Управление магнитоупругими свойствами сплавов Fe–Ga с помощью термомеханической обработки

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Исследовано влияние термомеханической обработки (ТМехО), включающей отжиг и охлаждение сплава под внешней сжимающей нагрузкой вдоль направления <001>, на магнитострикцию монокристалла сплава Fe–18 ат.% Ga. Полевые зависимости продольной λ100∥ и поперечной λ100⊥ магнитострикции измерены после ТМехО при сжимающих напряжениях 0–8 МПа. Показано, что в результате ТМехО уже при малых сжимающих напряжениях ~1 МПа происходит существенное изменение магнитоупругого поведения монокристалла сплава. Продольная компонента магнитострикции λ100∥ возрастает, а поперечная λ100⊥ (по модулю) уменьшается, в то время как полная магнитострикция λs=λ100∥−λ100⊥ практически не изменяется. Максимальное значение магнитострикции насыщения λ100∥ наблюдается после ТМехО под напряжением 2 МПа – около 280 ppm. После ТМехО при больших напряжениях λ100∥ находится на уровне 200 ppm, а λ100⊥ уменьшается и достигает нуля при 6 МПа. Наблюдаемые эффекты ТМехО объясняются направленным упорядочением пар Ga–Ga в ОЦК-решетке сплава Fe–Ga.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. А. Кочурин

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

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

В. А. Лукшина

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

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

А. В. Тимофеева

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

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

Д. А. Шишкин

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН; Уральский федеральный университет

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

М. В. Матюнина

Челябинский государственный университет

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. Братьев Кашириных, 129, Челябинск, 454001

Н. В. Ершов

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

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

Ю. Н. Горностырев

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

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

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. 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).
  4. Atulasimha J., Flatau A.B. A review of magnetostrictive iron–gallium alloys // Smart Mater. Struct. 2011. V. 20. No. 4. P. 043001(1–15).
  5. Wu D., Xing Q., McCallum R.W., Lograsso T.A. Magnetostriction of iron-germanium single crystals // J. Appl. Phys. 2008. V. 103. P. 07B307(1–3).
  6. 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. P. 3521(1–5).
  7. Cao J.X., Zhang Y.N., Ouyang W.J., Wu R.Q. Large magnetostriction of Fe1–xGex and its electronic origin: Density functional study // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. No. 10. P. 104414(1–5).
  8. Wu R.Q. Origin of large magnetostriction in FeGa alloys // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. No. 10. P. 7358–7360.
  9. 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.
  10. Лесник А.Г. Наведенная магнитная анизотропия. Киев: Наукова думка, 1976. 163 с.
  11. Sugihara M. On the effect of heat treatment in a magnetic field on magnetic properties of iron-aluminium alloys // J. Phys. Soc. Jpn. 1969. V. 15. P. 1456−1460.
  12. Steinert J. Induced Uniaxial Magnetic Anisotropy of Fe-Al Alloys at Low Concentrations // Phys. Stat. Sol. 1967. V. 21. K13–K15.
  13. Forsch K. Diffusionsanisotropie in Eisen-Siliziuin-Legierungen // Phys. Stat. Sol. 1970. V. 42. P. 329‒344.
  14. Neél L. Anisotropie magnétique superficielle et surstructures d’orientation // J. Phys.-Paris. 1954. V. 15. No. 4. P. 225–239.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. Restorff J.B., Wun-Fogle M., Clark A.E., Hathaway K.B. Induced Magnetic Anisotropy in Stress-Annealed Galfenol Alloys // IEEE Trans. on Magn. 2006. V. 42. No. 10. P. 3087–3089.
  20. Jones N.J., Restorff J.B., Wun-Fogle M., Clark A.E. Magnetostriction and magnetization of tension annealed rods of Fe82Ga18 // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 09A915(1–3).
  21. Wun-Fogle M., Restorff J.B., Clark A.E. Magnetostriction of Stress Annealed Fe−Ga−Al and Fe–Ga Alloys Under Compressive and Tensile Stress // P. Soc. Photo.-Opt. Ins. 2004. V. 5387. P. 468–475.
  22. Драгошанский Ю.Н., Шур Я.С. О формировании доменной структуры кристаллов кремнистого железа // ФММ. 1966. Т. 21. № 5. С. 678−687.
  23. Драгошанский Ю.Н. Формирование доменной структуры в магнитоодноосных и магнитотрехосных кристаллах / Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. Свердловск, 1968. 161 с.
  24. Зайкова В.А., Старцева И.Е., Филиппов Б.Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. М.: Наука, 1992. 272 с.
  25. Hubert A., Schafer R. Magnetic Domains. The Analysis of Magnetic Microstructures. New York: Springer Berlin Heidelberg, Corrected, 3rd Printing, 2009. 707 p.
  26. Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Горностырев Ю.Н., Лукшина В.А., Тимофеева А.В., Шишкин Д.А. Ближний порядок в магнитомягком сплаве Fе–9 ат.% Ga в зависимости от условий термической обработки // ФММ. 2025. T. 126. № 3. С. 316–327.
  27. Yan K., Xu Y., Niu J., Wu Y., Li Y., Gault B., Zhao S. Wang X., Li Y., Wang J., Skokov K.P., Gutfleisch O., Wu H., Jiang D., He Y., Jiang C. Unraveling the origin of local chemical ordering in Fe-based solid-solutions // Acta Mater. 2024. V. 264. P. 119583(1–14).
  28. Sun M., Jiang W., Ke Y., Ge B., Wang X., Fang Q. Tetragonal dipole dominated Zener relaxation in BCC-structured Fe−17at.% Ga single crystals // Acta Mater. 2023. V. 258. P. 119245(1–11).
  29. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 11169–11186.
  30. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmetented-wave method // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 1758–1775.
  31. Matyunina M.V., Zagrebin M.A., Sokolovskiy V.V., Buchelnikov V.D. Magnetostriction of Fe100−xGax alloys from first principles calculations // J. Magn. Magn. Mater. 2019. V. 476. P. 120–123.
  32. Dudarev S.L., Ma P-W. Elastic fields, dipole tensors, and interaction between self-interstitial atom defects in bcc transition metals // Phys. Rev. Mater. 2018. V. 2. P. 033602(1–11).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Полевые зависимости коэффициентов магнитострикции (кривые 1, 3) и (кривые 2, 4) образца сплава Fe–18 ат.% Ga в исходном состоянии после отжига в вакууме (кривые 1, 2) и после ТМехО при напряжении 1 МПа (кривые 3, 4).

Скачать (81KB)
Метаданные
3. Рис. 2. То же, что на рис. 1 для образца после термической обработки без нагрузки (кривые 1) и после ТМехО при сжимающих напряжениях 1, 2, 3, 4, 6 и 8 МПа (кривые 2, 3, 4, 5, 6 и 7 соответственно).

Скачать (158KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Влияние величины сжимающего напряжения при ТМехО на средние значения коэффициентов магнитострикции в продольном ( , кривая 1) и поперечном ( , кривая 2) магнитном поле 2 кЭ, а также их размах ( , кривая 3).

Скачать (64KB)
Метаданные