульфа. Рисунок 2.5 – Схема відбивання рентгенівських променів від атомних площин. Ця теорія стала основою для схеми роботи дифрактометрів: Розбіжний пучок рентгенівського випромінювання виходить із фокуса рентгенівської трубки F (рис 2.6), потім проходить через щілини Солера , що обмежують вертикальну розбіжність і через систему щілин , . Після відбиття від зразка пучок проходить через щілини Солера , щілину і потрапляє в приймальну (аналітичну) щілину , а потім через антирозсіюючу щілину потрапляє на лічильник. Для збереження фокусування фокус рентгенівської трубки, вісь зразка тп приймальна щілина повинні в процесі зйомки перебувати на одній окружності змінного радіуса , де R – радіус гоніометра. Рисунок 2.6 – Схема дифрактометра. Рисунок 2.7 – Схема закріплення зразка в дифрактометрі 2.2.2 Метод вимірювання термо-ЕРС Явище термоелектрики було відкрито у 1823 р. Зеєбеком і полягає в наступному. Якщо скласти електричну схему з двох різних провідників (або напівпровідників) А и В, з'єднавши їх кінці між собою (рис 2.8, а), причому температуру одного місця з'єднання зробити відмінною від температури іншого місця з'єднання, то в цьому ланцюгу потече струм під дією ЕРС, називаною термоелектрорушійною силою (термо-ЕРС) що являє собою різницю функцій температур місць з'єднання провідників: (2.3) Подібний електричний ланцюг називається термоелектричним перетворювачем або інакше термопарою; провідники, що складають термопару називають – термоелектродами, а місця їхнього з'єднання – спаями. Термо-ЕРС при невеликому перепаді температур між спаями можна вважати пропорційною різниці температур: (2.4) Досвід показує, що будь-якої пари однорідних провідників значення термо-ЕРС залежить тільки від природи провідників та від температури спаїв і не залежить від розподілу температури уздовж провідників. Термоелектричний контур можна розімкнути в будь-якім будь-якому місці та увімкнути в нього один або декілька різнорідних провідників. Якщо всі місця з'єднання, що з'явилися при цьому, знаходяться при однаковій температурі, то не виникає ніяких „паразитних” термо-ЕРС. Можна розімкнути контур у місці контакту термоелектродів А і В та вставити додатковий провідник С між ними (рис 2.8, б). Значення термо-ЕРС у цьому випадку визначиться як: (2.5) Рисунок 2.8 – Схема виникнення та вимірювання термо-ЕРС Для проведення вимірювань термо-ЕРС зразків, отриманих у результаті експерименту була використана така установка (рис 2.9). Рисунок 2.9 – Схема установки для вимірювання термо-ЕРС 1. Зразок; 2. Мідний електрод, який знаходиться у розігрітій печі; 3. Масивний мідний електрод, на який кладеться зразок; 4. Термопара мідь-константан. Зразок у якому вимірюється термо-ЕРС знаходиться між двома мідними контактами, які знаходяться при різній температурі. Верхня частина установки (мідний електрод та піч) є рухомою частиною установки. Для вимірювання різниці температур між мідними електродами була використана термопара мідь- константан. Перекидний ключ в одному положенні замикає коло термопари мідь- константан, а в іншому положенні замикає досліджуване коло мідь-зразок. Термо-ЕРС в обох випадках вимірювали за допомогою вольтметра. Мідні контакти