Mẫu sau khi nấu bằng lũ hồ quang, được kiểm tra, đỏnh giỏ sơ bộ độ hao hụt khối lượng sau khi nấu bằng cỏch cõn rồi so sỏnh với khối lượng tổng của cỏc nguyờn tố hợp phần trước khi nấu. Kết quả cho thấy độ hao hụt trung bỡnh chỉ
Hỡnh 3.1 Ảnh chụp bề mặt băng và giản đồ EDX của mẫu N2.
002 002 1.0 mm1.0 mm1.0 mm1.0 mm1.0 mm 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 002 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Cou nts AlKa SiKa FeLa FeKa FeKb CuLl CuLa CuK a CuK b Nb Ll Nb La Nb Lb
khoảng 0,1 %. Sự hao hụt này cú thể là do vật liệu bị dớnh một phần vào nồi, cũn sự bay hơi của vật liệu được cho là khụng đỏng kể. Tuy nhiờn để khẳng định thành phần của hợp kim sau khi phun băng, chỳng tụi sử dụng phương phỏp phõn tớch EDX, tại viện Khoa học Vật liệu. Kết quả được cho trờn hỡnh 3.1 và bảng 3.1. Trong bảng 3.1 ta thấy thành phần B khụng xỏc định được. Vỡ vậy kết quả thu được khụng đỏnh giỏ một cỏch chớnh xỏc thành phần trong hợp kim. Tuy nhiờn, theo bảng 3.1, nếu bỏ qua thành phần B, thỡ ta thấy cỏc nguyờn tố cũn lại cú sự thay đổi phự hợp với sự thay đổi của thành phần nguyờn tố phối trộn. Từ cỏch cõn và kết quả phõn tớch EDX thu được, cú thể kết luận hợp kim cú thành phần đỳng với thành phần danh định.
Bảng 3.1 Tổng hợp kết quả đo EDX của cỏc mẫu Finemet
Si (% at) Fe(% at) Cu(% at) Nb(% at)
N0 15,48 82,45 1,07 0 N1 15,11 82,48 1,08 0,90 N2 15,07 81,86 1,05 1,61 N3 15,21 79,51 1,01 2,98 N4 14,82 75,97 1,08 3,58 N5 15,16 78,86 1,09 4,99 N6 15,09 77,52 1,03 5,68 N7 15,20 75,93 1,29 6,72 30 40 50 60 x = 1 x = 2 x = 3 x = 4 x = 5 x = 6 Ch-a ủ x = 0 Fe76.5-xCu1NbxSi13.5B9 x = 7 C-ờng độ (đơn vị tùy ý) 2(độ)
Cỏc mẫu băng sau khi phun, được phõn tớch bằng nhiễu xạ tia X để kiểm tra trạng thỏi vụ định hỡnh. Hỡnh 3.2 là giản đồ nhiễu xạ tia X của cỏc mẫu băng mới phun Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9. Ta thấy rằng trờn giản đồ khụng thấy sự tồn tại của cỏc đỉnh đặc trưng cho trạng thỏi tinh thể. Điều này cho thấy tất cả cỏc mẫu băng Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9 mới phun đều ở trạng thỏi vụ định hỡnh. Sự tồn tại của một đỉnh nhũe tại gúc 2θ ~ 45o được giải thớch là do trật tự gần khỏ ổn định tại cỏc mầm kết tinh của cỏc pha tinh thể α-Fe(Si). Kết quả này cho thấy cỏc băng vụ định hỡnh phự hợp với mụ hỡnh phụi thai tinh thể [14].
Khi xử lý nhiệt, đỉnh nhiễu xạ tại 450 trở nờn rừ nột dần khi thời gian ủ nhiệt của mẫu tăng lờn. Ngoài ra cũn xuất hiện thờm một đỉnh tại gúc 2θ ≈ 660 tương ứng với cấu trỳc lập phương tõm khối của pha α-Fe(Si). Như vậy trong quỏ trỡnh xử lý nhiệt, mẫu đó cú sự chuyển pha cấu trỳc từ trạng thỏi vụ định hỡnh sang trạng thỏi
tinh thể.
Từ giản đồ nhiễu xạ tia X hỡnh 3.3 của cỏc mẫu ủ ở 5400C trong 15 phỳt ta thấy với mẫu cú thành phần Nb khụng xuất hiện pha Fe2B, chỉ tồn tại duy nhất pha α-Fe tại gúc 2θ ≈ 450 và 2θ ≈ 660 tương ứng theo hướng [110] và hướng [200] của
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 2(độ) C-ờng độ (đơn vị tùy ý) Fe 76.5-xCu 1Nb xSi 13.5B 9 5000C - 15 phút x = 7 x = 0
Hỡnh 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của cỏc mẫu Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9
mặt phẳng nguyờn tử. Ở mẫu khụng cú Nb (mẫu N0), giản đồ nhiễu xạ tia X (hỡnh 3.4) cho thấy khi ủ ở nhiệt độ 5400C trong 15 phỳt, ngoài pha α-Fe cũn xuất hiện pha Fe2B với cỏc đỉnh nhiễu xạ đặc trưng ở cỏc gúc 2θ ≈ 250, 350, 430 và 560. Đõy là pha khụng mong muốn, do làm giảm tớnh chất từ mềm của vật liệu, điều này cú thể là do sự đúng gúp vào dị hướng từ tinh thể của Fe2B với độ lớn cao hơn 1 bậc so với α-Fe [17, 28].
