Структурные изменения в поликристаллическом висмуте при воздействии мощных ионных пучков

Следующее облучение проводили с плотностью ионного тока j = 150 A/см² и количеством импульсов n = 1. С помощью рентгенофазового анализа определен следующий состав образца:

· 16% висмута Bi;

· 16% оксида висмута Bi₂O₃;

· 13% оксида свинца (свинцового глета) PbO;

· 10% смешанного оксида свинца-висмута Bi₂₄Pb₂O₄₀;

· 5% оксида серебра Ag₃O₄;

· 11% бензоата висмута C₂₁H₁₅BiO₆;

· 7% карбоната окиси свинца Pb₃С₂O₇;

· 4% оксалата висмута C₆Bi₂O_12;

· 15% тетраметилгептандианита свинца C₂₂H₃₈O₄Pb.

Процентное содержание чистого висмута уменьшилось за счет образования бензоата висмута C₂₁H₁₅BiO_6. Появились новые фазы, содержащие свинец (тетраметилгептандианита свинца C₂₂H₃₈O₄Pb и карбоната окиси свинца Pb₃С₂O₇).

Кристаллическая решетка чистого висмута по-прежнему осталась ромбоэдрической. Вычисленные через квадратичные формы параметры решетки для индексов Миллера (HKL) (309) и (306): с = 11,895°, а = 4,551 и б = 57,16°. Решетка приобрела еще больший наклон.

При облучении образца МИП с той же плотностью тока j = 150 A/см², но с количеством импульсов n = 10, состав материала меняется. После облучения в образце было обнаружено:

· 15% висмута Bi;

· 13% оксида висмута Bi₂O₃;

· 8% оксида свинца Pb₁₂O₁₉;

· 11% смешанного оксида свинца-висмута Bi₁₂PbO₁₉;

· 5% оксида серебра Ag₂O₃;

· 8% бензоата висмута C₂₁H₁₅BiO₆;

· 10% карбоната окиси свинца Pb₃С₂O₇;

· 4% висмутита Bi₂O₂CO_3;

· 10% тетраметилгептандианита свинца C₂₂H₃₈O₄Pb.

Таким образом, в результате облучения пучком с такими параметрами состав образца практически не поменялся. Изменилось количественное соотношение фаз и стехиометрический состав некоторых соединений: смешанного оксида свинца-висмута, оксида серебра, оксида свинца. Выделился висмутит.

Вычисленные параметры решетки: с = 11,871°, а = 4,553 и б = 57,27°.

Как и в предыдущем случае, наложение рентгенограмм, снятых после облучения образцов пучками с разными параметрами, наглядно показывает появление новых пиков, что свидетельствует о появлении новых фаз после каждого облучения (Рис. 5).

Рис.5. Наложение спектров, снятых с образцов висмута после старения, после облучения МИП в разных режимах

Изменение фазового состава образцов висмута (после старения), подвергнутых МИП обработке при разных режимах указано в таблице 3.

Таблица 3. Изменение фазового состава образцов Bi (после старения), подвергнутых МИП обработке при разных режимах

Размеры области когерентного рассеяния и плотность дислокаций для всех образцов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Размеры ОКР и плотность дислокаций висмута (после старения) до и после облучения

Таким образом, после облучения с ростом плотности тока размеры ОКР в кристаллитах висмута (в отличие от образцов металла, не подвергнутых старению) увеличиваются, а плотность дислокаций уменьшается.

Изображение изменения микротвердости для разных образцов приведено на рисунке 6. Из рисунка видно, что у всех образцов микротвердость резко возрастает на глубинах ~ 6 мкм от поверхности. Причем самым твердым является образец, облученный пучком с плотностью ионного тока j = 150 A/см², n = 10. На глубинах от 6,5 до 12 мкм наблюдается снижение микротвердости. На больших глубинах микротвердость выравнивается и у всех образцов становится примерно одинаковой.

Рис. 6. Микротвердость Bi (после старения), облученного МИП

Снимки поверхности образцов висмута после старения приведены на рисунке 7.

На поверхности металла после многократного облучения с большими плотностями тока наблюдается многочисленные кратеры.

После однократного облучения пучком с j=50/см² на поверхности проявляется полосчатая структура с чередованием фаз. Размер зерна ~ 1,6 - 7,2 мкм. После увеличения плотности тока до 150 А/см² зерна увеличиваются до 11,2 мкм. Увеличение числа импульсов также приводит к увеличению размеров зерна. Наблюдается зерно овальной формы с размерами 12Ч40 мкм.

Рис.7. Поверхность висмута (после старения) а) в исходном состоянии, б) после облусения МИП j=50/см², n=1, в) j=150/см², n=1, г) j=50/см², n=10 (х250)

Рис.8. Поверхность висмута после травления а) до облучения, б) после облусения МИП j=50/см², n=1, в) j=150/см², n=1, г) j=150/см², n=10 (х450).

По сравнению с несостаренными образцами изменилась форма зерна висмута, облученных МИП с плотностью тока 50 и 150 А/см² (n=1)и их размеры. Размеры зерен висмута, облученного МИП с плотностью тока 150 (n=1) А/см² и состаренного увеличились практически в 2 раза по сравнению с несостаренными. Это свидетельствует о протекании процессов собирательной рекристаллизации, наиболее существенной для этого режима облучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проведенного исследования технического висмута было установлено:

1. наличие многофазового состояния, связанного с присутствием химических элементов, находящихся в руде, используемой при получении висмута. Облучение МИП с различными режимами приводит существенной фазовой перестройке, связанной с выделением легколетучих элементов, и с полиморфной модификацией самого висмута, наиболее существенно проявившейся при облучении с плотностью тока 100 А/см².

2. при естественном старении облученных образцов полиморфные модификации висмута отсутствуют, однако наблюдается существенное искажение ромбоэдра с увеличением плотности ионного тока.

3. рост зеренной структуры висмута при облучении МИП связан с перекристаллизацией при расплавлении и поглощением мелких зерен более крупными при затвердевании, а также и с собирательной рекристаллизацией в состаренных образцах.

4. неоднозначный характер зависимости микротвердости по глубине проникновения индентора связан с формирующимся сложным фазовым составом при облучении МИП, а также с неравномерным распределением плотности дислокаций по глубине.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1) http://elib.bsu.by/handle/123456789/31331

2) Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. - 303с.

3) Погребняк А.Д., Кульментьева О.П. Структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях и свойства металлических материалов после импульсного воздействия пучков частиц. Украина. Сумский институт модификации поверхности, Сумский государственный университет. 05.03.2003. - 136с.

4) Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Ночовная Н.А., и др. Физико-химические процессы, протекающие в поверхностных слоях титановых сплавов при ионно-лучевой обработке с использованием импульсных пучков // Поверхность. - 1993.- №5.- с.127-140.

5) Ковивчак В.С., Панова Т.В., Михайлов К.А. Модификация поверхности легкоплавких металлов при воздействии мощного ионного пучка наносекундной длительности. Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, 2011.

6) Сажин Н. П., Дулькина Р. А., Получение металлического висмута высокой чистоты, М., 1955.

7) http://www.i-think.ru/wikimet/?type=metall&section_id=393.

8) Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. - М., Металлургия, 1982. - 632с.

9) Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. Изд. 2-е. - М., Металлургия, 1970. - 366с.

10) Панова Т.В., Блинов В.И. Определение фазового состава поликристаллического вещества: Учебно-методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Рентгеноструктурный анализ". Омск, 2004.

11) http://www.modificator.ru/terms/metallography.html.

Размещено на Allbest.ru