Атомистическое моделирование диффузии примесей по границе зерна Σ3(112) в ОЦК-железе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлен атомистический DFT анализ диффузии примесных атомов хрома, никеля и меди в ОЦК-железе как в объеме, так и по границе зерен S3(112). Исследованы вклады вакансионного и междоузельного механизмов переноса примесных атомов, определены направления преимущественной диффузии. Рассчитаны температурные зависимости коэффициентов диффузии с учетом наличия магнитного момента атомов раствора, а также зависимости намагниченности от температуры. Температурные зависимости коэффициентов диффузии немагнитных примесей хрома и меди в объеме и по границе зерна S3(112) обнаруживают сходство с соответствующими зависимостями для самодиффузии атомов железа. Зависимости коэффициентов диффузии атомов никеля характеризуются более сильной анизотропией переноса по границе зерен в сравнении с рассмотренными немагнитными примесями.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Кочаев

Ульяновский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.kochaev@gmail.com
Россия, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновск, 432017

П. Е. Львов

Ульяновский государственный университет

Email: a.kochaev@gmail.com
Россия, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновск, 432017

Список литературы

  1. Peng Z., Meiners T., Lu Y., Liebscher C.H., Kostka A., Raabe D., Gault B. Quantitative analysis of grain boundary diffusion, segregation and precipitation at a sub-nanometer scale // Acta Mater. 2022. V. 225. P. 117522.
  2. Thuvander M., Andersson M., Stiller K. Atom probe tomography investigation of lath boundary segregation and precipitation in a maraging stainless steel // Ultramicroscopy. 2013. V. 132. P. 265–270.
  3. Разумов И.К., Ермаков А.Е., Горностырев Ю.Н., Страумал Б.Б. Неравновесные фазовые превращения в сплавах при интенсивной пластической деформации // Усп. Физич. наук. 2020. Т. 190. C. 785–810.
  4. Straumal B.B., Dobatkin S.V., Rodin A.O., Protasova S.G., Mazilkin A.A., Goll D., Baretzky B. Structure and properties of nanograined Fe–C alloys after severe plastic deformation // Adv. Eng. Mater. 2011. V. 13. № 6. P. 463–469.
  5. Бескоровайный Н.М., Калин Б.А., Платонов П.А., Чернов И.И. Конструкционные материалы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1995. 215 с.
  6. Pareige C., Etienne A., Gueye P.-M., Medvedev A., Kaden C., Konstantinovic M.J., Malerba L. Solute rich cluster formation and Cr precipitation in irradiated Fe–Cr–(Ni, Si, P) alloys: ion and neutron irradiation // J. Nuclear Mater. 2022. V. 572. P. 154060.
  7. Chen Qi, Hu R., Jin S., Xue F., Sha G. Irradiation-induced segregation/desegregation at grain boundaries of a ferritic Fe–Mn–Si steel // Acta Materialia. 2021. V. 220. P. 117297.
  8. Mai H.L., Cui X.-Y., Scheiber D., Romaner L.R., Simon P. The segregation of transition metals to iron grain boundaries and their effects on cohesion // Acta Mater. 2022. V. 231. P. 117902.
  9. Dangwal S., Edalati K., Valiev R.Z., Langdon T.G. Breaks in the Hall–Petch Relationship after Severe Plastic Deformation of Magnesium, Aluminum, Copper, and Iron // Crystals. 2023. V. 13. № 3. P. 413.
  10. Xu Z., Shen Y.-F., Naghibzadeh S.K., Peng X., Muralikrishnan V., Maddali S., Menasche D., Krause A.R., Dayal K., Suter R.M., Rohrer G.S. Grain boundary migration in polycrystalline α-Fe // Acta Mater. 2024. V. 264. P. 119541.
  11. Каур И., Густ В. Диффузия по границам зерен и фаз. М.: Машиностроение, 1991. 448 с.
  12. Herzig C., Mishin Y. Grain boundary diffusion in metals / in book eds. Heitjans P., Kärger J. Diffusion in condensed matter. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2005. P. 337–366.
  13. Hoffman R.E. Anisotropy of grain boundary self-diffusion // Acta Metal. 1956. V. 4. № 1. P. 97–98.
  14. L'vov P.E., Sibatov R.T., Svetukhin V.V. Anisotropic grain boundary diffusion in binary alloys: Phase-field approach // Mater. Today Comm. 2023. V. 35. P. 106209.
  15. Tikhonchev M., Meftakhutdinov R., L’vov P. Mixing enthalpy near grain boundaries in Fe–Cr alloy: The results of atomistic simulation // J. Nuclear Mater. 2023. V. 585. P. 154611.
  16. Kochaev A., L’vov P. Anisotropic diffusion in symmetric tilt grain boundaries in bcc iron: a DFT study // Materialia. 2023. V. 32. P. 101953.
  17. Tikhonchev M. MD simulation of vacancy and interstitial diffusion in FeCr alloy // Phys. Scripta. 2023. V. 98. P. 095927.
  18. Ступак М.Е., Уразалиев М.Г., Попов В.В. Атомистическое моделирование симметричной и асимметричных границ зерен наклона Σ5 ❬001❭ в ниобии: структура, энергия, точечные дефекты, зернограничная самодиффузия // ФММ. 2023. T. 124. № 8. C. 732–738.
  19. Уразалиев М.Г., Ступак М.Е., Попов В.В. Атомистическое моделирование самодиффузии и диффузии со вдоль симметричных границ зерен наклона [2 1 1 0] в α-Ti // ФММ. 2023. T. 124. № 9. C. 861–872.
  20. Koju R.K., Mishin Y. Atomistic study of grain-boundary segregation and grain-boundary diffusion in Al–Mg alloys // Acta Mater. V. 201. P. 596–603.