перед вимірюванням були зачищені наждачним папером. Термопара мідь-константан була закріплена в нижній частині мідного контакту, який знаходився в печі. Коефіцієнт термо-ЕРС визначали по формулі: (2.6) де – термо-ЕРС в колі мідь-разок; – термо-ЕРС в колі мідь-константан; к – стала, яка була визначена при градуюванні. Градуювання установки виконували шляхом визначення термо-ЕРС кола термопари мідь-титан, яка була атестована в інституті метрології та стандартних зразків м. Свердловська. [11] Вимірювання термо-ЕРС проводили декілька разів в різних точках зразка, на відстані 3-5 мм від краю. 3 ДОСЛІДЖЕННЯ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ В АМОРФНІЙ СТРІЧЦІ ПРИ НАГРІВАННІ ІМПУЛЬСАМИ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ 3.1 Результати експериментальних досліджень. 3.1.1 Результати дифрактометричного аналізу отриманих зразків. Після проведення експерименту отриманні зразки були перевірені на присутність кристалічних фаз за допомогою дифрактометра ДРОН–3М. Зйомка зразків проводилася в інтервалі 40° – 80° з кроком 0.1° на кобальтовому випромінюванні з довжиною хвилі λ= 0.17902 нм. Згідно дифрактограми (рис 3.1) зразки у початковому стані були рентгено- аморфними. Після обробки зразків імпульсами струму різної потужності всі зразки були піддані дифрактометричному аналізу. Отриманні дифрактограми після розшифровки показали, що більша частина зразків залишилися рентгено-аморфними (рис 3.1). Але при досягненні енергії імпульсу струму 84.5 Дж на дифрактограмах почали з’являтися ознаки відображення рентгенівського променю від кристалографічних площин (110) гратки α-Fe, та (211) гратки Fe2B на фоні аморфного гало. Ці ознаки становляться вже добре примітними вже при досягненні енергії рівня 91.12 Дж (рис 3.2). Коли енергія досягла рівня 98 Дж на фоні аморфного гало вже повністю з’явились лінії, які були слідством відображення рентгенівського променю від площин кристалічної гратки. При цьому аморфне гало стає майже непомітним (рис 3.3). При досягненні енергії до рівня 112.5 Дж на дифрактограмах чітко видно, що зразки повністю кристалізувались, та зник слід від аморфного гало на дифрактограмі. (рис 3.4). Рисунок 3.1 – Типова дифрактограма аморфного зразка, однакова для зразків, на яких виділилася енергія 0 – 84.5 Дж Подпись: (211)Подпись: Fe2BПодпись: FeПодпись: (110) Рисунок 3.2 – Дифрактограма зразка, на якому виділилася енергія 91.12 Дж Подпись: (002)Подпись: (110)Подпись: (200)Подпись: (211)Подпись: (112)Подпись: (202)Подпись: Fe2BПодпись: Fe Рисунок 3.3 – Дифрактограма зразка, на якому виділилася енергія 98 Дж Рисунок 3.4 – Дифрактограма зразка, на якому виділилася енергія Подпись: (200)Подпись: (200)Подпись: (202)Подпись: (112)Подпись: (002)Подпись: (211)Подпись: Fe2BПодпись: FeПодпись: (110)105.12 Дж Після проведення розрахунків, щодо розшифровки дифрактограм усі данні дифрактометричного аналізу були занесені у таблиці. Самою повною (у яку входили всі інші таблиці) виявилась таблиця для зразка, на якому виділилася енергія 105.12 Дж (таблиця 3.1) Таблиця 3.1 – Розшифровка даних дифрактограми зразка, на якому виділилася енергія 105.12 Дж
θsin (θ)dhklIα(β)HKL
77.9038.950.628641.423Cα

