EFECTOS DE IRRADIACI N CON IONES EN ?-Cu-Zn-Al

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
EFECTOS DE IRRADIACIÓN CON IONES EN β-Cu-Zn-Al
E. Zelaya(1),# , A. Tolley(2),#, A. M. Condó(3),#, F.C. Lovey(4), P. Fitchner(5) y P. B. Bozzano(6)
(1)
I.B. CAB, Av. Bustillo 9500, 8400 S. C. de Bariloche, Argentina, [email protected]
I.B. CAB, Av. Bustillo 9500, 8400 S. C. de Bariloche, Argentina, [email protected]
(3)
I.B. CAB, Av. Bustillo 9500, 8400 S. C. de Bariloche, Argentina, [email protected]
(4)
I.B. CAB, Av. Bustillo 9500, 8400 S. C. de Bariloche, Argentina, [email protected]
(5)
Instituto de Física, Universidade Federal do Río Grande do Sul, 90000 Porto Alegre, RS, Brasil,
[email protected]
(6)
Departamento de Materiales, CAC, Av. General Paz 1499, 1650 San Martín, Buenos Aires, Argentina,
[email protected]
# CONICET
(2)
RESUMEN
En este trabajo se estudiaron los efectos producidos por la irradiación con iones de Cu de 170 keV en
monocristales de Cu-Zn-Al en fase β. La superficie del monocristal era cercana a (0 0 1). Se analizó el cambio
en la microestructura y la composición inducido por la irradiación mediante microscopía electrónica de
transmisión (TEM). Se observó la formación de defectos en la superficie de la muestra y se caracterizó la
morfología y composición de los mismos.
Palabras Claves: Transformaciones de fase, Irradiación, TEM, CuZnAl.
1. INTRODUCCIÓN
La irradiación con partículas capaces de producir
desplazamientos de los átomos de un material
introduce defectos fuera del equilibrio termodinámico,
que tienen influencia sobre las propiedades y
transformaciones de fase del material. Por lo tanto, los
cambios
microestructurales
provocados
por
irradiación proveen información sobre la estabilidad
del material que es complementaria a la que se puede
obtener por tratamientos termomecánicos [1]. Las
aleaciones de base cobre son un sistema modelo para
el estudio de la estabilidad de fases. Este sistema
presenta una gran variedad de transformaciones de
fase, difusivas y displacivas. El conocimiento
detallado de la estabilidad relativa de las fases tiene
interés académico, pero es también requerido para un
amplio espectro de aplicaciones tecnológicas.
En el sistema Cu-Zn-Al, para determinado rango de
composiciones, es posible retener en forma
metaestable a temperatura ambiente la fase β, de
estructura L21. Esta fase presenta transformaciones
difusivas por envejecimiento a temperaturas mayores
a 200 ºC a las fases α y γ de equilibrio y
transformaciones displacivas (martensíticas) a
estructuras compactas a temperaturas menores. La
irradiación con iones de Cu de 300 keV induce
cambios en el grado de orden de largo alcance de
primeros y segundos vecinos, e induce la precipitación
de la fase γ [2,3]. Se ha observado también la
formación de una fase compacta en muestras
monocristalinas irradiadas cuya superficie tiene
orientación cercana al plano (001), por irradiación con
iones de Cu de 300 keV [2] y con iones de Ar de 30
keV [3]. El estudio de este último efecto, que no ha
sido tratado en detalle hasta el momento, es lo que
motiva el presente trabajo.
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2.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Se
preparó
una
aleación
(Cu
- 22.7%at Zn - 12.7%at Al) con metales de alta
pureza. Se creció un monocristal mediante la técnica
Bridgman, templándolo en agua. Se realizó un
tratamiento de homogeneización de 24 horas a 850°C.
Seguidamente, se orientó dicho monocristal en la
dirección cercana a [0 0 1] mediante la técnica de
Laue por difracción de RX. Se cortaron discos de 3
mm de diámetro y se rebajó el espesor a 0.2 mm
aproximadamente mediante pulido mecánico.
Una de las caras de cada disco fue preparada para la
irradiación por medio de electropulido utilizando una
unidad TENUPOL 3, usada habitualmente para la
preparación de muestras para microscopía electrónica
de transmisión. Las muestras fueron irradiadas con
iones de Cu de 170 KeV, a temperatura ambiente en el
implantador del Instituto de Física UFRGS de Porto
Alegre. Se emplearon tres dosis de fluencia diferentes:
8.1013 iones/cm2, 4.1014 iones /cm2 y 8.1014 iones
/cm2. La penetración de los iones de Cu de 170 keV,
calculada con el código TRIM, es de 500 Å. La
sección eficaz de desplazamiento promedio en ese
espesor es de σd = 3. 10-15 cm-2.
Después de la implantación de iones se cubrió la cara
irradiada de cada disco con laca. Se preparó la lámina
delgada para observación en TEM por electropulido
desde la cara no irradiada. Las observaciones que
comprenden a la caracterización de la microestructura
de las muestras irradiadas fueron realizadas con un
microscopio electrónico de transmisión Philips CM
200 UT operado a 200 KeV. En tanto las mediciones
de composición fueron realizadas en un microscopio
electrónico de transmisión Philips CM 200 ST
operado a 200 KeV, en el Departamento de Materiales
del CAC en Buenos Aires.
