Ближний порядок в магнитомягком сплаве Fе–9 ат.% Ga и условия его термической обработки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Атомная структура монокристаллических образцов магнитомягких сплавов Fe–9 ат.% Ga (область A2-фазы), подвергнутых различным термическим обработкам: 1– закалка в воду из парамагнитного состояния, 2 – отжиг в ферромагнитном состоянии, 3 – термомагнитная обработка (ТМО) и 4 – термомеханическая обработка (ТМехО), исследована методом рентгеновской дифракции. В дифрактограммах всех образцов после разных термических обработок наблюдаются диффузные пики, которые являются вкладом от небольших расположенных хаотично кластеров B2-типа. Отдельный B2-кластер состоит из пары ОЦК-ячеек, центрированных атомами Ga. Ось пары ориентирована параллельно одной из осей легкого намагничивания <100>. Показано, что ширина диффузных пиков, измеренных при сканировании вдоль оси [001], уменьшается, и следовательно средний размер B2-кластеров вдоль этой оси увеличивается в зависимости от обработки в последовательности 1–2–3–4. Полученные результаты свидетельствуют о перестройке ближнего порядка под действием ТМО и ТМехО.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. П. Черненков

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова, НИЦ “Курчатовский институт”

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, мкр. Орлова роща, 1, Гатчина, Ленинградская область, 188300

Н. В. Ершов

Институт физики металлов УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Ю. Н. Горностырев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

В. А. Лукшина

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. В. Тимофеева

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Д. А. Шишкин

Институт физики металлов УрО РАН; Уральский федеральный университет

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108; ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Список литературы

