Структурные состояния в сплавах системы Pr-Fe тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Рыкова, Елена Анатольевна

• Рыкова, Елена Анатольевна
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Рыкова, Елена Анатольевна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

§1. Фазовая диаграмма системы Рг-Ре

§2. Кристаллическая структура празеодима я

§3. Структура интерметаллических соединений ЯМ2 и §4. "Новые фазы" в системах Рг-Ре и МсР-Ре

§5. Постановка задачи

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА §1. Приготовление образцов

§2. Методы рентгеноструктурного анализа

§3. Расчет интенсивности дифракционных максимумов

§4. Метод дифракционной электронной микроскопии

ГЛАВА III ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ §1. Структурные состояния в сплавах Рг-Ре ниже эвтектической температуры

1.1 Равновесные и метастабильные фазы в системе Рг-Ре

по данным рентгеноструктурного анализа

1.2 Фазовые состояния в сплавах Рг-Ре по данным электронной дифракции

§2. Структурные состояния в сплавах Рг-Ре выше эвтектической температуры

2.1 Структурные состояния сплава Рг — 53 ат. %Ре

после кристаллизации из жидкой фазы РгРе2 + Ь

2.2 Структурные состояния сплава Рг — 77 ат. %Ре

после ступенчатого отжига в твердой фазе

2.3 Расчет интенсивностей линий при статистических замещениях атомов в структурах С14иС15

2.4 Расчет интенсивностей линий при упорядоченных замещениях атомов в структурах С14 и С15

2.5 Механизм формирования структуры PrFe§ 84 §3. Структура быстрозакаленных Рг и сплава Рг - 25 ат-Fe

3.1 Влияние чистоты празеодима на его структуру

в быстрозакаленных лентах

3.2 Влияние скорости закалки из жидкого состояния на структуру и полиморфные превращения высокочистого празеодима 101 3.3 Изучение структуры быстрозакаленного сплава Рг-25ат %Fe методом дифракции электронов

§4. Обсуждение результатов

Выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурные состояния в сплавах системы Pr-Fe»

Введение

Научно-технический прогресс предъявляет разнообразные требования к физическим свойствам материалов. Целенаправленный поиск веществ с комплексом определенных физических свойств невозможен без глубокого изучения физических процессов, происходящих в твердых телах.

В последние годы все возрастающий интерес вызывают редкоземельные металлы (РЗМ) и соединения на их основе, так как они обладают уникальными физико-химическими свойствами — магнитными, электрическими, сорбционными и другими. Поэтому РЗМ находят все больше областей практического использования: материалы для постоянных магнитов, люминофоры, лазеры, высокотемпературные оксидные сверхпроводники, аккумуляторы водорода, экологически чистые рефрижераторы и т.д.

Особенно интересными объектами для фундаментальных исследований являются соединения редкоземельных элементов с 3-е! металлами (Мп,№,Со,Ге), так как именно они обладают выдающимися магнитными свойствами и могут быть использованы в качестве материалов для постоянных магнитов. Наличие разнообразных фазовых переходов (структурных, магнитных, электрических) приводит к изменениям физических свойств, поэтому систематическое экспериментальное и теоретическое изучение фазовых переходов представляет актуальную задачу.

В последнее время предъявляются жесткие требования к чистоте РЗМ. Выпускаемые промышленностью РЗМ загрязнены относительно большим количеством примесных элементов, суммарное содержание которых достигает 1ат.%. Большое значение придается использованию очищенных РЗМ, так как наличие примесей ухудшает физические свойства. Налаженный в институте Металлургии РАН метод

о

очистки РЗМ позволяет изучать структурные и фазовые переходы в сплавах, исключая влияние большого числа примесей.

Сплавы РЗМ исследованы пока недостаточно широко, а к наименее изученным относятся сплавы "системы Рг-Ре, которая наряду с системой N(1-^ является важнейшей основой для синтеза сплавов с заданными магнитными свойствами. Известно, что празеодим может без ущерба для свойств постоянных магнитов заменять частично или полностью неодим. Создание магнитотвердых материалов с рекордными характеристиками требует достоверных знаний о фазовых состояниях в этой системе. Однако сведения о диаграмме фазового равновесия системы; Рг-Ре являются неполными и зачастую противоречивыми. Это касается, в первую очередь, вопроса о существовании в системе Рг-Ре интерметаллида РгРе2 и его структуре. Экспериментально факт его образование не подтвержден. Предполагаемая структура — типа фазы Лавеса С15 - также проблематична, так как интерметаллид Рг.Ре2 С15 был обнаружен только в образцах, синтезированных при высоком давлении. Имеющиеся в литературе данные по этой системе, в основном, получены методами ДТА (Дифференциальный Термический Анализ) и ТМА (Термический Магнитный Анализ) и требуют систематических структурных исследований.

