Ближний порядок в твердых растворах галлия в α-железе

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Ближний порядок в магнитомягких сплавах FeGa, содержащих от 3 до 25 ат.% Ga, исследован методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии. Анализ мёссбауэровских спектров проведен с помощью разложения на подспектры, соответствующие различным конфигурациям окружения атома Fe атомами Ga в первой и второй координационных сферах. Показано, что в образцах сплавов, содержащих от 3 до 17 ат.% галлия, ближний порядок практически не зависит от условий термической обработки (закалка из парамагнитного состояния или выдержка в ферромагнитном состоянии) и характеризуется наличием пар атомов Ga в положении вторых соседей (кластеры B2-типа). При содержании Ga от 17 до 21 ат.% доля кластеров B2-типа оказывается существенно выше после закалки, чем после отжига, что коррелирует с наблюдаемым влиянием термообработки на величину магнитострикции. При дальнейшем увеличении концентрации Ga (21–25 ат.%) наблюдаемые особенности в распределении атомов Ga свидетельствуют о появлении и росте областей D03-фазы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. В. Ершов

Институт физики металлов УрО РАН

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

Н. М. Клейнерман

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

Ю. Н. Горностырев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

В. А. Лукшина

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

Д. А. Шишкин

Институт физики металлов УрО РАН; Уральский федеральный университет

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108; Екатеринбург, 620002

А. В. Тимофеева

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

С. П. Наумов

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

А. Э. Свирид

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. М.: Энергия, 1974. 240 с.
  2. Зайкова В.А., Старцева И.Е., Филиппов Б.Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. М.: Наука, 1992. 272 с.
  3. Freitas A.S., de Albuquerque D.F., Fittipaldi I.P., Moreno N.O. Magnetic properties of Fe–Al for quenched diluted spin-1 Ising model // JMMM. 2014. V. 362. P. 226–228.
  4. 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. P. 8621–8623.
  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. Cullen J.R., Clark A.E., Wun-Fogle M., Restor J.B., Lograsso T.A. Magnetoelasticity of Fe–Ga and Fe–Al alloys // J. Magn. Magn. Mater. 2001. V. 226–230. P. 948–949.
  7. Kubaschewski O. Iron-binary Phase Diagrams. Springer-Verlag, Berlin, 1982. 185 р.
  8. 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. № 1–2. P. 198–205.
  9. Lograsso T.A., Summers E.M. Detection and quantification of D0 3 chemical order in Fe–Ga alloys using high resolution X-ray diffraction // Mater. Sci. Eng. 2006. V. A 416. P. 240–245.
  10. 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. Lett. 2020. V. 279. P. 128508(4).
  11. Wu R. Origin of large magnetostriction in FeGa alloys // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. P. 7358–7360.
  12. Cullen J., Zhao P., Wuttig M. Anisotropy of crystalline ferromagnets with defects // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. 123922.
  13. Boisse J., Zapolsky H., Khachaturyan A.G. Atomic-scale modeling of nanostructure formation in Fe–Ga alloys with giant magnetostriction: Cascade ordering and decomposition // Acta Mater. 2011. V. 59. № 7. P. 2656–2668.
  14. Huang M., Lograsso T.A. Short range ordering in Fe–Ge and Fe–Ga single crystals // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. 171907(3).
  15. Wang H., Zhang Y.N., Wu R.Q., Sun L.Z., Xu D.S., Zhang Z.D. Understanding strong magnetostriction in Fe 100-x Ga x alloys // Sci. Rep. 2013. V. 3. № 1. P. 3521(5).
  16. Marchant G.A., Woodgate C.D., Patrick C.E., Staunton J.B. Ab initio calculations of the phase behavior and subsequent magnetostriction of Fe 1-x Ga x within the disordered local moment picture // Phys. Rev. B. 2021. V. 103. P. 094414(14).