200

73.9036.950.601111.489слβ
72.2036.10.589191.519слβ
66.5033.250.548291.632срα

202

58.5029.250.488621.831срα

112

52.8026.40.444632.013Осα

211; 110

49.9024.950.421822.121ср.сα

002

47.5023.750.402742.222срβ
41.3020.650.352652.538ср.слα

200

При обчисленні табличних даних використовувалась формула Брегів-Вульфа (2.1) у якій λ=1.7902. Для того, щоб судити, куди подівся кремній у зразках, було підраховано період гратки для заліза за допомогою формули (2.7) (2.7) Завдяки цьому період гратки для заліза у зразках дорівнював . Табличне значення періода гратки для чистого заліза дорівнює . Зменшення періоду гратки пояснюється тим, що кремній створює з залізом твердий розчин заміщення [12], що і спостерігається у цьому випадку.

3.1.2 Результати аналізу термо-ЕРС в отриманих зразках.

Після проведення експерименту в отриманих зразках було визначене значення термо-ЕРС. Визначення термо-ЕРС проводилося за допомогою установки, схема якої зображена на (рис 2.7). Усі данні вимірювань та розрахунків для усіх зразків були наведені в таблиці 3.2 Таблиця 3.2 – Значення, які були отриманні при визначенні термо-ЕРС зразків