Dựa vào độ cao của cỏc đỉnh (hỡnh 3.5, hỡnh 3.6), bước đầu đỏnh giỏ định tớnh, ta thấy pha tinh thể tăng dần theo nhiệt độ ủ và thời gian ủ, với mẫu ủ ở nhiệt độ thấp và thời gian ủ ngắn, tỷ phần pha tinh thể là rất nhỏ, băng vẫn giữ cấu trỳc gần như là vụ định hỡnh.
Hỡnh 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu N0 ủ 15 phỳt ở nhiệt độ 5400C.
Hỡnh 3.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe73,5Cu1 Nb3Si13,5B9 ủ trong 15 phỳt ở
cỏc nhiệt độ ủ khỏc nhau.
Hỡnh 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe73,5Cu1 Nb3Si13,5B9 ủ ở nhiệt độ 5400C với thời
Khi tăng nhiệt độ ủ lờn đến 5400C, pha tinh thể đó hỡnh thành với cỏc đỉnh đặc trưng cho pha α-Fe(Si). Để xỏc định kớch thước cỏc hạt nanụ tinh thể
(nanocrystalline grains), chỳng tụi sử dụng cụng thức Scherrer đó biết:
cos . 9 , 0 (3.1)
trong đú, = 1,5406 Ǻ là bước súng tia X (bức xạ đồng) được sử dụng, - gúc nhiễu xạ và - độ bỏn rộng (tớnh theo radian).
Tuy nhiờn, như chỳng ta đó biết, với cỏc hệ nano tinh thể được tỏi kết tinh từ trạng thỏi VĐH thụng qua xử lý nhiệt, nền VĐH đúng gúp vào giản đồ nhiễu xạ với vai trũ tạo nhiễu. Nờn nếu ỏp dụng cụng thức Scherrer để tớnh sẽ cho sai số lớn.
Để tăng độ chớnh xỏc, chỳng tụi đó tỏch cỏc phần đúng gúp vào phổ nhiễu xạ tia X của cỏc pha VĐH và pha tinh thể, sau đú dựng phương phỏp fit cỏc profile của vạch nhiễu xạ này và trừ nền theo hàm chuẩn Voigt:
V(x) = Io[nLL(x) + (1 - nL)G(x)] (3.2)
Ở đõy, L(x) và G(x) tương ứng là cỏc hàm Lorentz và hàm Gauss; Io là cường độ peak và nL là phần đúng gúp hàm Lorentz vào peak. Biến số x được định nghĩa như sau:
x = (2θ - 2θo)/w (3.3)
trong đú 2θ là gúc nhiễu xạ, 2θo là vựng gúc chứa peak, w là nửa bề rộng bỏn vạch. Từ đú, ỏp dụng cụng thức Scherrer để tớnh toỏn, cho kết quả trong bảng 3.2. Kết quả thu được cho thấy kớch thước hạt thay đổi theo nhiệt độ ủ và thời gian ủ. Nhiệt độ ủ càng cao, thời gian ủ càng lớn thỡ kớch thước hạt cũng càng lớn. Ở đõy, quỏ trỡnh chuyển pha xảy ra trong một lỏ mỏng vật liệu rắn, thỡ kớch thước trung bỡnh của vựng chuyển pha cú thể lớn hơn rất nhiều so với độ dày của lỏ vật liệu rắn đú. Sự phỏt triển theo bề dày của vựng chuyển pha nhanh chúng bị dừng lại và trở thành quỏ trỡnh phỏt triển hai chiều. Khi đú biểu thức biểu diễn sự phụ thuộc của thể tớch vựng chuyển tạo theo thời gian cú dạng:
V = Y2(t - )2 (3.4)
Bảng 3.2 Sự thay đổi kớch thước hạt theo nhiệt độ và thời gian ủ với mẫu N3. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhiệt độ ủ ở thời gian 15 phỳt (oC)
Kớch thước hạt (nm)
Thời gian ủ ở nhiệt độ 5400C (phỳt) Kớch thước hạt (nm) 530 2 5 2 540 12 10 7 550 20 15 12 560 28 20 18
Trờn cơ sở cỏc kết quả tớnh toỏn và giản đồ nhiễu xạ tia X cú thể kết luận rằng cỏc mẫu sau khi ủ nhiệt cú cấu trỳc đa pha: pha nanụ tinh thể phõn bố trờn nền pha vụ định hỡnh. Nhiệt độ ủ tăng và thời gian ủ kộo dài làm tăng kớch thước hạt, điền này hoàn toàn phự hợp với lý thuyết về động học chuyển pha, và đó được khẳng định trong cỏc cụng bố [14, 15]. Quỏ tỡnh tạo pha nano tinh thể xảy ra nhanh hay chậm là tuỳ thuộc vào nhiệt độ ủ mẫu. Khi nhiệt độ ủ mẫu thấp thỡ quỏ trỡnh kết tinh xảy ra chậm, để đạt tới trạng thỏi bóo hoà cú thể kộo dài vài giờ. Cũn nhiệt độ ủ mẫu cao thỡ quỏ trỡnh kết tinh xảy ra nhanh, quỏ trỡnh kết tinh cú thể đạt tới bóo hoà chỉ trong một thời gian ngắn hơn.