  17. Zhang M.C., Jiang H.L., Gao X.X., Zhu J., Zhou S.Z. Magnetostriction and microstructure of the melt-spun Fe 83 Ga 17 alloy // J. Appl. Phys. 2006. V. 99. № 2. Р. 023903(3).
  18. Pascarelli S., Ruffoni M.P., Turtelli R.S., Kubel F., Grössinger R. Local structure in magnetostrictive melt-spun Fe 80 Ga 20 alloys // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 184406(8).
  19. 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.
  20. Wang H., Zhang Y.N., Wu R.Q., Sun L.Z., Xu D.S., Zhang Z.D. Understanding strong magnetostriction in Fe 100-x Ga x alloys // Sci. Rep. 2013. V. 3. № 1. P. 3521(5).
  21. Viehland D., Li J.F., Lograsso T., Wuttig M. Structural studies of Fe 0.81 Ga 0.19 by reciprocal space mapping // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. № 17. P. 3185–3187.
  22. 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 ( Fe 1-x Ga x ) Alloys // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. P. 127201(4).
  23. 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. № 5. P. 054432(9).
  24. 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 Fe 0.813 Ga 0.187 alloy in an applied magnetic field // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. № 21. P. 214437(6).
  25. Ke Y., Jianga C., Tao J., Duan H. Local inhomogeneous structural origin of giant magnetostriction in Fe-Ga alloys // J. Alloys Compd. 2017. V. 725. № 1–2. P. 14–22.
  26. Rahman N., Li M., Ma T., Yan M. Microstructural origin of the magnetostriction deterioration in slowly cooled Fe 81 Ga 19 // J. Alloys Compd. 2019. V. 786. P. 300–305.
  27. Lograsso T.A., Ross A.R., Schlagel D.L., Clark A.E., Wun-Fogled M. Structural transformations in quenched Fe–Ga alloys // J. Alloys Compd. 2003. V. 350. № 1–2. P. 95–101.
  28. He Y.K., Ke X., Jiang C., Miao N., Wang H., Coey J.M.D., Wang Y., Xu H. Interaction of trace rare-earth dopants and nanoheterogeneities induces giant magnetostriction in Fe–Ga alloys // Adv. Funct. Mater. 2018. V. 28. № 20. P. 1800858(9).
  29. Петрик М.В., Горбатов О.И., Горностырев Ю.Н. Роль магнетизма в формировании ближнего порядка в сплаве Fe–Ga // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. № 12. С. 912–915.
  30. Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Лукшина В.А. Влияние отжига в ферромагнитном состоянии на структуру сплава железа с 18 ат.% галлия // ФТТ. 2019. Т. 61. № 1. С. 12–21.
  31. Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Лукшина В.А. Обнаружение новой фазы типа B1 в монокристаллах магнитомягких сплавов Fe–Al и Fe–Ga // ФТТ. 2019. Т. 61. № 11. С. 2000–2008.
  32. 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 железо-галлиевом сплаве // ФММ. 2024. Т. 125. № 1. C. 86–95.
  33. Черненков Ю.П., Федоров В.И., Лукшина В.А., Соколов Б.К., Ершов Н.В. Рентгеновское диффузное рассеяние от монокристаллов α-Fe и α- Fe 1−x Si x // ФММ. 2005. Т. 100. № 3. С. 39–47.
  34. Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Федоров В.И. Рентгенодифракционные исследования особенностей атомной структуры сплава Fe–Si в α-области фазовой диаграммы // ФТТ. 2009. Т. 51. № 3. С. 417–422.
  35. Ершов Н.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Пилюгин В.П., Сериков В.В. Особенности локальной атомной структуры сплава Fe-Si в α-области фазовой диаграммы // ФТТ. 2009. Т. 51. № 6. С. 1165–1171.
  36. Сериков В.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Ершов Н.В. Ближний порядок в сплавах Fe 1−x Si x (x = 0.05–0.08) с наведенной магнитной анизотропией // ФТТ. 2010. Т. 52. № 2. С. 316–322.
  37. Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Федоров В.И. Структура сплавов α-FeSi с 8 и 10 at.% кремния // ФТТ. 2012. Т. 54. № 9. С. 1813–1819.
  38. Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Смирнов О.П. Ближний порядок в магнитомягком сплаве α-FeAl // ФТТ. 2018. Т. 60. № 9. С. 1619–1631.
  39. Ершов Н.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Черненков Ю.П., Шишкин Д.А., Смирнов О.П., Семенов В.Г. Ближний порядок в “неупорядоченных” твердых растворах алюминия в α-железе // ФТТ. 2023. Т. 65. № 3. С. 372–385.