,Дж

<>

<>

< α >,мкВ/К<Δα>,мкВ/К
010.130.037.56.720.01
31.8410.520.037.56.980.02
46.0810.340.367.56.860.24
60.5110.27.57.300.13
7211.170.117.57.410.07
79.8811.70.247.57.760.15
84.511.230.887.57.450.58
91.1211.81.067.57.830.70
9823.56.47.515.64.24
105.1224.357.53717.325.35
112.530.26.3721.484.48
12830.35.02721.553.57
13630.35.03721.553.57
Згідно з таблицею 3.2 був побудований графік залежності α = f(E), що допомогло візуально побачити момент кристалізації зразків. Згідно з теорією при зміні фазового складу буде змінюватись і термо-ЕРС зразків [12]. Значення термо-ЕРС чітко корелюють з даними дифрактометричного аналізу. Значення енергії, при якому починає підніматись крива на графіку також є значеннями при яких на дифрактограмах починають з’являтися перші ознаки кристалічної гратки (рис. 3.2). Відносна похибка вимірювань, яка обумовлена похибкою вимірювальних приладів, в цьому випадку становить значення . Завдяки цьому майже всі результаті вимірювань термо-ЕРС для кожного рентгеноаморфного зразка знаходяться у невеликій області значінь. Ситуація змінюється для зразків з кристалічними фазами (починаючи з енергії 98 Дж). Розбіжність результатів вимірювань термо-ЕРС у цих зразках зростатє до великих значень. Це пояснюється тим, що метод вимірювання термо-ЕРС – це локальний метод. Він показує значення термо-ЕРС у маленькій ділянці зразка, розмірами якої порівняно з розмірами зразка можна знехтувати. Таким чином велика розбіжність значень у різних точках одного й того ж зразка пояснюється неоднорідністю поверхні самого зразка. Значення термо-ЕРС для зразків стрибкоподібно змінюються у межах зразка від значень термо-ЕРС для аморфних зразків, до значень, які характерні для зразків з кристалічними фазами. Потім при досягненні енергії до рівня 112.5 Дж розбіжність значень точок для окремо взятого зразка зменшується, що пояснюється відсутністю у зразку аморфної фази. Далі похибка трохи збільшується, але це вже не пов’язано як раніше з неоднорідністю фазового складу зразків. Це пояснюється тим, що починаючи з рівня енергії 128 Дж проходила руйнація матеріалу зразків, що призводило до дуже великих механічних ушкоджень поверхні зразків навіть на малих ділянках. Для того, щоб показати розбіжність точок для кристалічних зразків були побудовані гістограми для зразків, на яких виділилася енергія 0 Дж (рис 3.6), 91.12 Дж (рис 3.7), 98 Дж (рис 3.8), 105.12 Дж (рис 3.9), 112.5 Дж (рис 3.10) та 128Дж (рис 3.11). Рисунок 3.5 – Графік залежності термо-ЕРС від енергії, яка виділилася на зразках Рисунок 3.6 – Гістограма точок термо-ЕРС для зразка на якому виділилася енергія 0 Дж Рисунок 3.7 – Гістограма точок термо-ЕРС для зразка на якому виділилася енергія 91.12 Дж Рисунок 3.8 – Гістограма точок термо-ЕРС для зразка на якому виділилася енергія 98 Дж Рисунок 3.9 – Гістограма точок термо-ЕРС для зразка на якому виділилася енергія 105.12Дж Рисунок 3.10 – Гістограма точок термо-ЕРС для зразка на якому виділилася енергія 112.5 Дж Рисунок 3.11 – Гістограма точок термо-ЕРС для зразка на якому виділилася енергія 128 Дж На цих гістограмах видно, як більша кількість точок на графіку при збільшенні енергії поступово зміщуються в напрямку зростання термо-ЕРС. Це зростання пояснюється зміною фазового складу зразків. Гістограма (рис 3.6) являє собою гістограму аморфного зразка (у якому присутня тільки аморфна фаза). Гістограма (рис 3.7) належить зразку, у якому починають з’являтися на фоні аморфного гало кристалічні фази. Гістограма (рис 3.11) належить зразку, що повністю кристалізувався. На графіку (рис 3.5) в інтервалі енергій від 0 Дж до 84.5 Дж спостерігається невеликий підйом термо-ЕРС. Цей ефект не має пояснення, бо дифрактометричний аналіз не зафіксував зміни фазового складу у зразках. 4 ПИТАННЯ ДОТРИМАННЯ ПРАВИЛ ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ ПРИ ВИКОНАННІ ДАНОЇ ДИПЛОМНОЇ РОБОТИ При виконанні дипломної окрема увага приділялася правилам дотримання техніки безпеки. Окрема увага приділялась техніки безпеки при роботі з електроприладами високої напруги, та при роботі з комп’ютером. При виконанні роботи мені довелося проводити експерименти з високими напругами (біля 1000 В). При роботі з такими напругами мною виконувались такі правила безпеки: 1. Перед початком робіт на установці кожен раз перевірявся стан заземлення корпусу, та конденсаторів установки. Всі прилади, які використовувались при проведенні експерименту, якщо вони потребували заземлення, також заземлювались на шину заземлення; 2. При роботі з установкою мої руки