Control of magnetoelastic properties of Fe−Ga alloys using thermomechanical treatment

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The effect of thermomechanical treatment (TMechT), which includes annealing and cooling of the alloy under the external compressive load along the direction <001>, to magnetostriction of the Fe−18 at.%Ga alloy, has been investigated. Field dependencies of the longitudinal and transverse magnetostriction are measured after TMechT with compressing stresses of 0–8 MPa. It is shown that as a result of TMechT already with small compressive stresses ~1 MPa, a significant change in the magnetostrictive behavior of the monocrystalline alloy occurs. The longitudinal component of magnetostriction increases, and the transverse (by module) is reduced, while the complete magnetostrition practically does not change. The maximum value of the saturation magnetostriction is observed after TMechT under stress of 2 MPa − about 280 ppm. After TMechT at higher stresses it is at the level of 200 ppm, and decreases and reaches zero at 6 MPa. The observed effects of TMechO are explained by the directional ordering the Ga−Ga pairs in the BCC Fe−Ga alloy.

About the authors

V. A. Kochurin

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nershov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

V. A. Lukshina

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nershov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

A. V. Timofeeva

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nershov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

D. A. Shishkin

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Ural Federal University

Email: nershov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia; Ekaterinburg, 620002 Russia

M. V. Matyunina

Chelyabinsk State University

Email: nershov@imp.uran.ru
Chelyabinsk, 454001 Russia

N. V. Ershov

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nershov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

Yu. N. Gornostyrev

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nershov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

References

  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).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».