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 Доступ платный или 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