Везде

RAS PhysicsФизика металлов и металловедение Physics of Metals and Metallography

  • ISSN (Print) 0015-3230
  • ISSN (Online) 3034-6215

ON THE QUESTION OF THE MECHANISM OF FORMATION AND STABILITY OF THE INDUCED MAGNETIC ANISOTROPY AND DOMAIN STRUCTURE IN SOFT MAGNETIC Fe–18 at%Ga ALLOY SINGLE CRYSTALS

You can
PII
S3034621525080015-1
DOI
10.7868/S3034621525080015
Publication type
Article
Status
Published
Authors
V. A. Lukshina
  • Affiliation:
    Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
    Ural Federal University
V. A. Kochurin
  • Affiliation: Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
A. V. Timofeeva
  • Affiliation: Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
D. A. Shishkin
  • Affiliation:
    Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
    Ural Federal University
Yu. N. Gornostyrev
  • Affiliation: Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
N. V. Ershov
  • Affiliation: Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Volume/ Edition
Volume 126 / Issue number 8
Pages
845-856
Abstract
The influence of thermomagnetic treatment (TMT) including annealing and cooling of the alloy in a constant magnetic field of 10 kOe applied both along the direction and across one on the magnetostriction of single-crystal samples of the Fe—18 at % Ga alloy has been studied. The samples in the form of thin disks had the “Goss” orientation of the crystallographic axes – {011}. The field dependences of the longitudinal — λ and transverse — λ magnetostriction coefficients were measured before and after TMT. By comparison with literature sources dealing with domain structure, it is shown that magnetoelastic properties correspond to the type of domain structure in alloy samples after slow cooling without external influences (before TMT) and after TMT in a magnetic field parallel or perpendicular to the easy magnetization axis [001] lying in the plane of the sample. Before and after TMT, in a field parallel to the [001] axis, there is a small longitudinal magnetostriction λ within a few tens of ppm, while its transverse component λ is negative and reaches an absolute value of 160–190 ppm. This corresponds to a stripe domain structure, when the magnetization is predominantly oriented parallel to the [001] axis. If during TMT the magnetic field was applied perpendicular to the [001] axis and parallel to the [110] axis, then after TMT a twofold increase in the coefficient λ and a 40 percent decrease in λ are observed. Such changes in magnetoelastic deformation indicate the formation of a transverse domain structure, the domains in which are predominantly magnetized parallel to the [100] and [010] axes. The observed TMT effects and their stability under normal conditions are explained by the directional ordering of Ga—Ga pairs in the bcc lattice of the Fe—Ga alloy.
Keywords
магнитоупругие свойства железо-галлиевые сплавы термомагнитная обработка ближний порядок
Date of publication
22.02.2026
Year of publication
2026
Number of purchasers
0
Views
49

