[논문 리뷰] Transition metal solute interactions with point defects in austenitic iron from first principles

D. J. Hepburn, E. MacLeod외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 30.

Fusion materials and technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 오스테니틱 철에 침입한 과도하게 큰 전이 금속 용매가 국소적 응력장으로 인해 흠결과 자기간섭입자를 강하게 포획하여 결함 이동성과 순수 결함 농도를 감소시킴을 밝혀냈다. 이는 오스테니틱 스틸에서 팽창 감소 및 방사선 유도 분할을 설명하며, Ti, Zr, Hf와 같은 과도하게 큰 용매는 효과적인 결함 수거지이자 원형공극 및 루프의 핵형성 위치로 기능한다.

ABSTRACT

We present a comprehensive set of first principles electronic structure calculations to study transition metal solutes and their interactions with point defects in austenite. Clear trends were observed across the series. Solute-defect interactions were strongly correlated to the solute size factors, consistent with local strain field effects. Strong correlations with results in ferrite show insensitivity to the underlying crystal structure in Fe. Oversized solutes act as strong traps for vacancy and self-interstitial defects and as nucleation sites for the development of proto-voids and small self-interstitial loops. The reduction in defect mobility and net defect concentrations explains the observed radiation-damage resistance in austenitic steels doped with oversized solutes. Oversized solutes remaining dissolved in oxide dispersion-strengthened (ODS) steels could contribute to their radiation-damage resistance. Ni and Co diffuse more slowly than Fe, along with any vacancy flux produced under irradiation below a critical temperature, which is 400 K for Co and their concentrations should be enhanced at defect sinks. Cr and Cu diffuse more quickly than Fe, against a vacancy flux and will be depleted at defect sinks. Oversized solutes early in the transition metal series form highly-stable solute-centred divacancy (SCD) defects with a nearest-neighbour vacancy. The vacancy-mediated diffusion of these solutes is dominated by the dissociation and reassociation of the SCDs, with a lower activation energy than for self-diffusion, which has important implications for the nucleation and growth of complex oxide nanoparticles containing these solutes in ODS steels. Interstitial-mediated solute diffusion is energetically disfavoured for all except Cr, Mn, Co and Ni. The central role that solute size plays in the results presented here means they should apply to other solvent metals and alloys.

연구 동기 및 목표

• 오스테니틱 스틸에 과도하게 큰 전이 금속 용매가 도핑된 경우 감소하는 팽창과 방사선 유도 분할의 원자 척도 메커니즘을 이해하기 위해.
• 용매 크기와 전자 구조가 삼차원 입면 중심 구조(오스테니틱) 철에서 용매-결함 상호작용에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 산화물 분산 강화(ODS) 스틸에서 과도하게 큰 용매의 역할을 평가하기 위해, 특히 용해된 용매가 방사선 손상에 대한 저항성에 기여하는지 여부를 분석하기 위해.
• 오스테니틱 철에서 전이 금속 용매의 흠결 및 간섭입자 매개 확산 경로를 분석하기 위해.
• 용매 특성(크기, 전자 구조)과 결함 결합 에너지 사이의 기능적 관계를 수립하기 위해.

제안 방법

• fcc 철에 치환형 전이 금속 용매를 대상으로 밀도함수이론(DFT) 내에서 전면 잠재력 선형화된 평면파(FP-LAPW) 전자 구조 계산을 수행하였다.
• 다양한 구형과 거리에서 용매가 흠결 및 자기간섭입자 결함(SI)에 대한 결합 에너지를 계산하였다.
• 용매 근처에서의 흠결 이동 에너지와, 흠결 매개 및 간섭입자 매개 경로를 통한 용매 확산 에너지를 계산하였다.
• 비물리적 구성이 발생하지 않도록 제약 조건을 적용한 분리된 흠결 이동 경로(ω3, ω4)를 사용하여 용매 존재 시 결함 이동을 모델링하였다.
• 특히 초기 전이 금속에 대해 용매 중심의 이중 흠결(SCD) 형성과 안정성을 분석하였다.
• 결함-용매 상호작용의 구조적 민감도를 평가하기 위해 체심입방정구조(BCC) 철과 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용매 크기와 전자 구조는 오스테니틱 철에서 전이 금속 용매와 점 결함 간의 결합 에너지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 국소적 응력장이 용매-결함 상호작용을 어떻게 매개하는가? 이는 용매 크기 요인과 어떻게 관련되는가?
• RQ3 방사선 조건에서 Ni/Co(Fe보다 느린)와 Cr/Cu(Fe보다 빠른) 용매의 흠결 매개 확산은 어떻게 다를까?
• RQ4 용매 중심의 이중 흠결(SCD) 결함의 안정성과 형성 메커니즘은 무엇이며, 이는 용매 확산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 용매-결함 상호작용은 기질 결정 구조(예: fcc 대비 bcc 철)에 대해 얼마나 민감하지 않은가?

주요 결과

• 과도하게 큰 용매(예: Ti, Zr, Hf)는 흠결과 자기간섭입자 양쪽 모두에 강한 결합을 보이며, 일부 경우에서 결합 에너지가 1 eV를 초과하여 효과적인 포획을 나타낸다.
• Ni와 Co의 흠결 매개 확산은 Fe의 자기확산보다 느리며, 400±50 K 이하에서 용매 확산이 결함 수거지에서 증가하는 임계 온도가 존재한다.
• Cr과 Cu는 흠결 확산에 비해 Fe보다 더 빠르게 확산되어, 결함 수거지에서 농도 감소를 보이며, 이는 실험적 RIS 경향과 일치한다.
• 초기 전이 금속 용매(예: Ti, V, Cr)는 가장 가까운 이웃 흠결을 포함한 매우 안정한 용매 중심 이중 흠결(SCD) 결함을 형성하여 확산의 활성화 에너지를 낮춘다.
• 자기간섭입자 매개 확산은 Cr, Mn, Co, Ni를 제외한 모든 용매에 대해 에너적으로 불리하게 작용하며, 이들 자화 용매는 약한 간섭입자 경로를 보인다.
• fcc 철에서의 결합 에너지 및 결함 상호작용은 bcc 철과 강한 유사성을 보이며, 결정 구조에 민감하지 않으며 철의 다형성에 일반화 가능함을 시사한다.