  40. Proffen Th., Neder R.B. DISCUS, a program for diffuse scattering and defect structure simulations // J. Appl. Crystallogr. 1997. V. 30. P. 171–175.
  41. Chernenkov Yu.P., Ershov N.V., Lukshuna 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. 2007. V. 396. № 1–2. P. 220–230.
  42. Wertheim G.K., Jaccarino V., Wernick J.H., Buchanan D.N.E. Range of the exchange interaction in iron alloys // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 12. № 1. P. 24–27.
  43. Newkirk L.R., Tsuei C.C. Mössbauer study of hyperfine magnetic interactions in Fe-Ga solid solutions // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. № 13. P. 5250–5253.
  44. Dunlap R.A., McGraw J.D., Farrell S.P. A Mössbauer effect study of structural ordering in rapidly quenched Fe–Ga alloys // J. Magn. Magn. Mater. 2006. V. 305. № 2. P. 315–320.
  45. Błachowski A., Ruebenbauer K., Zukrowski J., Przewoznik J. Charge and spin density on iron nuclei in the BCC Fe–Ga alloys studied by Mössbauer spectroscopy // J. Alloys Compd. 2008. V. 455. № 1–2. P. 47–51.
  46. Русаков B.C. Мессбауэровская спектроскопия локально неоднородных систем. ОПНИ ИЯФ НЯЦ РК, Алматы. 2000. 438 с.
  47. Stearns M.B. Model for the Origin of Ferromagnetism in Fe: Average‒Moment Internal‒Field Variations in FeSi and FeAl Alloys // Phys. Rev. В. 1972. V. 6. № 9. P. 3326–3331.
  48. Stearns M.B. Internal Magnetic Fields, Isomer Shifts, and Relative Abundances of the Various Fe Sites in FeSi Alloys // Phys. Rev. 1963. V. 129. No. 3. P. 1136–1144.
  49. Stearns M.B. Spin‒Density Oscillations in Ferromagnetic Alloys. I. "Localized" Solute Atoms: Al, Si, Mn, V, and Cr in Fe // Phys. Rev. 1966. V. 147. No. 2. P. 439–453.
  50. Arzhnikov A.K., Dobysheva L.V. Local magnetic moments and hyperfine magnetic fields in disordered metal-metalloid alloys // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. № 9. P. 5324.
  51. 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.
  52. Петрик М.В., Горностырев Ю.Н. Локальные деформации и химическая связь в магнитомягких сплавах Fe–X (X = Si, Al, Ga, Ge) // ФММ. 2013. Т. 114. № 6. С. 514–518.
  53. Горбатов О.И., Кузнецов А.Р., Горностырев Ю.Н., Рубан А.В., Ершов Н.В., Лукшина В.А., Черненков Ю.П., Федоров В.И. Роль магнетизма в формировании ближнего порядка в сплавах железо-кремний // ЖЭТФ. 2011. Т. 139. № 5. С. 969–982.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальные спектры образцов сплава Fe−Ga (показаны точками), содержащих 3, 6, 9, 12, 15, 17, 21 и 25 ат.% галлия (сверху вниз), закаленных в воду после выдержки в парамагнитном состоянии (слева) и медленно охлажденных после ферромагнитного отжига (справа). Огибающая точки сплошная линия — результат разложения экспериментального спектра на подспектры (тонкие сплошные линии). Под каждым спектром приведен разностный спектр — разность между экспериментальным спектром и результатом его аппроксимации.

Скачать (39KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Гистограммы распределения долей и изомерных сдвигов (δ), соответствующих вкладам основных координаций вокруг атомов железа, таких как 8:0, 7:1, 6:2, 5:3 и 4:4 (объединены штриховыми прямоугольниками), по величине СТП (H), полученные аппроксимацией подспектрами мёссбауэровских спектров образцов сплава железо–галлий, содержащих 3, 6, 9, 12, 15, 17, 21 и 25 ат.% Ga.

Скачать (113KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Концентрационные зависимости долей (вероятностей) вкладов в мёссбауэровские спектры FeGa-сплавов конфигураций 8:0, 7:1, 6:2, 5:3 и 4:4 сравниваются с их среднестатистическими вероятностями. Приведены результаты, полученные после закалки из парамагнитного состояния и отжига в ферромагнитном состоянии. Среднестатистические вероятности (BD — binomial distribution, биномиальное распределение атомов по КС) показаны на графике штриховыми линиями.

Скачать (61KB)
Метаданные