3.
[010]
[100]
Figura 1. Micrografía en campo claro de una muestra
irradiada con una fluencia de 8.1014 iones/cm2. Se
observan defectos de morfología rectangular con
estrías en la dirección [110]. También se observan
partículas cuadradas, en menor abundancia, indicadas
con flechas.
En las muestras en donde la implantación fue de
4.1014 iones/cm2 se observaron defectos similares en
cuanto a la orientación cristalográfica de las caras,
pero de menor tamaño: (120 ± 40) nm por (110
± 40) nm (Figura 2).
RESULTADOS
En las muestras irradiadas con una fluencia de
8.1014 iones/cm2, se observó una gran cantidad de
defectos de forma rectangular con caras paralelas a las
direcciones [010] y [100]. El tamaño medio de estos
defectos para cada una de las direcciones es de (200 ±
90) nm por (100 ± 50) nm respectivamente. Además,
estos defectos poseían una alta densidad de estrías
paralelas a la dirección [110] (Figura 1).
[010]
[100]
Figura 2. Micrografía en campo claro de una muestra
irradiada con una fluencia de 4.1014 iones/cm2. Se
observan defectos de morfología rectangular. En esta
muestra, también se observan partículas cuadradas,
indicadas con flechas.
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Observaciones con microscopía electrónica de barrido
indicaron que estos defectos se encuentran sobre la
superficie irradiada de la muestra. En las muestras
irradiadas con 8.1013 iones/cm2, se observó, mediante
microscopía electronica de barrido la presencia de una
baja densidad de defectos. Estos presentaban una
morfología similar pero de menor tamaño al
encontrado en las muestras irradiadas con mayores
dosis.
040
-220
400
En muestras correspondientes a las dos fluencias más
altas (4.1014 y 8.1014 iones/cm2), estudiadas con TEM
se observaron también partículas de forma cuadrada
con caras paralelas a las direcciones [110] y [1-10]
(indicadas con flechas en la Figura 1 y la Figura 2).
Estas partículas tenían el mismo tamaño medio de
(44 ± 4) nm de lado en muestras de ambas dosis.
Por medio de la técnica de estereoscopia con
imágenes de TEM en las muestras irradiadas con
8.1014 iones/cm2 y 4.1014 iones/cm2, se verificó que las
partículas de morfología rectangular estaban
depositadas sobre la cara irradiada. En cambio, las
partículas menos abundantes de forma cuadrada
evidenciaban estar incluidas dentro del espesor de la
lámina.
El patrón de difracción de las muestras irradiadas
observadas en el microscopio electrónico de
transmisión mostró reflexiones adicionales (Figura 3)
respecto de la muestra no irradiada (figura 4).
220
Figura 4. Patrón de difracción a lo largo del eje de
zona [001] de una muestra de Cu-Zn-Al no irradiada.
La figura 5 muestra una imagen obtenida en condición
de campo oscuro con la reflexión adicional indicada
en la figura 3. Esto implica que las partículas de
morfología rectangular están asociadas a las
reflexiones adicionales del patrón de difracción, cuya
estructura guarda una relación de orientación definida
con la matriz.
[010]
040
[100]
-220
220
400
Figura 3. Patrón de difracción a lo largo del eje de
zona [001] de una muestra irradiada con 8.1014
iones/cm2. Se observan varias reflexiones adicionales
en comparación con el patrón de difracción de una
muestra no irradiada.
Figura 5. Micrografía en campo oscuro de una
muestra irradiada con una fluencia de 4.1014
iones/cm2 obtenida a partir de la reflexión adicional
indicada en la figura 3. Se observan los defectos de
morfología rectangular con estrías paralelas a la
dirección [110].
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En
una
de
las muestras irradiadas con
8.1014 iones/cm2, se analizó la composición de las
partículas de morfología rectangular mediante la
técnica de XEDS. Se midió la composición en
partículas que asomaban claramente al borde del
agujero de la muestra y se comparó con la
composición de la matriz en una posición contigua al
defecto analizado y al borde del agujero.
La tasa de conteo era siempre superior dos o tres
veces en las partículas que en la matriz. Esto indica
que el espesor de la zona del defecto era mayor. Se
observaron picos correspondientes al Cu, Zn y Al en
todos los espectros, también se observaron picos de
menor altura correspondientes al O y al C (Figura 6).
Figura 6. Espectro perteneciente a un defecto y la
matriz contigua al mismo en una muestra irradiada
con 8.1014 iones/cm2. Puede notarse un incremento en
la intensidad de los picos de Cu en relación a los de
Zn y Al en el espectro del defecto.