  1. Clark A.E., Restorff J.B., Wun-Fogle M., Lograsso T.A., Schlagel D.L. Magnetostrictive properties of body-centered cubic Fe–Ga and Fe–Ga–Al alloys // IEEE Trans. Magn. 2000. V. 36. No. 5. P. 3238–3240.
  2. Cullen J.R., Clark A.E., Wun-Fogle M., Restorff J.B., Lograsso T.A. Magnetoelasticity of Fe–Ga and Fe–Al alloys // J. Magn. Magn. Mater. 2001. V. 226–230. Part 1. P. 948–949.
  3. Clark A.E., Hathaway K.B., Wun-Fogle M., Restorff J.B., Lograsso T.A., Keppens V.M., Petculescu G., Taylor R.A. Extraordinary magnetoelasticity and lattice softening in bcc Fe–Ga alloys // J. Appl. Phys. 2003. V. 93. No. 10. P. 8621–8623.
  4. Clark A.E., Restorff J.B., Wun-Fogle M., Dennis K.W., Lograsso T.A., McCallum R.W. Temperature dependence of the magnetic anisotropy and magnetostriction of Fe100−xGax (x = 8.6, 16.6, 28.5) // J. Appl. Phys. 2005. V. 97. No. 10. P. 10M316(1–3).
  5. Summers E.M., Lograsso T.A., Wun-Fogle M. Magnetostriction of binary and ternary Fe–Ga alloys // J. Mat. Sci. 2007. V. 42. P. 9582–9594.
  6. Clark A.E., Yoo J.-H., Cullen J.R., Wun-Fogle M., Petculescu G., Flatau A. Stress dependent magnetostriction in highly magnetostrictive Fe100−xGax, 20 < x < 30 // J. Appl. Phys. 2009. V. 105. No. 7. P. 07A913(1–3).
  7. Restorff J.B., Wun-Fogle M., Hathaway K.B., Clark A.E., Lograsso T.A., Petculescu G., Tetragonal magnetostriction and– magnetoelastic coupling in Fe–Al, Fe–Ga, Fe–Ge, Fe–Si, Fe–Ga–Al and Fe–Ga–Ge alloys // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. P. 023905(1–12).
  8. Головин И.С., Палачева В.В., Мохамед А.К., Балагуров А.М. Структура и свойства Fe–Ga-сплавов – перспективных материалов для электроники // ФММ. 2020. Т. 121. С. 937–980.
  9. Atulasimha J., Flatau A.B. A review of magnetostrictive iron–gallium alloys // Smart Mater. Struct. 2011. V. 20. No. 4. P. 043001(1–15).
  10. Petculescu G., Wu R., McQueeney R.J. Magnetoelasticity of bcc Fe–Ga Alloys / Handbook of Magnetic Materials, edited by K.H.J. Buschow (Elsevier, Oxford, UK) 2012. V. 20. P. 123–226.
  11. Kubaschewski O. Iron-binary Phase Diagrams. Berlin: Springer-Verlag, 1982. 185 р.
  12. Mohamed A.K., Cheverikin V.V., Medvedeva S.V., Bobrikov I.A., Balagurov A.M., Golovin I.S. First- and second-order phase transitions in Fe-(17-19) at.% Ga alloys // Mater. Letters. 2020. V. 279. P. 128508(1–4).
  13. Zhang M.C., Jiang H.L., Gao X.X., Zhu J., Zhou S.Z. Magnetostriction and microstructure of the melt-spun Fe83Ga17 alloy // J. Appl. Phys. 2006. V. 99. No. 2. Р. 023903(1–3).
  14. Pascarelli S., Ruffoni M.P., Turtelli R.S., Kubel F., Grössinger R. Local structure in magnetostrictive melt-spun Fe80Ga20 alloys // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 184406(1–8).
  15. Wang H., Zhang Y.N., Wu R.Q., Sun L.Z., Xu D.S., Zhang Z.D. Understanding strong magnetostriction in Fe100-xGax alloys // Sci. Rep. 2013. V. 3. No. 1. P. 3521(1–5).
  16. Viehland D., Li J.F., Lograsso T., Wuttig M. Structural studies of Fe0.81Ga0.19 by reciprocal space mapping // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. No. 17. P. 3185–3187.
  17. Lograsso T.A., Summers E.M. Detection and quantification of D03 chemical order in Fe–Ga alloys using high resolution X-ray diffraction // Mater. Sci. Eng. A. 2006. V. 416. No. 1–2. P. 240–245.
  18. Cao H., Gehring P.M., Devreugd C.P., Rodriguez-Rivera J.A., Li J., Viehland D. Role of Nanoscale Precipitates on the Enhanced Magnetostriction of Heat-Treated Galfenol (Fe1-xGax) Alloys // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. P. 127201(1–4).
  19. Du Y., Huang M., Chang S., Schlagel D.L., Lograsso T.A., McQueeney R.J. Relation between Ga ordering and magnetostriction of Fe–Ga alloys studied by x-ray diffuse scattering // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. No. 5. P. 054432(1–9).
  20. Du Y., Huang M., Lograsso T.A., McQueeney R.J. X-ray diffuse scattering measurements of chemical short-range order and lattice strains in a highly magnetostrictive Fe0.813Ga0.187 alloy in an applied magnetic field // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. No. 21. P. 214437(1–6).
  21. Ke Y., Jiang C., Tao J., Duan H. Local inhomogeneous structural origin of giant magnetostriction in Fe–Ga alloys // J. Alloys Compd. 2017. V. 725. No. 1–2. P. 14–22.
  22. Rahman N., Li M., Ma T., Yan M. Microstructural origin of the magnetostriction deterioration in slowly cooled Fe81Ga19 // J. Alloys Compd. 2019. V. 786. P. 300–305.
  23. Ikeda O., Kainuma R., Ohnuma I., Fukamichi K., Ishida K.J. Phase equilibria and stability of ordered b.c.c. phases in the Fe-rich portion of the Fe–Ga system // J. Alloys Compd. 2002. V. 347. No. 1–2. P. 198–205.
