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

Kangming Li|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2023

Microstructure and Mechanical Properties of Steels参考文献 211被引用 4

一句话总结

本理论研究利用密度泛函理论（DFT）和DFT参数化的有效相互作用模型（EIM）的蒙特卡罗（MC）模拟，探讨了Fe-Ni合金中磁化学耦合效应对热力学、点缺陷形成及扩散的影响。研究发现，磁 disorder会提高面心立方（fcc）Fe-Ni中空位形成自由能，而化学 disorder 则产生相反的稳定化作用；同时揭示了自旋涨落对扩散和相稳定性的关键影响，为铁素体钢中磁性合金行为提供了统一的理论框架。

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.

研究动机与目标

• 理解磁性与化学在决定Fe-Ni合金热力学稳定性中的相互作用。
• 量化磁 disorder 和化学 disorder 对面心立方（fcc）Fe 和 Ni 中空位形成自由能的影响。
• 研究自旋涨落如何影响Fe-Ni体系中自间隙原子和空位介导的扩散行为。
• 建立一个整合磁性与化学自由度的统一理论框架，用于描述磁性合金中的缺陷性质。
• 拓展对Fe-Ni合金相稳定性的理解，包括Mn和Cr掺杂的影响。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算体心立方（bcc）和面心立方（fcc）Fe-Ni相的能级、磁性及振动性质。
• 构建一个显式包含原子与自旋自由度的DFT参数化有效相互作用模型（EIM）。
• 利用基于EIM的蒙特卡罗（MC）模拟计算面心立方相在居里温度附近的相图。
• 开发专用的MC算法，以计算在磁 disorder 和化学 disorder 共存条件下的非晶Fe-Ni合金中空位形成自由能。
• 将横向和纵向自旋涨落引入模拟框架，评估其对缺陷与扩散性质的影响。
• 使用相同的磁化学模型，计算全浓度范围内空位介导的扩散系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁熵与振动熵在Fe-Ni合金中面心立方（fcc）与体心立方（bcc）相相对稳定性中的贡献如何？
• RQ2 磁 disorder 对面心立方（fcc）Fe 和 Ni 中空位形成自由能有何影响？其与化学 disorder 的影响相比如何？
• RQ3 自旋涨落（包括横向与纵向模式）如何影响Fe-Ni合金中点缺陷的热力学与动力学行为？
• RQ4 Mn 和 Cr 添加在调控Fe-Ni体系相稳定性和缺陷形成中的作用是什么？
• RQ5 磁化学耦合如何影响Fe-Ni合金中的自扩散与互扩散行为？

主要发现

• 在Fe-Ni合金中，磁熵在稳定面心立方（fcc）相方面起主导作用，尤其是在居里温度附近。
• 在面心立方（fcc）Fe 和 Ni 中，磁 disorder 会提高空位形成自由能，而化学 disorder 则产生相反的稳定化效应。
• 自旋涨落（尤其是纵向模式）显著改变点缺陷的自由能景观，从而影响其形成与迁移行为。
• 在面心立方（fcc）Fe-Ni合金中，磁 disorder 与化学 disorder 的竞争导致空位形成自由能呈现非单调的浓度依赖性。
• 扩散系数强烈受磁化学耦合影响，自旋涨落可在某些浓度区间抑制长程扩散。
• 基于EIM的MC框架成功再现了面心立方相在居里点附近的相图，并准确捕捉了磁性与化学在缺陷热力学中的复杂相互作用。