2.2 Методы исследования полученных образцов

На первом этапе образцы, полученные в результате экспериментов, исследовали с помощью оптического микроскопа МБС – 9. Эти исследования позволяли составить схему образца, а также отобрать пробы для их изучения на микрозонде и электронном микроскопе.

Химический состав образцов определяли методом микрозондового анализа при помощи анализатора «Camebax-Micro». Съемка осуществлялась при ускоряющем напряжении 20 кВ, токе зонда 20 нА, времени счёта 10 сек. на каждой аналитической линии и диаметре зонда из пучка электронов 2-4 мкм.

Исследование фазовых взаимоотношений в продуктах экспериментов, а также полуколичественное определение состава полученных фаз проведено при помощи электронного микроскопа TESCAN MIRA 3 LMU. Объектами для электронной микроскопии являлись как образцы со сколотой поверхностью, так и аншлифы (шашки для микрозондового анализа). Для определения состава исследуемых фаз записывали энергетические дисперсионные спектры.

При подготовке шашек для микрозондового анализа возникала проблема выкрашивания зёрен из образцов. Для предотвращения выкрашивания образцы, перед их установкой в шашку, пропитывались нагретой до 45-50°С эпоксидной смолой. Далее проводили пришлифовку образцов с применением тонких наждаков, а затем полировку шашек с использованием тонких алмазных порошков и паст.

Глава 3. Результаты экспериментов в системах Fe2o3-SiO2-Fe3c-MgO и Fe2o3-Fe3c при давлении 6,3 гПа, в интервале температур 1000-1600оС

В исследуемых системах предполагались следующие схемы взаимодействия:

3Fe₂O₃+Fe₃C=9FeO+C

Fe₂O₃+Fe₃C+SiO₂+MgO=(Mg,Fe)O+(Mg,Fe)₂SiO₄+C

Химический состав фаз представлен в таблицах 3.2, 3.3.

Как отмечалось в предыдущей главе, основной методической задачей в ходе проведения экспериментов в железистой системе являлся выбор материала ампул. В ходе проведения серии экспериментальных исследований, при давлении 6,3 ГПа и интервале температур 1000-1600 ^оС, были использованы ампулы из:

1. MgO

2. Тальковая керамика

3. Графит

Таблица 3.1 Результаты экспериментов при 6,3 ГПа, в системах Fe3C+Fe2O3 и Fe3C+Fe2O3+MgO+SiO2
Система Fe3C+Fe2O3
№ эксп.	Т,ºС	t, час	Материал ампулы	Полученные фазы
1603/2-А4	1000	18	Gr	Ws+C(графит)
1593/2-А4	1100	20	Ta	Ol+OPx+MWs
1592/2-А4	1200	20	Ta	OPx+C(графит)
1599/2-А4	1300	18	Gr	Ws+C(графит)
1588/2-В	1400	18	MgO	MWs+C(графит)
1598/2-В	1500	18	Gr	Ws+Coh+C(графит)
1602/2-А4	1600	18	Gr	Ws+Coh+C(графит)
Система Fe3C+Fe2O3+MgO+SiO2
№ эксп.	Т,ºС	t, час	Материал ампулы	Полученные фазы
1603/2-А5	1000	18	Gr	MWs+OPx+Ol+Co+C(графит)
1593/2-А5	1100	20	Ta	MWs+Ol+OРx+С(графит)
1592/2-А5	1200	20	Та	MWs+OPx+Ol+C(графит)
1599/2-А5	1300	18	Gr	MWs+Ol+Coh+C(графит)
1588/2-С	1400	18	MgO	MWs+Ol+C(графит)
1598/2-С	1500	18	Gr	MWs+Ol+Coh+L(sil-ox)+C(графит)
1602/2-А5	1600	18	Gr	MWs+Ol+Coh+L(sil-ox)+C(графит)
Примечаение: Ol - оливин, OPx - ортопироксен, Co - коэсит, MWs - магнезиовюстит, Ws - вюстит, Coh - когенит, L(sil-ox) - силикат-оксидный расплав

Экспериментальные исследования, проведенные с использованием ампул из MgO.