  24. Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Горностырев Ю.Н., Лукшина В.А., Смирнов О.П., Шишкин Д.А. Рентгеноструктурный анализ ближнего порядка в твердых растворах железо-галлий // ФММ. 2022. Т. 123. № 10. С. 1054–1062.
  25. Черненков Ю.П., Смирнов О.П., Лукшина В.А., Тимофеева А.В., Петрик М.В., Кузнецов А.Р., Ершов Н.В., Горностырев Ю.Н., Шишкин Д.А. Ближний порядок и его устойчивость в магнитомягком железогаллиевом сплаве // ФММ. 2024. Т. 125. № 1. С. 86–95.
  26. Лукшина В.А., Шишкин Д.А., Кузнецов А.Р., Ершов H.В., Горностырев Ю.Н. Влияние отжига в постоянном магнитном поле на магнитные свойства сплавов железо–галлий // ФТТ. 2020. Т. 62. № 10. С. 1578–1586.
  27. Черненков Ю.П., Федоров В.И., Лукшина В.А., Соколов Б.К., Ершов Н.В. Рентгеновское диффузное рассеяние от монокристаллов α-Fe и α-Fe1-xSix // ФММ. 2005. Т. 100. № 3. С. 39‒47.
  28. Cullity B.D., Stock S.R. Elements of X-Ray Diffraction. N.Y.: Prentice-Hall Inc., 2001. 531 p.
  29. Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Смирнов О.П. Ближний порядок в магнитомягком сплаве alpha-FeAl // ФТТ. 2018. Т. 60. № 9. С. 1619‒1631.
  30. Matyunina M.V., Zagrebin M.A., Sokolovskiy V.V., Pavlukhina O.O., Buchelnikov V.D., Balagurov A.M., Golovin I.S. Phase diagram of magnetostrictive Fe–Ga alloys: insights from theory and experiment // Phase Trans. 2019. V. 92. No. 2. P. 101–116.
  31. Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Лукшина В.А. Влияние отжига в ферромагнитном состоянии на структуру сплава железа с 18 at.% галлия // ФТТ. 2019. Т. 61. № 1. С. 12–21.
  32. Zarestky J.L., Garlea V.O., Lograsso T.A., Schlagel D.L., Stassis C. Compositional variation of the phonon dispersion curves of bcc Fe–Ga alloys // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 180408(R).
  33. Johansson G., Gorbatov O.I., Etz C. Theoretical investigation of magnons in Fe–Ga alloys // Phys. Rev. B. 2023. V. 108. P. 184410.
  34. Warren В.Е. X‒ray diffraction. New York: Addison‒Wesley, 1969. 563 p.
  35. Patterson A.L. The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination // Phys. Rev. B. 1939. V. 56. No. 10. P. 978–981.
  36. Hubert A., Schafer R. Magnetic Domains. The Analysis of Magnetic Microstructures. New York: Springer Berlin Heidelberg, Corrected, 3rd Printing, 2009. 707 p.
  37. Neél L. Anisotropie magnétique superficielle et surstructures d’orientation // J. Phys. Paris. 1954. V. 15. No. 4. P. 225–239.
  38. Taniguchi S., Yamamoto M. A note on a theory of the uniaxial ferromagnetic anisotropy induced by cold work or by magnetic annealing in cubic solid solutions // Sci. Rep. Res. Tohoku A. 1954. V. 6. P. 330–332.
  39. Ershov N.V., Chernenkov Yu.P., Lukshina V.A., Fedorov V.I., Sokolov B.K. Atomic structure of Soft Magnetic Fe-Si Alloys with Induced Magnetic Anisotropy // Phys. Metal. Metal. 2006. V. 101. P. S59–S62.
  40. Ershov N.V., Lukshina V.A., Sokolov B.K., Chernenkov Yu.P., Fedorov V.I. B2 and D03 clusters in soft magnetic single crystal Fe1–xSix alloys with induced magnetic anisotropy // J. Magn. Magn. Mater. 2006. V. 300. P. e469–e472.
  41. Ershov N.V., Chernenkov Yu.P., Lukshina V.A., Fedorov V.I., Sokolov B.K. The structural origin of induced magnetic anisotropy in α‒Fe1-xSix (x = 0.05 ‒ 0.08) alloys // Physica B. 2006. V. 372. No. 1–2. P. 152–155.
  42. Chernenkov Yu.P., Ershov N.V., Lukshina V.A., Fedorov V.I., Sokolov B.K. An X-ray diffraction study of the short-range ordering in the soft-magnetic Fe–Si alloys with induced magnetic anisotropy // Physica B: Condensed Matter. 2007. V. 396. No. 1–2. P. 220–230.
  43. Лукшина В.А., Соколов Б.К., Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Федоров В.И. Анизотропия локальной атомной структуры в монокристаллах Fe–5%Si как причина формирования и стабильности наведенной магнитной анизотропии // ФТТ. 2006. Т. 48. № 2. С. 297–304.
  44. Соколов Б.К., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Федоров В.И., Ершов Н.В. Прямые наблюдения анизотропии ближнего порядка в монокристаллах Fe1–xSix (x = 0.05–0.06) с наведенной магнитной анизотропией // ДАН. 2004. Т. 399. № 2. С. 185–187.
  45. Ershov N.V., Kleinerman N.M., Lukshina V.A., and Timofeeva A.V. Magnetization Distribution in Single-Crystals of Iron-Silicon Alloys // Phys. Met. Metal. 2024. V. 125. No. 8. P. 809–816.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Полевая зависимость коэффициента тетрагональной магнитострикции λ100 в монокристаллических образцах сплава Fe–9 ат.% Ga до (1) и после (2) закалки в воде, после выдержки в парамагнитном состоянии (слева) до (3) и после (4) ТМО в постоянном магнитном поле, приложенном поперек оси [001] (справа).