В связи с этим, задачей настоящей работы является исследование дифракционными методами (рентгено-структурный анализ, электронная дифракция) структурных фазовых состояний в сплавах системы Рг-Ре с участием высокочистых компонентов в широком интервале концентраций. Конечной целью работы является уточнение равновесной диаграммы состояний системы Рг-Ре в области возможного существования соединения РгРв2.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Рыкова, Елена Анатольевна

Выводы

1. Построена уточненная фазовая диаграмма равновесных состояний системы Рг—Ре.

2. Доказано, что в системе Рг—Ре образуется интерметалл ид РгРег со структурой гексагональной фазы Лавеса С14.

3. Фаза РгРе2 при фазовом превращении в твердом состоянии формируется путем перехода через промежуточную неравновесную фазу РгРеб, а при кристаллизации из расплава - непосредственно в процессе кристаллизации.

4. Уточнены координаты базисных атомов интерметаллического соединения РгРеб типа ЬиМщ.

5.Предложены схемы перестройки структуры РгРе5 типа СаСщ в структуры РгРе5 типов ЬиМп$ и АиВе5 с использованием дополнительного механизма, связанного с неустойчивостью решетки РгРе5 типа АиВе§ к синусоидальной поперечной волне смещения атомов.

6. Быстрая закалка из расплава высокочистого празеодима в отличие от празеодима технической чистоты понижает симметрию рео шетки а — Рг и приводит к образованию модификации празеодима с тригональной сингонией.

7.Для быстрозакаленного дистиллированного празеодима существует критическая скорость закалки, выше которой стабилизируется 7 модификация празеодима.

В заключение выражаю искреннюю благодарность доктору физико-математических наук, профессору А.С.Илюшину и кандидату физико-математических наук, старшему преподавателю Н.А.Хатановой за постоянное внимание и помощь при выполнении данной работы. а,

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Рыкова, Елена Анатольевна, 1999 год

Литература

1. Bushow К., Intermetallic rare-earth compounds with Ni, Co, Fe.// Phys. Stat. Sol., 1971, vol.7a, N1, p.199-204

2. Ray A.E. Technical Rep. AFML-TR-69-239, 1969, p.1-13

3. Moffat W.G. The Handbook of Binary Phase Diagrams-General Electric Сотр. 1976-1981, v.2

4. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа. Справочник: Пер. с англ. М.Металлургия. 1985

5. Binary Alloy Phase Diagrams : Ed. Massalski T.B. -ASM

International, Materials park, Ohio, USA, 1986, p. 1754.

©

6. Терехова В.Ф., Маслов В.M.,Савицкий Е.М. Диаграмма состояний сплавов Fe-Nd.

Известия АН СССР , сер.Металлы, 1965, N3, с.128-130

7. Эмсли Дж." Элементы" М.:Мир, 1993

8. Спеддинг Ф.Х., Даан А.Х. Редкоземельные металлы. М: Металлургия. 1965

9. Савицкий Е.М. Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов. М:Наука, 1975

10. Шульце Г. Металлофизика. М:Мир. 1971

11. Тейлор К., Дарби М. Физика редкоземельных металлов. М:Мир, 1974

12. Donnay J.D.H., Сох * E.G., Kennad Olga, Crystal data determinater tables // monograf, number 5, published by American Crystallographic Accociation, 1963, p.743, p.869

13. Spedding F.H.jDaane A.H., Hermann K.W., The crystal structures and lattice parameteres of high-purity scandium, ittrium and the rare-earth met alls // Acta Cryst., 1956, vol.9, N7, p.559

14. Лысенко А.Б.Исследование структуры, механизма формирования и распада некристаллических фаз, синтезированных закалкой из жидкого состояния сплавов редкоземельных металлов: Диссертация канд.техн.наук. Днепропетровск, 1977

15. Гшнейднер К.А. Сплавы редкоземельных металлов. М:Мир, 1965

16. Handbook on the Phisics and Chemistry of Rare Earhs. Edited

e

by Gshneidner K.A.,Jr and L.Eyring. Noth-Holland publishing Company, 1978, p.215-231

17. Hodges C.H. Stability and axial ratios of various close-packed structures //Acta Metallurgica, 1967, v.15, N12, p.1787-1794

