[논문 리뷰] Magnetochemical coupling effects on thermodynamics, point-defect formation and diffusion in Fe-Ni alloys: a theoretical study

Kangming Li|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 01.

Microstructure and Mechanical Properties of Steels참고 문헌 211인용 수 4

한 줄 요약

이 이론적 연구는 밀도함수이론(DFT)과 DFT로 캘리브레이션된 효과적 상호작용 모델(EIM)을 사용한 몬테카를로(MC) 시뮬레이션을 통해 Fe-Ni 합금에서 열역학, 결함형성, 그리고 확산에 미치는 자화상호작용의 영향을 조사한다. 연구 결과, 체내면체 FCC Fe-Ni에서 자성 불순물이 공여자 형성 자유에너지 증가시키는 반면, 화학적 불순물은 이를 반대 방향으로 줄이는 것으로 나타났으며, 확산과 상 안정성에서 스핀 변동의 핵심적 역할을 규명하여 편재성 스틸에서 자성 합금 거동을 통합적으로 설명하는 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

This thesis is a theoretical study of thermodynamic, point-defect formation and diffusion properties in Fe-Ni alloys with a focus on the magnetochemical effects. The results are derived from density functional theory (DFT) calculations and Monte Carlo (MC) simulations using a DFT-parametrized effective interaction model (EIM) with explicit atomic and spin variables. The first part of this work is focused on thermodynamics. We compute via DFT energetic, magnetic and vibrational properties and the bcc-fcc phase diagram, revealing the relative importance between magnetic and vibrational entropies. Combining MC simulations with the EIM, we obtain an fcc phase diagram across the Curie points. We also discuss Mn and Cr effects on phase stability. The second part of the work is dedicated to point-defect properties. We develop MC schemes to compute vacancy formation free energy in alloys. We show that vacancy formation in fcc Fe and Ni exhibits features that are well distinct from those in bcc Fe. The results in fcc Fe-Ni alloys reveal that magnetic disorder tends to increase vacancy formation free energy, while chemical disorder shows an opposite effect. We also study magnetic effects on the properties of self-interstitials in fcc Fe and Ni. The final part of the work is devoted to vacancy-mediated diffusion. We evaluate diffusion properties over the whole concentration range, probe into the magnetochemical effects on diffusion. This work fully takes into account the impacts of transversal and longitudinal spin fluctuations and the magnetochemical interplay. It provides an accurate and consistent prediction of thermodynamic, defect formation and diffusion properties in the Fe-Ni system, and contributes to a better understanding of effects of magnetism in austenitic steels. The applied approach is also transferable to the investigation of other magnetic alloys.

연구 동기 및 목표

• Fe-Ni 합금에서 열역학적 안정성에 영향을 주는 자성과 화학의 상호작용을 이해하기 위해.
• bcc 및 fcc Fe와 Ni에서의 공여자 형성 자유에너지에 대한 자성 및 화학적 불순물의 영향을 정량화하기 위해.
• 스핀 변동이 Fe-Ni 체계에서 자기이종 및 공여자 매개 확산에 어떻게 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 결함 성질에 대해 자성 및 화학적 자유도를 통합하는 일관된 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• Mn 및 Cr 도핑의 영향을 포함하여 Fe-Ni 합금의 상 안정성에 대한 이해를 확장하기 위해.

제안 방법

• bcc 및 fcc Fe-Ni 상의 에너지, 자성, 진동 성질을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 사용하기 위해.
• 원자 및 스핀 자유도를 명시적으로 포함하는 DFT로 캘리브레이션된 효과적 상호작용 모델(EIM)을 구축하기 위해.
• EIM을 사용한 몬테카를로(MC) 시뮬레이션을 통해 Curie 온도 근처에서 fcc 상의 상도표를 계산하기 위해.
• 자기적 및 화학적 불순물이 존재하는 불순합 Fe-Ni 합금에서의 공여자 형성 자유에너지 계산을 위해 특수화된 MC 기법 개발하기 위해.
• 스핀 변동(횡방향 및 종방향)을 시뮬레이션 프레임워크에 통합하여 결함 및 확산 성질에 미치는 영향 평가하기 위해.
• 동일한 자화화학 모델을 사용하여 전체 농도 범위에서 공여자 매개 확산 계수 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe-Ni 합금에서 bcc 및 fcc 상의 상대적 안정성에 기여하는 자성 엔트로피와 진동 엔트로피의 기여는 어떻게 되는가?
• RQ2 자기적 불순물이 fcc Fe와 Ni에서의 공여자 형성 자유에너지에 미치는 영향은 무엇이며, 화학적 불순물과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 횡방향 및 종방향 스핀 변동이 Fe-Ni 합금의 점결함 열역학 및 동역학에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 Mn 및 Cr 첨가가 Fe-Ni 체계에서 상 안정성과 결함 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 자화화학적 결합이 Fe-Ni 합금에서 자기확산 및 상호확산 거동에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 특히 Curie 온도 근처에서 fcc 상 안정화에 자성 엔트로피가 진동 엔트로피보다 지배적인 영향을 미친다.
• fCC Fe와 Ni에서 자성 불순물이 증가할수록 공여자 형성 자유에너지가 증가하지만, 화학적 불순물은 이를 반대 방향으로 안정화 효과를 가진다.
• 특히 종방향 모드를 포함한 스핀 변동이 점결함의 자유에너지 표면에 상당한 영향을 미치며, 이는 그들의 형성 및 이동에 영향을 준다.
• fCC Fe-Ni 합금에서 자성 불순물과 화학적 불순물 간의 경쟁으로 인해 공여자 형성 자유에너지가 비단조화적인 농도 의존성을 보인다.
• 확산 계수는 자화화학적 결합에 의해 크게 영향을 받으며, 특정 농도 영역에서는 스핀 변동이 장거리 확산을 억제한다.
• EIM 기반의 MC 프레임워크는 Curie 점을 통과하는 fcc 상도표를 성공적으로 재현하였으며, 자성과 화학의 복잡한 상호작용이 결함 열역학에 어떻게 작용하는지 잘 묘사하였다.