Скачать (85KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограммы, измеренные при θ–2θ-сканировании обратного пространства вдоль оси (сверху вниз) [00L], [HH0] и [HHH] сплава Fe–9 ат.% Ga, подвергнутого разным термическим обработкам: 1 – закалка; 2 – отжиг; 3 – ТМО dc H ^ [001]; 4 – ТМО ac H ^ [001]; 5 – ТМехО T ^ [001]; 6 – ТМО dc H ║ [001] и 7 – монокристалла α-железа. Экспериментальная погрешность соответствует размеру символа. Вертикальными линиями показаны положения максимума TDS-пиков и расчетные положения для D03-отражений. Индексами (002), (222), (110) и (220) отмечены брэгговские пики от ОЦК-решетки.

Скачать (252KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Дифрактограммы, измеренные при θ–2θ-сканировании обратного пространства вдоль оси [001], образцов сплава Fe–Ga, подвергнутого разным термическим обработкам: 1 – закалка; 2 – ТМО dc H ║ [001]; 3 – ТМехО T ^ [001]. Штриховыми линиями показан вклад брэгговских рефлексов (002) и (004). Широкие пики – вклады локально упорядоченных кластеров B2-типа. Сплошными линиями показаны результаты МНК-разложения дифрактограмм.

Скачать (187KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Дифрактограммы, измеренные при θ–2θ-сканировании обратного пространства в направлении [HHH] образцов сплава Fe–Ga, подвергнутого разным термическим обработкам: 1 – закалка; 2 – ТМО dc H ║ [001]; 3 – ТМехО T ^ [001]. Штриховыми линиями показан вклад брэгговского рефлекса (222). Широкие пики – вклады локально упорядоченных кластеров B2-типа. Сплошными линиями показаны результаты МНК-разложения дифрактограмм.

Скачать (183KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Средний размер кластеров B2-фазы и условия термической обработки: Закалка – закалка после выдержки в парамагнитном состоянии; ТМО-1 – ТМО в постоянном магнитном поле, приложенном поперек оси [001]; ТМО-2 – ТМО в переменном поле, приложенном поперек оси [001]; ТМО-3 – ТМО в постоянном поле, приложенном вдоль оси [001]; Отжиг – отжиг и охлаждение в ферромагнитном состоянии; ТМехО – ТМехО под действием сжимающей нагрузки, приложенной поперек оси [001].

Скачать (44KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Интегральная интенсивность Im×w (см. табл. 1 и 2) пиков диффузного рассеяния (вклад B2-кластеров) (001) и (111) в зависимости от условий термической обработки.

Скачать (118KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Схематичное расположение B2-кластеров в проекции на плоскость (010). В поле зрения 9 кластеров параллельны оси [100], 11 кластеров параллельны оси [010], 12 кластеров параллельны оси [001].

Скачать (137KB)
Метаданные