були чистими та сухими, тому що величина струму, що проходить через людину, залежить від стану шкіри, а також площі зіткнення зі струмоведучими частинами (бруд та волога її збільшують); 3. При роботі з установкою я ніколи не ліз у блок відразу двома руками. Роботи проводились тільки однією рукою при цьому я не торкався струмопровідної поверхні (металевого корпусу пристрою), тому що ступінь поразки електричним струмом залежить від шляху його проходження. Найнебезпечнішим є шлях струму від руки до руки - через область серця та легенів; 4. Заміна зразків виконувалась при відключеному живленні пристрою від мережі 380 В. Для повної впевненості в цьому вимикався основний рубильник, що вимикав мережу з 380 В у всій лабораторії. Безпосередньо перед заміною зразка перевірялась відсутність напруги на конденсаторах шляхом замикання клем конденсаторів невеликим опором; 5. При роботі на установці батарея конденсаторів була закрита в герметичному залізному корпусі, який був заземлений; 6. У лабораторії де знаходилася установка для проведення експерименту я ніколи не працював один. В момент проведення експерименту в лабораторії завжди знаходилось мінімум 2 людини. Розрізняють два основних види ураження людини електричним струмом: електричні травми та електричні удари. Види електротравм: місцеві електротравми (електричний опік, електричні знаки, металізація шкіри, механічні ушкодження, елетроофтальмія). Особливу небезпеку становлять електричні травми у вигляді опіків. Електричний опік з'являється в місці контакту тіла людини зі струмоведучою частиною електроустановки або електричною дугою. Електроопіки виліковують значно повільніше звичайних термічних. Вони супроводжуються раптово виникаючими кровотечами, омертвінням окремих ділянок тіла. Металізація шкіри – це проникнення в її верхні шари дрібних часточок металу, що розплавився під дією електричної дуги. Потерпілий у місці ураження зазнає напругу шкіри від присутності в ній стороннього предмета й біль від опіку за рахунок розпеченого металу. Металізація спостерігається приблизно у 10 % потерпілих. Механічні ушкодження виникають в результаті різких, судорожних скорочень м'язів під дією струму, що проходить через тіло людини. У результаті можуть відбутися розриви шкіри, кровоносних судин, нервової тканини, а також вивихи суглобів і переломи костей. Електроофтальмія – запалення зовнішніх оболонок очей, що виникає в результаті впливу потужного потоку ультрафіолетових променів, які поглинаються клітинами та викликають у них хімічні зміни. Таке опромінення можливо при наявності електричної дуги. Електричні знаки являють собою чітко обкреслені плями сірого або блідножовтого кольору круглої або овальної форми з поглибленням у центрі, іноді у вигляді подряпин, забитих місць, бородавок, крововиливів у шкірі, мозолів, іноді нагадують форму блискавки. В основному електричні знаки безболісні. Знаки виникають десь у 20% потерпілих від струму. При роботі над підключенням осцилографа до установки я користувався паяльником. При користуванні паяльником я знав, що безпечним для людини у звичайних умовах є джерело струму із напругою до 36 В, тому для монтажу елементів я використовував паяльник з робочою напругою, що не перевищувало це значення. При роботі з паяльником я не струшував із жала залишки розплавленого припою: його бризи можуть потрапити в очі або на тіло й спричинити травму. Паяльник мав підставку, що виключає випадковий дотик гарячих частин руками, а також скочування його на стіл. При тривалій роботі з із паяльником повітря в кімнаті насичується шкідливими для організму парами свинцю й олова. Тому я регулярно провітрював приміщення. При виконанні дипломної роботи я постійно мав діло з різними електроприладами, тому досконально знав види дії електричного струму на організм, та види ураження електричним струмом. Є такі види дії електричного струму на організм: термічна, електролітична та біологічна. Термічна дія струму проявляється в опіках окремих ділянок тіла, а також у нагріванні до високих температур інших органів. Електролітична дія струму проявляється в розкладанні органічних рідин, що викликає значні порушення їхнього фізико-хімічного складу. Біологічна дія струму проявляється в подразненні й порушенні живих тканин організму, а також у порушенні внутрішніх біоелектричних процесів. Уся моя дипломна робота була розроблена за допомогою комп’ютера, тому я при виконанні техніки безпеки приділив велику увагу техніці безпеки при роботі з комп’ютером. При роботі з комп’ютером на людину