18. Falikov L.M., Goncalves da Silva C.E.T., Simple theory of the magnetic properties of Rare-Earth metals // Phys.Rev.Lett., 1971, vol.26, p.715

19. Gshneidner K.A.,Jr.,Valletta R.M., Concerning the crystal structure sequence in the lantanide metals and alloys; evidence for 4f contribution to the bonding. // Acta Metallurgy 1968, vol.16, p.477-484

20. Spedding F.H.,Hanak J.J.,Daane A.H.//J.Less-Common Metals, 1961,vol.3, p.110

21. Klem W.,H.Bommer // Chem, 1937, vol.231,p.l38

22. Bucher E., Chu C.W., Maita J.P., Andres K., Cooper A.S.,

©

Buehler E., Nassau K., Electronic properties of two new elemental ferromagnets fee Pr and Nd // Phys. Rev. Letters, 1969, vol.22, N23, p.1260-1263

23. Бадаева , Кузнецова Диаграммы состояния систем Th-Pr и Th-Nd // Известия АН СССР, Металлы и горное дело 1967, N1, с. 175

24. Смирнов Ю.Н., Прохоров И.А. Термическое расширение и кристаллическая структура Pr,Nd и Sm в интервале 87-1073 К. //ЖЭТФ, 1974,®т.63, N 3, с. 1017-1022

25. Финкель В.А. Структура редкоземельных металлов. М: Металлургия, 1978

26. Piermarini G.J., Weir С.Е. Allotropy in some rare-earth metals at high pressure // Science,1964,vol.144,p.69-71

27. Токов Е.Ю. Фазовые диаграммы элементов при высоком давлении. М:Наука, 1979

28. Yayaraman A.Handbook on the physics and chemistry of rare-earths. - North-Holland Publ.Comp., 1978, vol.8, p.715

29. Compton V.В.,Matthias B.T. Laves phase compounds of rare earths and hafnium. // Acta Cryst., 1962, vol.12, p.2, p.651-654

30. J.B.Friauf // J.Am.Chem.Soc., 1927, vol.49, p.3107

31. J.B.Friauf The crystal structure of magnesium di-zincide // Phys.Rev., 1927, vol.29, p.34

32. F.Laves et al. //Structurbericht,1931, vol.1, p.490

33. F.Laves, H.Witte // Metallwirschaft, 1935, vol.14, p.645

34. F.Laves // Metallwirschaft, 1936, vol.15, p.631

«

35. Н.В.Белов Структуры ионных кристаллов и металлических фаз. Изд-во АН СССР,1947

36. Илюшин А.С. Введение в структурную физику редкоземельных интерметаллических соединений. -М.:Изд-во МГУ, 1991

37. Elliot R.P. // Trans. Am. Soc. Metals, 53, 321, 1961

38. Elliot R.P., Rostorber W. // Trans. Am. Soc. Metals? 50, 617, 1958

39. Laves F. Witte H. // Metallwirschaft,15, 840, 1936

40. Berry R.L.,Raynor G.V. The crystal chemistry of the Laves-phases // Acta Cryst., 6,178,1953

41. Lieser K.H.,Witte H. Untersuchungen in den ternaren System Magnesium-Kupfer-Zink, Magnesium-Nickel-Zink und MagnesiumKupfer -Nickel// Zs.Metallkd,, 43, 396-401, 1952

42. Lieser K.H.,Witte H. // Zs.Phys.Chem.,,202, 321, 1954

43. Г.В.Рейнор Металловедение магния и его сплавов. Изд-во "Металлургия", 1964

44. Skrabek Е.А. Thesis Univ. of Pittsburg. 1962

45. Cannon J.F.,Robertson D.L., Hall H.T. Synthesis of lanthanide-iron Laves - phases at high pressures and temperature // Mater. Res. Bull., 1972. v. 7., N 1., p. 5-11.

46. Илюшин A.C. Структурные состояния квазибинарной системы

©

Er(Fei-xMnx)2 // Физика металлов и металловедение. 1977, т.43, с.1249

47. Jonson Q., Wood D. Н., Smith С. S., Ray A. E. Refinement of a Th2Znn//Acta Cryst., 1968., V. B24., p. 274-276. .

48. Ray A. E The crystal structure of CeFe7, PrFe7, NdFe-j and SmFe7. //Acta Cryst., 1966., V. 21., p.426-430

49. Виноградов С.И., Макаров Е.С. Кристаллическая структура T/i2Zni7 и U2Znl7. // Кристаллография, 1956, том 1, вып.6, с.635