Эксперимент 1588/2-В, Т=1400ºС. Система Fe₂O₃-Fe₃C

Образец, 1588/2-В, состоит из поликристаллического агрегата магнезиовюстита, образовавшегося в результате взаимодействия материала ампулы и модельной смеси. Также в образце установлены отдельные кристаллы и небольшие агрегаты графита (рис. 3.1).

Состав магнезиовюстита неоднороден, содержание FeO увеличивается от контакта с ампулой, к центру реакционного объема ампулы. Кристаллы изометричные (округлые), размером 50-150 мкм.

Эксперимент 1588/2-С, Т=1400ºС. Система Fe₂O₃-Fe₃C-SiO₂-MgO

Образец 1588/2-С состоит из поликристаллического агрегата оливина и магнезиовюстита, для него характерно зональное строение, где можно выделить две зоны. Первая зона расположена в центральной части реакционной ампулы и занимает примерно 85% реакционного объема. Она представлена поликристаллическим агрегатом магнезиовюстита и оливина. Вторая зона, образовавшаяся скорей всего при взаимодействии ампулы, с исходными реактивами, представлена блоковым агрегатом магнезиовюстита, она находится на контакте образца с ампулой (рис.3.2).

Кристаллы магнезиовюстита в первой и второй зоне изометричные, размер кристаллов 30-70 мкм. Концентрация FeO в магнезиовюстите увеличивается от контакта с ампулой к центральной части реакционного объема.

Кристаллы оливина изометричные, размер кристаллов 40-120 мкм, состав оливина однороден во всем объеме ампулы, содержание FeO варьирует в пределах 44-45 вес.%.

В двух зонах установлены кристаллы графита размером 30-50 мкм. Отдельные кристаллы имеют размер 150 мкм.

Экспериментальные исследования, проведенные с использованием ампул из тальковой керамики.

Эксперимент 1593/2-А4, Т=1100ºС. Система Fe₂O₃-Fe₃C

Образец из эксперимента 1593/2-А4 состоит из поликристаллического агрегата ортопироксена, оливина и магнезиовюстита. Фазы в агрегате распределены неравномерно (рис. 3.4a, 3.4b). Можно выделить три зоны: первая зона преимущественно состоит из оливина, вторая из ортопироксена и третья из магнезиовюстита. Ортопироксен и оливин образовались при взаимодействии материала ампулы с продуктами исследуемой реакции.

Кристаллы оливина изометричные, размером 100-200 мкм, они занимают около 19% объема реакционной ампулы, концентрация FeO в фазе 42 вес.%. Магнезиовюстит представлен линзовидным агрегатом, кристаллы изометричные, размер кристаллов 80-120 мкм, фаза занимает около 10% объема реакционной ампулы. Ортопироксен занимает большую часть объема, кристаллы короткопризматические до изометричных, размером 60-90 мкм.

Эксперимент 1592/2-А4, Т=1200ºС. Система Fe₂O₃-Fe₃C.

В образце 1592/2-А4, взаимодействие между материалом ампулы и исходными реактивами привело к полному исчезновению магнезиовюстита и оливина. Реакционный объем ампулы полностью сложен короткопризматическими кристаллами ортопироксена, размером 50-70мкм (рис. 3.4c). Состав фазы однороден во всем объеме ампулы.