  21. Starikov S., Mrovec M., Drautz R. Study of grain boundary self-diffusion in iron with different atomistic models // Acta Mater. 2020. V. 188 P. 560–569.
  22. Versteylen C.D., van Dijk N.H., Sluiter M.H.F. First-principles analysis of solute diffusion in dilute bcc Fe-X alloys // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. P. 094105.
  23. Sholl D.S. Using density functional theory to study hydrogen diffusion in metals: a brief overview // J. Alloys Compounds. 2007. V. 446–447. P. 462–468.
  24. Van de Walle C.G., Neugebauer J. First-principles calculations for defects and impurities: Applications to III-nitrides // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. P. 3851–3879.
  25. Мефтахутдинов Р.М., Тихончев М.Ю., Евсеев Д.А. Исследование структурных и энергетических свойств границ (210) и (130) в железе и сплаве Fe–Cr // ФММ. 2023. T. 124. № 5. C. 384–391.
  26. Kochaev A., Efimov V., Kaya S., Flores-Moreno R., Katin K., Maslov M. On point perforating defects in bilayer structures // Phys. Chem. Chem. Phys. 2023. V. 25. P. 30477–30487.
  27. Смирнова Н.А. Методы статистической термодинамики в физической химии. М.: Высшая школа, 1982. 456 с.
  28. Mills G., Jonsson H., Schenter G.K. Reversible work transition state theory: application to dissociative adsorption of hydrogen // Surface Science. 1995. V. 324. P. 305–337.
  29. Smidstrup S., Pedersen A., Stokbro K., Jónsson H. Improved initial guess for minimum energy path calculations // J. Chem. Phys. 2014. V. 140. P. 214106.
  30. Kistanov A.A., Kripalani D.R., Cai Y., Dmitriev S.V., Zhou K., Zhang Y.-W. Ultrafast diffusive cross-sheet motion of lithium through antimonene with 2+1 dimensional kinetics // J. Mater. Chem. A. 2019. V. 7. P. 2901–2907.
  31. Poletaev G.M., Kaygorodova V.M., Elli G.A., Uzhakina O.M., Baimova J.A. Research of the atomic clusters diffusion over the (111) and (100) surfaces of Ni crystal // Letters on Materials. 2014. V. 4. P. 218–221.
  32. Truhlar D.G., Garrett B.C., Klippenstein S.J. Current status of transition-state theory // J. Phys. Chem. 1996. V. 100. P. 12771–12800.
  33. Iijima Y. Diffusion in high-purity iron: Influence of magnetic transformation on diffusion // J. Phase Equil. Diffusion. 2005. Т. 26. P. 466–471.
  34. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Letters. 1996. V. 77. P. 3865–3868.
  35. Smidstrup S., Markussen T., Vancraeyveld P., Wellendorff J., Schneider J., Gunst T., Verstichel B., Stradi D., Khomyakov P.A., Vej-Hansen U.G., Lee M.-E., Chill S.T., Rasmussen F., Penazzi G., Corsetti F., Ojanperä A., Jensen K., Palsgaard M.L.N., Martinez U., Blom A., Brandbyge M., Stokbro K. QuantumATK: an integrated platform of electronic and atomic-scale modelling tools // J. Phys.: Condensed Matter. 2019. V. 32. P. 015901.
  36. Zheng H., Li X.-G., Tran R., Chen C., Horton M., Winston D., Persson K.A., Ong S.P. Grain boundary properties of elemental metals // Acta Mater. 2020. V. 186. P. 40–49.
  37. Shu X., Chongyu W. Self-diffusion of Fe and diffusion of Ni in Fe calculated with MAEAM theory // Physica B: Condensed Matter. 2004. V. 344. № 1–4. С. 413–422.
  38. Toyama T., Zhao C., Yoshiee T., Yamasaki S., Uno S., Shimodaira M., Miyata H., Suzudo T., Shimizu Y., Yoshida K., Inoue K., Nagai Y. Radiation-enhanced diffusion of copper in iron studied by three-dimensional atom probe // J. Nucl. Mater. 2021. V. 556. P. 153176.
  39. Pérez R.A., Weissmann M. Ab initio study of magnetic effects on diffusion in α-Fe // J. Phys.: Condensed Matter. 2004. V. 16. P. 7033–7043.
  40. Mehrer H. Diffusion in solid metals and alloys. Landolt-Börnstein — Group III Condensed Matter 26: Condensed Matter. Springer Verlag: Berlin Heidelberg. 1990.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Атомистические модели прилегающих друг к другу кристаллитов, образующих ГЗ S3(112): а — базовая модельная ячейка; б — модельная расчетная область, полученная путем трансляции модельной ячейки в направлениях х и y; в — атомы в плоскости ГЗ, образующие РСУ.

Скачать (116KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Энергетически оптимальные положения примесных атомов Cr, Ni и Cu (оранжевые шары) в плоскости ГЗ S3(112): а — в области вакансионного дефекта; б — в междоузельном положении.

Скачать (81KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схематическое изображение индивидуальных прыжков атомов примеси, обуславливающих: а — вакансионный тип диффузии в y-направлении; б — вакансионный тип диффузии в x-направлении; в — междоузельный тип диффузии в y-направлении; г — междоузельный тип диффузии в x-направлении.

Скачать (175KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости коэффициентов диффузии D собственных (Fe) и примесных атомов (Cr, Ni и Cu) от обратной температуры 1/T в ОЦК-железе. Диффузия осуществляется посредством вакансионного механизма в объеме материала, в плоскости ГЗ S3(112) в y-направлении и в z-направлении из ГЗ S3(112) в объем.

Скачать (277KB)
Метаданные