References

  1. 1. Goertz M. Iron-Silicon Alloys Heat Treated in a Magnetic Field // J. Appl. Phys. 1951. V. 22. No. 7. P. 964–965.
  2. 2. Forsch K. Diffusions anisotropie in Eisen-Silizium-Legierungen // Phys. Stat. Sol. 1970. V. 42. No. 1. P. 329–344.
  3. 3. Старцева И.Е., Шулика В.В., Шур Я.С. Влияние индуцированной магнитной анизотропии на магнитные свойства и доменную структуру нетекстурованной трансформаторной стали // Изв. АН СССР. 1972. Т. 36. № 7. С. 1597–1601.
  4. 4. Шулика В.В., Старцева И.Е., Шур Я.С. Термомагнитная обработка трансформаторной стали в переменном магнитном поле // ФММ. Т. 40. № 2. С. 296–303.
  5. 5. Старцева И.Е., Шулика В.В., Шур Я.С. Влияние стабилизации доменной структуры на магнитные свойства трансформаторной стали // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1975. Т. 39. № 7. С. 1389–1391.
  6. 6. Birkenbeil H.I., Cehn R.W. Induced Magnetic Anisotropy Created by Magnetic and Stress Annealing of Iron-Aluminium Alloys // Proc. Phys. Soc. 1962. V. 79. P. 831–847.
  7. 7. Steinert J. Induced Uniaxial Magnetic Anisotropy of Fe-Al Alloys at Low Concentrations // Phys. Stat. Sol. 1967. V. 21. P. K13–K15.
  8. 8. 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. No. 3. P. 023905-(1–12).
  9. 9. 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.
  10. 10. 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).
  11. 11. 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.
  12. 12. Wu R. Origin of large magnetostriction in FeGa alloys // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. P. 7358–7360.
  13. 13. 1Cullen J., Zhao P., Wuttig M. Anisotropy of crystalline ferromagnets with defects // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 123922-(1–4).
  14. 14. 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.
  15. 15. 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.
  16. 16. Pender H., Jones R.L. The Annealing of Steel in an Alternating Magnetic Field // Phys. Rev. 1913. V. 1. No. 4. P. 259–273.
  17. 17. Perigo E.A., Weidenfeller B., Kollár P., Füzer J. Past, present, and future of soft magnetic composites // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. P. 031301-(1–37).
  18. 18. Черненков Ю.П., Федоров В.И., Лукшина В.А., Соколов Б.К., Ершов Н.В. Ближний порядок в монокристаллах α‒Fe-Si // ФММ. 2001. Т. 92. № 2. С. 95–100.
  19. 19. Chernenkov Yu.P., Fedorov V.I., Lukshina V.A., Sokolov B.K., Ershov N.V. Short-range order in α‒Fe-Si single crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2023. V. 254–255. P. 346–348.
  20. 20. Лукшина B.A., 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.
  21. 21. 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.
  22. 22. Сериков В.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Ершов Н.В. Ближний порядок в сплавах Fe1-xSix (x = 0.05 – 0.08) с наведенной магнитной анизотропией // ФТТ. 2010. Т. 52. № 2. С. 316–322.
  23. 23. 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.
  24. 24. Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Федоров В.И. Структура сплавов α‒FeSi с 8 и 10 ат.% кремния // ФТТ. 2012. Т. 54. № 9. С. 1813–1819.
  25. 25. He Y., Coey J.M.D., Schaefer R., Jiang Ch. Determination of bulk domain structure and magnetization processes in bcc ferromagnetic alloys: Analysis of magnetostriction in Fe83Ga17 // Phys. Rev. Mater. 2018. V. 2. P. 014412-(1-11).
  26. 26. Yoo J.-H., Restorff J.B., Wun-Fogle M., Flatau A.B. The effect of magnetic field annealing on single crystal iron gallium alloy // J. Appl. Phys. 2008. V. 103. P. 07B325-(1–3).
  27. 27. Yoo J.-H., Na S.-M., Restorff J.B., Wun-Fogle M., Flatau A.B. The Effect of Field Annealing on Highly Textured Polycrystalline Galfenol Strips // IEEE Trans. Magn. 2009. V. 45. No. 10. P. 4145–4142.
  28. 28. Brooks M., Summers E., Restorff J.B., Wun-Fogle M. Behavior of magnetic field–annealed Galfenol steel // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. P. 07A907-(1–3).
  29. 29. Wen S., Ma Y., Wanga D., Xu Z., Awaji S., Watanabe K. Magnetostriction enhancement by high magnetic field annealing in cast Fe81Ga19 alloy // J. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 442. P. 128–135.