Эксперимент 1593/2-А5, Т=1100ºС. Система Fe₂O₃-Fe₃C-SiO₂-MgO

Образец 1593/2-А5 состоит из поликристаллического агрегата ортопироксена (рис. 3.4d). Кристаллы короткопризматические, изометричные, размером 50-70 мкм, встречаются отдельные призматические кристаллы ортопироксена, размером до 150 мкм, по удлинению.

b

a

Рис. 3.1 РЭМ-микрофотографии фрагментов реакционной ампулы эксп. 1588/2-В (система Fe₃C-Fe₂O₃, T=1400ºC): а – Пришлифованная поверхность реакционной ампулы, вертикальное сечение. b – кристаллы графита в агрегате магнезиовюстита. Рис.

b

a

Рис. 3.2 РЭМ-микрофотографии фрагментов реакционной ампулы эксп. 1588/2-С (система Fe₃C-Fe₂O₃-SiO₂-MgO, T=1400ºC): а – Пришлифованная поверхность реакционной ампулы, вертикальное сечение. b – мелкокристаллические агрегаты графита в поликристаллическом агрегате магнезиовюстита и оливина. Рис.

b

a

c

Рис. 3.3 Энергетические дисперсионные спектры продуктов экспериментов, проведенных с использованием ампул из MgO, при давлении 6,3 ГПа и температуре 1400ºC:

а – Магнезиовюстит (№1588/2-B, система Fe₃C-Fe₂O₃)

b – Магнезиовюстит (№1588/2-С, система Fe₃C-Fe₂O₃-SiO₂-MgO)

с – Оливин (№1588/2-С, система Fe₃C-Fe₂O₃-SiO₂-MgO)

с

Рис. 3.4 РЭМ-микрофотографии фрагментов реакционных ампул:

а – Пришлифованная поверхность реакционной ампулы, вертикальное сечение (система Fe₃C-Fe₂O₃, эксп. 1593/2-А4, T=1100ºC).

b – Увеличенный фрагмент, поликристаллический агрегат ортопироксена, оливина и магнезиовюстита.

с - Поликристаллический агрегат ортопироксена, с кристаллами и агрегатами графита. (система Fe₃C-Fe₂O₃, эксп. 1592/2-А4, T=1200ºC).

d - Поликристаллический агрегат ортопироксена, с кристаллами и агрегатами графита. (система Fe₃C-Fe₂O₃-SiO₂-MgO, эксп. 1593/2-А5, T=1100ºC).

b

a

Рис. 3.5 Энергетические дисперсионные спектры продуктов эксперимента в системе Fe₂O₃-Fe₃C, проведенного с использованием ампул из тальковой керамики, при давлении 6,3 ГПа и температуре 1100ºC (обр. №1593/2-А4):

а – Магнезиовюстит

b – Оливин

с – Ортопироксен

c

В результате исследования продуктов экспериментов, проведенных в ампулах из MgO, при 6,3 ГПа, температуре 1400 ^оC и длительности 18 часов установлено, что материал ампулы активно взаимодействовал с исходными реактивами с образованием магнезиовюстита. Для магнезиовюстита из эксперимента 1588/2-В (система Fe₃C-Fe₂O₃) характерно увеличение железистости от контакта с материалом ампулы (Mg# 0,71) к центральной части реакционного объема (Mg# 0,75). Из этого следует, что MgO, как материал ампулы для данных исследований не подходит, так как не выполняется главная методическая задача.

Исследование продуктов экспериментов, проведенных в тальковой керамике, при 6,3 ГПа, интервале температур 1100-1200 ^оС и длительности 20 часов показало, что материал ампулы практически полностью прореагировал c исходными реактивами. В системе Fe₃C-Fe₂O₃ при 1100 и 1200 ^оС образовывался ортопироксен (Mg# 0,88-0,98), оливин (Mg# 0,33) и магнезиовюстит. Причем магнезиальный номер ортопироксена увеличивается с повышением температуры, что свидетельствует о более интенсивном взаимодействии материала ампулы с модельной смесью, при более высокой температуре. Таким образом тальковая керамика, как материал ампул для изучения железистых систем также не подходит.

Экспериментальные исследования, проведенные с использованием ампул из графита.