Xỏc định nhiệt độ chuyển pha của hợp kim nano tinh thể Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9: Trước khi xử lý nhiệt, mẫu cần phải xỏc định vựng nhiệt độ ủ cú thể xảy ra kết tinh và đú là sự kết tinh của những pha tinh thể nào. Từ đú ta sẽ chọn vựng nhiệt độ ủ mẫu thớch hợp để tạo cỏc pha mong muốn.
Ở đõy, chỳng tụi sử dụng phương phỏp quột nhiệt vi sai (DSC) với tốc độ quột nhiệt là 200C trờn phỳt để xỏc định nhiệt độ kết tinh của mẫu. Tiến hành phõn tớch nhiệt vi sai trờn tất cả cỏc mẫu cho kết quả trờn bảng 3.3.
Bảng 3.3 Nhiệt độ chuyển pha của cỏc mẫu theo hàm lượng Nb
x (% at) T1 T2 x (% at) T1 T2
0 488,81 554,25 4 543,92 669,69
1 500,40 587,09 5 563,41 697,26
3 529,48 641,11 7 590,34 705,45 Từ kết quả thu được cho thấy nhiệt độ chuyển pha của cỏc mẫu thay đổi theo hàm lượng Nb, hàm lượng Nb càng tăng, nhiệt độ chuyển pha càng tăng.
Như chỳng ta đó biết, khi hàm lượng của cỏc nguyờn tố hợp phần thay đổi thỡ cấu trỳc và tớnh chất của hợp kim cũng thay đổi. Mỗi nguyờn tố trong hợp phần cú vai trũ và ảnh hưởng khỏc nhau đến cấu trỳc vi mụ của vật liệu. Trong đú B đúng vai trũ làm ổn định nền vụ định hỡnh và làm giảm lượng pha - Fe khi nồng độ của nú tăng lờn. Si làm thay đổi hằng số dị hướng K1 và từ giảo s của vật liệu. Cu đúng vai trũ tạo mầm kết tinh của pha tinh thể, cũn Nb đúng vai trũ kỡm hóm sự phỏt triển của hạt tinh thể. Cỏc nghiờn cứu của cỏc tỏc giả trước đõy đó chỉ ra rằng với nồng độ B là 9 %, Si là 13,5 % và Cu là 1 % thỡ vật liệu cho tớnh từ mềm tốt nhất. Lý do tại sao với nồng độ này, vật liệu lại cho tớnh từ mềm tốt nhất vẫn đang được quan tõm nghiờn cứu.
Khi nồng độ Nb tăng, nhiệt độ kết tinh của cả hai pha tinh thể là - Fe(Si) và Boride đều tăng lờn. Như vậy chứng tỏ Nb đó làm cho sự kết tinh xảy ra khú hơn, điều này được thể hiện kết quả của phộp phõn tớch bằng quột nhiệt vi sai cũng như qua kết quả phõn tớch nhiễu xạ tia X (hỡnh 3.3).
Ảnh hưởng của nồng độ Nb cú thể hiểu như sau: Trong hợp kim cú những vựng giàu Fe – Si – Cu và cú những vựng giàu Fe – Nb – B, tương quan giữa những vựng này phụ thuộc vào nồng độ của Nb và Cu. Lượng vựng Fe – Nb – B cũng tăng lờn khi nồng độ Nb tăng lờn và ngăn cản sự hỡnh thành và phỏt triển của cỏc hạt tinh thể. Cỏc nghiờn cứu của cỏc tỏc giả khỏc bằng phõn tớch nhiễu xạ tia X cũng như hiển vi điện tử hay từ nhiệt [24, 27] cho thấy rằng khi nồng độ Nb tăng lờn, kớch thước của cỏc hạt giảm đi và đồng đều hơn. Cũn khi nồng độ Nb giảm xuống, quỏ trỡnh kết tinh xảy ra nhanh hơn và dễ dàng hơn. Nhưng kớch thước của cỏc hạt lớn hơn rất nhiều và khụng đồng đều.