діють такі фактори: 1. підвищений рівень шуму; 2. нестача природного світла; 3. випромінювання від екрана монітора (α-, β-випромінювання, м’яке рентгенівське випромінювання); 4. електричний струм; 5. статична електрика; 6. підвищена концентрація іонів в просторі навколо копьютера; 7. специфічні умови зорової роботи т. т. і. Щоб уникнути багатьох шкідливих факторів я сидів від комп’ютера на відстані 50-70 см. від екрану. При роботі з комп’ютером я тримав ноги та руки таким чином, щоб суглоби на них не утворювали кут менше 90°. Після кожних 3 годин роботи за комп’ютером я робив перерви на 15-20 хвилин та постійно провітрював приміщення. Провітрювання приміщення допомогло зменшити концентрацію іонів в повітрі навколо комп’ютера до 160 – 5000 іонів на квадратний сантиметр, що не перевищувало допустимих норм. Щоб уникнути пожежі я дотримувався наступних вимог: підтримував порядок на робочому місці, не накопичувати папір та інші непотрібні предмети нічого не клав на клавіатуру, монітор, системний блок, мишу та інше комп'ютерне обладнання. При роботі з комп’ютером, щоб уникнути нестачі освітленості, вмикалися освітлювальні прилади. Це допомогло підвищити освітленість на робочому місті до 300 – 400 люкс, яка знаходиться у допустимих нормах. Дякуючи тим знанням з охорони праці, які були отримані мною в університеті, були успішно проведені досліди, які були необхідні при виконанні дипломної роботі ВИСНОВКИ 1. При пропусканні короткочасних імпульсів струму (120 мкс) через аморфні зразки кристалізація цих зразків починається з певної енергії імпульсу E = 91.12 Дж і повністю закінчується при E = 112.5 Дж. При цьому виділяються дві фази: хімічна сполуката твердий розчин кремнію в . 2. Отриманні таким методом кристалічні зразки виявились неоднорідними, про що свідчить стрибкоподібна зміна значення термо-ЕРС в межах самого зразка. 3. Зміна значення термо-ЕРС у зразках, які залишилися рентгено- аморфними не має точного пояснення. Як одне з пояснень цього ефекту є випадіння нанокристалів у об’ємі зразка. ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 1. Брехаря Г.П., Гіржон В.В., Смоляков О.В. Вплив низькоенергетичних лазерних нагрівань на процеси релаксації у аморфних металевих сплавах. // Вісник Запорізького державного університету. – 1998. – №1. – С. 90 – 93. 2. Брехаря Г.П., Гіржон В.В., Смоляков О.В., Ястребова Т.С. Особливості кристалізації аморфної стрічки під впливом лазерного нагріву. // Вісник Запорізького державного університету. – 1998. – №2. – С. 161 – 166. 3. Гиржон В.В., Смоляков А.В., Ястребова Т.С., Шейко Л.М. Особенности кристаллизации аморфных металлических сплавов системы Fe-Si-B под влиянием импульсных лазерных нагревов. // ФММ. – 2002. – т. 93. – №1. С. 64-69. 4. Анпилогов Д.И., Гиржон В.В., Руднев Ю.В., Смоляков А.В. Кристаллизация аморфной ленты в условиях изотермических отжигов и лазерных нагревов. // ФММ. – 1996. – т. 82, вып. 3. С. 110-116. 5. Брехаря Г.П., Гиржон В.В., Смоляков А.В., Немошкаленко В.В. Влияние термоциклической обработки на структурное состояние аморфных сплавов системы Fe-B. // Металлофизика и новейшие технологии. – 1997. – т. 19.- №12. – С. 69 – 74. 6. Zaluski L., Zaluska A., Kopcewicz M., Schulz R. Structural changes and physical properties of Fe-Ni-based metallic glasses rapidly heated by pulsed electrical currents. // J. Mater. Res., Vol. 6. - № 5, May 1991. 7. Прохоров А.М. – Физическая энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1988 – т. 1 – 5. 8. Глезер А.М. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы. // Рос. хим. ж. – 2002. – т. XLVI. – № 5. – С. 57 – 63. 9. Елсуков Е. П., Галахов В.Р., Юрчиков Е.Е. О стабильных фазах образующихся при кристаллизации металлического стекла // Металлофизика. – 1980. – т. 2.- №2. – С. 212 – 214. 10. Новакова А.А, Сиротинина Г.А., Елсуков Е.П. Исследование процесса кристаллизации аморфного сплава // Металлофизика. – 1984. – т. 4.- №5. – С. 114 – 121. 11. Брынза А.Н., Кульков А.Д., Левин Ю.С. Коэффициент термо–Э.Д.С. и удельное сопротивление губчатого титана // В сб.: Металлургия и химия титана. – Запорожье. – 1979. – С. 71–73 12. Бернштейн М.Л., Рахштадт А.Г. Металловедение и термическая обработка сталей – М.: Научно техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961. 13. Кривоглаз М.А., Садовский В.Д., Смирнов А.В. Закалка стали в магнитном поле. – М.: Наука, 1977. – С. 1 – 120. 14. ОАО Ашинский Металлургический Завод. – Лента из аморфных и нанокристаллических сплавов. – http://www.amet.ru/data/metall/aml.htm