  30. 30. Lukshina V.A., Shishkin D.A., Kuznetsov A.R., Ershov N.V., Gornostyrev Y.N. Effect of Magnetic Field Annealing on Magnetic Properties of Iron-Gallium Alloys // Phys. Solid State. 2020. V. 62. P. 1746–1754.
  31. 31. Gou J., Ma T., Liu X., Zhang C., Sun L., Sun G., Xia W., Ren X. Large and sensitive magnetostriction in ferromagnetic composites with nanodispersive precipitates // NPG Asia Mater. 2021. V. 13. No. 6. P. 1–13.
  32. 32. Bai F., Li J., Viehland D., Wu D., Lograsso T.A. Magnetic force microscopy investigation of domain structures in Fe-x at% Ga single crystals (12
  33. 33. Bai F., Zhang H., Li J., Viehland D. Magnetic force microscopy investigation of the static magnetic domain structure and domain rotation in Fe-x at.%Ga alloys // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. P. 152511-(1–3).
  34. 34. Song H.Z., Li Y.X., Zhao K.Y., Zeng H.R., Hui S.X., Li G.R., Yin Q.R., Wu G.H. Influence of stress on the mangetic domain structure in Fe81Ga19 alloys // J. Appl. Phys. 2009. V. 105. P. 013913-(1–4).
  35. 35. Mudivarthi C., Na S.-M., Schaefer R., Laver M., Wuttig M., Flatau A.B. Magnetic domain observation in Fe–Ga alloys // J. Magn. Magn. Mater. 2010. V. 322. No. 14. P. 2023–2026.
  36. 36. Carey R., Isaac E.D. Magnetic Domains and Techniques for their Observation. Chapter 4: The colloid technique. English Universities Press, 1966. 168 p.
  37. 37. Golovin I.S., Palacheva V.V., Mohamed A.K., Balagurov A.M. Structure and properties of Fe–Ga alloys as promising materials for electronics // Phys. Metal. Metallogr. 2020. V. 121. P. 851–893.
  38. 38. Golovin I.S. Anelastic Effects in Fe–Ga and Fe–Ga-Based Alloys: A Review // Materials. 2023. V. 16. P. 2365 (1–44).
  39. 39. Zener C. Elasticity and Anelasticity of Metals. Chicago, IL, USA: University of Chicago Press, 1948. 170 p.
  40. 40. Лукшина В.А., Старцева И.Е., Шур Я.С. Влияние доменной структуры и магнитных свойств кремнистого железа под влиянием термомагнитной, термомеханической и термомеханомагнитной обработок // ФММ. 1987. Т. 63. № 6. С. 1121–1126.
  41. 41. Кочурин В.А., Лукшина В.А., Тимофеева А.В., Шишкин Д.А., Матюнина М.В., Ершов Н.В., Горностырев Ю.Н. Управление магнитоупругими свойствами сплавов Fe-Ga с помощью термомеханической обработки // ФММ. 2025. T. 126. № 3. С. 291–297.
  42. 42. Зайкова В.А., Шур Я.С. О влиянии термомагнитной обработки на магнитные свойства и доменную структуру монокристаллов кремнистого железа // ФММ. 1967. Т. 23. № 4. С. 642–650.
  43. 43. Старцева И.Е. Индуцированная магнитная анизотропия железо-кремнистых сплавов и ее влияние на доменную структуру и магнитные свойства / Физические свойства магнитных материалов. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1982. С. 15–19.
  44. 44. Birkenbeil H.J., Cahn R.W. Induced magnetic anisotropy created by magnetic and stress annealing of iron-aluminium alloys // Proc. Phys. Soc. 1962. V. 79. No. 4. P. 831–847.
  45. 45. Лукшина В.А., Тимофеева А.В., Шишкин Д.А., Горностырев Ю.Н., Ершов Н.В. Влияние термомагнитной обработки на магнитные свойства магнитомягких сплавов железо–германий // ФММ. 2023. Т. 124. № 12. С. 1196–1204.
  46. 46. Драгошанский Ю.Н., Шур Я.С. О формировании доменной структуры кристаллов кремнистого железа // ФММ. 1966. Т. 21. № 5. С. 678–687.
  47. 47. Шур Я.С., Драгошанский Ю.Н. О виде замыкающих областей внутри кристаллов кремнистого железа // ФММ. 1966. Т. 21. № 5. С. 702–710.
  48. 48. Зайкова В.А., Старцева И.Е., Филиппов Б.Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. М.: Наука, 1992. 272 с.
  49. 49. Hubert A., Schafer R. Magnetic Domains. The Analysis of Magnetic Microstructures. New York: Springer Berlin Heidelberg, Corrected, 3rd Printing, 2009. 707 p.
  50. 50. Wun-Fogle M., Restorff J.B., Clark A.E. Magneto-striction 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.
  51. 51. Neél L. Anisotropie magnétique superficielle et surstructures d’orientation // J. Phys.-Paris. 1954. V. 15. No. 4. P. 225–239.
  52. 52. 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 и условия его термической обработки // ФММ. 2025. T. 126. № 3. С. 316–327.
  53. 53. 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.
QR
Translate

Indexing

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Higher Attestation Commission

At the Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Scopus

Scientific Electronic Library