50. Cromer D.T., Larson A.C., The crystal structure of Ce2Ni7. // Acta Cryst.,1959,vol.12,p.855-859

51. Nassau K. Imtermetallic compounds between länthanons and transition metals of the first long period // Phys. Chem. Solids, 1960, vol.16, p.123

52. Stadelmayer H,H., Schneider G., Ellner E. A CaCu5 -type Fe-Nd phase stabilised by rapid solidification. //J. Less-Common Met., 1986, vol.115, N2, p.Lll-L14

53. Coey J.M.D. // CEAM Newsletters, 1987, N7. p.3

54. Cabral F.A.O., Gama S.Magnetic behaviour of rare-earth binary compounds. // Ieee Trans. Magn., 1989, vol.25, N 5, p.3318-3320

55. Cabral F.A.O., Gama S. Evolution of stable and metastable phases and coercivity in rare-earth-reach alloys of the Fe-Nd and Fe-Pr systems. // Ieee Trans. Magn., 1990, vol.26, N 5, p.2622-2625

56. Cabral F.A.O., Gama S. Phase coexitens and coercivity in Fe-Nd and Fe-Pr systems. // J. Less-Common Met., 1990, vol.167, N1, p. 31-34

57. Landgraf F.J.G.,Schneider G.S., Villas-Boas V.," Missell F.p. Solidification and solid state transformation in Fe-Nd. //J. Less-Common Met., 1990, vol.163, p.209-218

58. Moreau J.M., Missel F.p., Schneider G.S., Villas-Boas V. A new phase in the Fe-Nd system: crystal structure of Nd^Feyj. // J. Less-Common Met., 1990, vol.163, p.245-251

59. Landgraf F.J.G.,Missell F.P. et.al. Magnetic and structural characterization of Nd5Fei7. J.Appl.Phys., 1991, vol.70, N10, pt.2, p.6125-6127

60. Hennemann K., Lukas H.L., Shaller H.-J. Constitution and thermodinamics of Fe-Nd alloys // Z.Met.kd., 1993, vol.84, N10, p.668-774

61. Neiva А.С., Landgraf F.J.G. et.al. Proceeding of the 6th International Symposium of Magnetic anysotropy and coersivity in Rare Earf. //

Transition Metall Alloys, Pittsburg, 1990, vol.2, p.236-249. _ •

62. Delamare J., Lemarchand D., Viger p. Structural investigation of the metastable compound Al in as-cast Fe-Nd eutectic alloy // J.Alloys Compd., 1995, vol.216, N2, p.273-280

63. Schneider G., Martinek G., Stadelmaier H.H., Petzov G. High magnetic coercivity due to a new phase in cast eutectic Fe-Nd alloys // Mater. Lett., 1988, vol. 7, p 215-218

64. Schneider G., Hening E.-Th, Petzov G., Stadelmaier H.H. // Proc. 5th Symp. on Magnetic Anisotropy and Coercivity in Rare-Earth Metal Alloys, Bad Soden, 1987, p.347-362

65. Ping Hu Bo, Coey J.M.D., Cardin C.J. et.al. Ferromagnetic neodimium iron-oxide //J. Less-Common Met., 1988', vol.144, p.L29-L31

66. Givord D., Nozieres J.P. //J. of Alloys and Compounds, 1991, v.176, N2, p.L5-L11

67. Yoshiki S., Adachi H., Ichinose H. et.al. Structure of melt-quenched Pr-Fe alloys of the magnetisation based on super-magnetism. Mater.Trans.JIM 1998,vol.39, Nl,p.l02-109.

68. Бурханов Г.С.,Чистяков О.Д., Терехова В.Ф., Кольчугина Н.Б. Получение высокочистых и монокристаллических редкоземельных металлов //в сборнике Высокочистые и монокристалличес-

а,

кие металлические материалы М: Наука, 1987

69. Савицкий Е.М., Терехова В.Ф., Наумкин О.П. Физико-химические свойства редкоземельных металлов, скандия и иттрия // Успехи Физических Наук, 1963, т.79, вып.2, с.263-293

70. Глушкова В.Б. Полиморфизм окислов редкоземельных элементов Ленинград: Наука, 1967

71. М.М.Уманский Аппаратура рентгеноструктурных исследований М: Физматгиз, 1960

72. Сандомирский М.М.,Завьялов А.С. О растворимости редкоземельных элементов в железе. Известия АН СССР, сер.Металлы, 1967, N1, с.147-149

73. Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. М.,Изд-во Моск.Ун-та,1978

74. Китайгородский А.И. Рентгеноструктурный анализ. М:Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1950 9

75. Миркин JI. И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М.: Физматгиз, 1961.

