[论文解读] Ab initio simulations on the pure Cr lattice stability at 0K: Verification with the Fe-Cr and Ni-Cr binary systems

Songge Yang, Yi Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2021

Nuclear Materials and Properties参考文献 59被引用 5

一句话总结

本研究通过将从头计算结果与CALPHAD评估对比，解决了铬晶格稳定性长期存在的争议，证实体心立方（BCC）Cr在0K时稳定，并提出将从头计算结果整合入CALPHAD框架。对Fe-Cr和Ni-Cr体系的案例研究证实了将从头计算获得的Cr稳定性纳入下一代CALPHAD数据库的可行性。

ABSTRACT

Significant discrepancies have been observed and discussed on the lattice stability of Cr between the predictions from the ab initio calculations and the CALPHAD approach. In the current work, we carefully examined the possible structures for pure Cr and reviewed the history back from how Kaufman originally determined the Gibbs energy of FCC-Cr in the 1970s. The reliability of Cr lattice stability derived by the CALPHAD and ab initio approaches was systematically discussed. It is concluded that the Cr lattice stability based on the CALPHAD approach has large uncertainty. Meanwhile, we cannot claim that the ab initio HFCC-Cr is error-free as FCC-Cr is an unstable phase under ambient conditions. The present work shows that the ab initio HFCC-Cr can be a viable scientific approach. As both approaches have their limitations, the present work propose to integrate the ab initio results into the CALPHAD platform for the development of the next generation CALPHAD database. The Fe-Cr and Ni-Cr binary systems were chosen as two case studies demonstrating the capability to adopt the ab initio Cr lattice stability directly into the current CALPHAD database framework.

研究动机与目标

• 解决从头计算与CALPHAD在铬晶格稳定性预测上长期存在的分歧。
• 评估基于CALPHAD的FCC-Cr吉布斯能的可靠性，该相在常温下热力学不稳定。
• 评估从头计算方法在预测0K时Cr稳定相方面的准确性和局限性。
• 提出将从头计算结果整合入CALPHAD数据库的框架，以改进热力学建模。
• 展示基于从头计算的Cr稳定性在实际二元体系（Fe-Cr和Ni-Cr）中的实际应用。

提出的方法

• 采用从头计算密度泛函理论（DFT）计算，评估0K下多种Cr晶体结构的总能量。
• 回顾1970年代Kaufman对FCC-Cr吉布斯能的历史测定，以评估CALPHAD的假设。
• 将从头计算得到的形成能与相稳定性结果与CALPHAD评估在多种Cr结构上进行对比。
• 以计算得到的从头计算BCC-Cr稳定性为参考，重新校准并验证CALPHAD框架中的热力学参数。
• 将经验证的从头计算Cr稳定性应用于CALPHAD形式化框架下的Fe-Cr和Ni-Cr二元体系建模。
• 通过已知的实验相平衡数据和从头计算数据，验证所得CALPHAD评估结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何从头计算与CALPHAD方法在0K时Cr稳定性的预测上产生矛盾？
• RQ2 考虑到FCC-Cr在实验上已被观测到不稳定，基于CALPHAD的FCC-Cr吉布斯能有多可靠？
• RQ3 能否将0K时从头计算得到的BCC-Cr稳定性作为热力学建模的可靠参考？
• RQ4 在多大程度上可成功将从头计算结果整合入现有的CALPHAD数据库框架？
• RQ5 基于从头计算的Cr稳定性在多大程度上能准确再现Fe-Cr和Ni-Cr体系中的相平衡？

主要发现

• 从头计算证实，体心立方（BCC）Cr是0K时纯Cr的最稳定相，与CALPHAD假设的FCC-Cr稳定性相矛盾。
• CALPHAD对FCC-Cr的评估存在较大不确定性，因为FCC-Cr在常温下热力学不稳定。
• 从头计算得到的BCC-Cr结果具有稳健性且可行，尽管并非无误差，但为热力学建模提供了坚实基础。
• 将从头计算获得的Cr稳定性整合入CALPHAD框架，成功再现了Fe-Cr和Ni-Cr体系中的相平衡。
• 本研究为开发下一代CALPHAD数据库提供了路径，结合了第一性原理的精确性与CALPHAD的预测能力。
• Fe-Cr和Ni-Cr的案例研究验证了利用从头计算数据校正并增强现有CALPHAD评估的可行性和准确性。