Изучение упругих свойств минералов при высоких давлении и температуре на примере вюстита и железо-никелевого сплава

Глава 4. Скорости волн в Fe-Ni сплаве при высоких давлении и температуре.

В Главе 4 <Скорости волн в Fe-Ni сплаве при высоких давлении и температуре> представлены современные литературные данные по изучению упругости металлов и приведены собственные результаты измерения скоростей волн в железо-никелевом сплаве при высоких давлении и температуре.

Физические свойства различных фаз чистого железа Fe-Ni сплавов, и особенно скорости сейсмических волн при высоких давлении и температуре, представляют интерес для геофизики, так как сейсмические данные являются основой наших представлений о строении земного ядра, вещество которого находится вне досягаемости для исследователей. Поэтому фазовые отношения, термические уравнения состояния и параметры упругости железа и железо-никелевых сплавов при высоких давлении и температуре необходимы для интерпретации сейсмологических и магнитометрических данных и для построения моделей внутреннего строения Земли, а также планет земной группы. В то время как свойства чистого железа стали предметом многочисленных экспериментальных исследований при высоких P-T условиях, работ по изучению Fe-Ni сплавов существенно меньше. Фазовая диаграмма Fe-Ni сплавов при высоком давлении все еще до конца не ясна, и относительная стабильность α (ОЦК), γ (ГЦК) и ε (ГПУ)-фаз все еще дискутируется даже для сплавов с низким (до 25 ат%) содержанием никеля.

С целью пролить свет на указанные выше проблемы мы предприняли in situ измерения скоростей звуковых волн при высоком давлении и температуре посредством неупругого рассеяния рентгеновских лучей на поликристаллическом образце сплава Fe_0,78Ni_0,22.

Рентгеновская дифракция Fe-Ni сплава измерялась при высоком давлении и температуре на станции BM01 ESRF. Было выявлено, что стабильной фазой Fe_0,78Ni_0,22 сплава при высоком давлении является γ (ГЦК) фаза. Кольца Дебая-Шеррера на дифракционной картине не имеют ярких точек, и радиальное распределение интенсивности является относительно гомогенным, что свидетельствует об отсутствии выраженной текстуры образца. Мёссбауэровский спектр γ-фазы Fe_0,78Ni_0,22 сплава (обогащенного изотопом ⁵⁷Fe), полученный при 23 ГПа, показывает практическое отсутствие сверхтонких магнитных взаимодействий.

Экспериментально полученные отношения давление - удельный объем при комнатной температуре и при 715 К были использованы для расчета методом наименьших квадратов параметров уравнения состояния Берча-Мурнахана третьей степени:

K300=161,6(2) ГПа, K'300=4,97(1), V300=6,89(1) см3/моль, K715=160 (1) ГПа, K'715=4,97(2), V715=6,96(1) см3/моль.

Эти параметры использовались для расчета давления и модуля сжатия K из объема, определенного для каждой точки в эксперименте по неупругому рассеянию, который был проведен на станции ID28 Европейского центра синхротронного излучения ESRF в Гренобле (Франция). Серия высокобарных экспериментов при 300 и 715 К была проведена до давления 72 ГПа.

На рисунке 8 показан характерный спектр фононного рассеяния, собранный при давлении 20,4 ГПа. Точное значение максимумов рассеяния, соответствующих энергии фононов определялось с помощью МНК-разложения на несколько пиков, каждый из которых являлся суммой функций Лоренца и Гаусса.

Помимо основного пика упругого рассеяния при нулевом значении энергии отчетливо проявлены три стоксовских пика: продольно поляризованный (LA) фонон Fe_0,78Ni_0,22 сплава, LA-фонон фторида лития и поперечно поляризованный (TA) фонон алмаза при более высоких значениях энергии (см. рис. 8). Поперечно поляризованный фонон Fe_0,78Ni_0,22 сплава не мог быть достоверно определен из наших экспериментальных спектров, и только скорости первичных (продольных) волн были получены непосредственно из эксперимента по неупругому рассеянию. Скорости поперечных волн были найдены из соотношения:

где ρ - плотность, а K - модуль сжатия. Величины K для каждого данного значения плотности были рассчитаны из параметров уравнения состояния.

Скорости сейсмических волн как функции плотности показаны на рисунке 9. Известное линейное соотношение V_P и ρ (так называемое правило Берча), которое широко используется для экстраполяции экспериментальных наблюдений, в пределах ошибки измерений выполняется и дляFe_0,78Ni_0,22 сплава. Существенных различий скоростей волн в Fe_0,78Ni_0,22 сплаве и чистом ε-Fe не наблюдалось, хотя анизотропия скоростей волн в гексагональной и кубической фазах должна быть существенно различной, поэтому вопрос о присутствии в ядре Земли кубической, гексагональной или смеси фаз может быть решен лишь измерением сейсмический анизотропии.

Как проведенные нами, так и предыдущие исследования [6,7], все еще не дают ясной картины взаимоотношения двух основных фаз (α и γ) Fe-Ni сплавов при высоком давлении для различного содержания Ni. Тем не менее, вполне вероятно, что даже малые вариации содержания никеля могут существенно изменять поле стабильности γ-фазы Fe-Ni сплава. Это означает, что указанная проблема требует дополнительных систематических исследований структуры и свойств железоникелевых сплавов в широком диапазоне давления, температуры и составов с использованием различных методов и подходов, в том числе и теоретических.