76. Утевский JI.M. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. M : Металлургия, 1973

77. Гинье А. Рентгенография кристаллов. М.: Физматгиз, 1961.

78. Теслюк М.Ю. Металлические соединения со структурами фаз Ла-веса. Москва: Наука, 1963.

79. Wang F.Е., Glifrich J.V. The crystal structures of ЬиМщ and RMn12 compounds //Acta Cryst., 1966. v. 21. P. 476-480

80. International Tabellen zur Bestimmung von Kristallstrukturen. Gebruder borntraeger, Berlin,1935

81. Матюшенко H.M. Кристаллические структуры двойных соединений. Справочник. M.: Металлургия, 1969

82. D.De Fontain, N.T. Patón, J.C. Williams The omega phase transformation in titanium alloys as an example of displacement controlled reaction // Acta Metall., 1971, v.19, p.1153

83. Бурханов Г.С., Чистяков О.Д., и др. Получение и исследование физических свойств особо чистых и монокристаллических РЗМ, их сплавов и соединений : Отчет о научно-исследовательской работе. ИМЕТ АН СССР, 1990

в

84. Уманский Я.С.,Финкельштейн Б.Н., Блантер М.Е. Физические основы металловедения (Атомное строение сплавов) М:Металлургиздат, 1949

85. Бурханов Г. С., Илюшин А. С., Кольчугина Н. Б., Рыкова Е. А., Хатанова H.A., Чистяков О. Д. Влияние чистоты празеодима на его структуру в быстрозакаленных лентах //Высокочистые вещества, 1993, N1, с.50-53

86. Бурханов Г. С., Илюшин А. С., Кольчугина Н. Б., Рыкова Е. А., Хатанова H.A., Чистяков О. Д. О структуре высокочистого быстрозакаленного празеодима //Высокочистые вещества, 1993, N2, с.40-43

87. Илюшин А. С., Хатанова H.A., Рыкова Е. А Кольчугина Н. Б., Чистяков О. Д., Бурханов Г. С. Электронно-дифракционное определение структуры фаз в сплавах Pr-Fe // Вестник Моск.Ун-та,

Серия 3 Физика Астрономия, 1993, N6, с.95-97.

©

88. Илюшин А. С., Хатанова H.A., Рыкова Е. А Равновесная диаграмма состояний системы Pr-Fe по данным электронной дифракции // Вестник Моск.Ун-та, Серия 3 Физика Астрономия, 1994, N5, с.88-91.

89. Бурханов Г. G., Илюшин А. С., Кольчугина Н. Б., Рыкова Е. А., Хатанова H.A.,®Чистяков О. Д. Равновесные и метастабильные фазы в сплавах Pr-Fe // Известия АН, Металлы, 1994, N5, с.163-169.

90. Рыкова Е. А, Хатанова H.A., Илюшин А. С. Структура PrFe$ в

»

системе Pr-Fe // Вестник Моск.Ун-та, Серия 3 Физика Астрономия, 1997, N3, с.33-37.

91. Бурханов Г. С., Илюшин А. С., Кольчугина Н. Б., Рыкова Е. А., Хатанова H.A., Чистяков О. Д. Структурные состояния в сплаве Pr-77 aT.%Fe, выше 620°С // Известия РАН, Металлы, 1997, N 2, с. 152-157.

92. Бурханов Г.С., Илюшин A.C., Кольчугина Н.Б., Рыкова Е.А., Хатанова H.A., Чистяков О.Д. К вопросу о существовании интерме-таллида PrFe5 в системе Pr-Fe // Известия РАН, Металлы, 1998, N2, с.88-91

93. Рыкова Е. А., Хатанова H.A., Илюшин А. С. Формирование структур PrFe2 и PrFe*, в системеРг-Fe // Национальная Кристалло-химическая конференция, 24-29мая 1998г, Черноголовка, тезисы докладов, часть 2, с.324

94. Илюшин А. С., Хатанова H.A., Рыкова Е. А Механизм формирования структуры PrFe$ // Кристаллография, 1998, том 43, N5, с.882-886

95. Тейлор К. Интерметаллические соединения редкоземельных металлов. М: Мир, 1974 »

96. Чернов Д.К. Избранные труды по металлургии и металловедению. М: Наука, 1983

97. Тамман Г. Металловедение. Химия и физика металлов и их сплавов. 1935 Гл. редакция лит-ры по черной металлургии. Москва-Ленинград

98. Scott М. Thermal stability and crystallization of metallic glasses // Rapidly Quenched Metals III, 1978, v.2, p. 198-213