Se cuantificó el porcentaje atómico de cobre, zinc y
aluminio a partir de los espectros, suponiendo que
estos tres elementos son los únicos presentes en la
muestra. Los resultados de la cuantificación se
muestran en la tabla I. El principal resultado que
arrojan estas mediciones es la diferencia de
composición existente entre la partícula y la matriz. Se
puede notar que el contenido de aluminio es similar y
el contenido de Cu es mayor en el defecto. También se
analizó la composición de las muestras de morfología
cuadrada (señaladas en las figuras 1 y 2). Dentro del
error experimental no se detectó diferencia en
composición entre la matriz y estas partículas.
Tabla I. %at de Cu, Zn y Al en el defecto y en la
matriz junto al defecto medido para 13 partículas
diferentes.
#
En el defecto
En la matriz
% at
Cu
% at
Zn
% at
Al
% at
Cu
% at
Zn
% at
Al
1
81
15
4
67
28
5
2
82
14
4
70
25
5
3
85
12
3
68
26
6
4
79
16
5
72
22
6
5
82
14
4
74
19
7
6
81
15
4
70
24
6
7
88
10
2
67
28
5
8
79
17
4
69
25
6
9
76
19
5
69
24
7
10
76
19
5
70
24
6
11
81
17
2
68
29
3
12
83
14
3
69
24
7
13
84
13
3
69
25
6
4.
DISCUSIÓN
En este trabajo se ha documentado la formación de
partículas por irradiación con iones de Cu de 170 keV
sobre la superficie (001) en mococristales de fase β en
una aleación de Cu-Zn-Al. Se observaron dos tipos de
partículas. Uno, de morfología aproximadamente
rectangular, que produce reflexiones características en
el patrón de difracción, y otro tipo de partículas,
minoritarias, de morfología cuadrada. En trabajos
previos se han observado similares reflexiones
adicionales en el patrón de difracción [001] por
irradiación con iones de Cu de 300 keV [2], por
irradiación con iones de Ar de 30 keV [4] (ambos en
la fase β de Cu-Zn-Al), y por dezincado de una
aleación binaria Cu-Zn en fase β, recocida 450°C en
vacío [5]. En las referencias [4]. y [5]. se interpretaron
las reflexiones adicionales como provenientes de la
formación de una estructura compacta en la superficie
de la muestra, con los planos compactos
perpendiculares a la superficie y paralelos a los planos
de tipo (110) y (1-10) de la matriz. Un caso similar
podría estar pasando aqui.
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Si bien las reflexiones adicionales en el patrón de
difracción son muy similares, la morfología de las
partículas que dan origen a estas reflexiones era
irregular en las muestras de Cu-Zn dezincadas era
irregular, sin facetas definidas. En los experimentos
de irradiación de la referencia [4], se observaron dos
variantes interpenetradas de estructura compacta que
cubrían completamente la superficie, formando un
bicristal. La fluencia de irradiación en ese trabajo era
de 3.1015 iones /cm2, casi cuatro veces superior a la
máxima fluencia utilizada en el presente trabajo de
8. 1014 iones / cm2.
En este trabajo, se constató que las partículas
formadas por irradiación efectivamente se encuentran
sobre la superficie irradiada de la muestra y se
determinó que las mismas tienen una composición
diferente a la matriz, enriquecida en Cu. Si bien, en
los experimentos de dezincado (en la referencia [5])
no se determinó la composición de las partículas, es
de esperar, por la naturaleza del experimento, que
dichas partículas también tengan un menor contenido
de Zn.
5.
CONCLUSIONES
−
En muestras monocristalinas de Cu-Zn-Al con
orientación de la superficie cercana al plano (001)
de la matriz, se observó la formación de dos tipos
de partículas por irradiación con iones de Cu de
170 KeV: unas con morfología rectangular con
lados paralelos a las direcciones cristalográficas
[100] y [010] y otras, minoritarias, con
morfología cuadrada, de lados paralelos a las
direcciones [110] y [-110].
−
Se constató que las partículas rectangulares se
encuentran sobre la superficie irradiada de la
muestra. El tamaño de éstas aumenta con la
fluencia de irradiación, y respecto de la matriz
presentan estrías paralelas a las direcciones [110]
y [1-10] y la composición es más rica en Cu.
−
Las partículas cuadradas son de tamaño menor a
las rectangulares, están contenidas en la lámina y
tienen la misma composición que la matriz.
−
Las partículas rectangulares tienen estructura
similar pero morfología diferente a aquéllas
encontradas en experimentos de irradiación en
condiciones similares, y en experimentos de
dezincado. El origen de esta diferencia se
encuentra actualmente en estudio.
6.
REFERENCIAS
[1]
K. C. Russell,Phase stability under irradiation,
Prog.. Mater. Sci., 28, 1984, pp 229.
[2]
A. Tolley and C. Abromeit, Scr. Metall. Mater.
32, 1995, pp 925-930.
[3]
A. Tolley and C. Abromeit, Acta Microscópica
5, 1996, pp 272-273.
[4]
A.J. Tolley y E. A Sanchez, Latin American
Applied Research, 32, 2002, pp. 317-320.
[5]
H.E.Troiani, A. Tolley y M. Ahlers; Phil. Mag.,
80 A, 2000, pp 1379-1391.