Ab Initio Investigation of Interfacial and Grain Boundary Properties of Metals and Alloys

Abstract

Fasgränssnitt (IF) och korngränser (GB) är vanliga men kritiska plana defekter som påverkar de mekaniska och fysiska egenskaperna hos polykristallina material. På grund av den komplexa naturen hos IF och GB, både vad gäller struktur och kemi, är det utmanande att bestämma de exakta överskottenergierna för dessa defekter både genom experimentella mätningar och teoretiska simuleringar. I denna avhandling använder jag först-principer-metoder för att försöka etablera en effektiv och robust modell för att förutsäga IF- och GB-egenskaper i elementära metaller och komplexa multikomponentlegeringar, inklusive temperatur- och sammansättningsberoenden.

Först fokuserar jag på temperaturberoende interfacial energi (IFE) för Cu-Co-legeringar. IFE spelar en avgörande roll för att bestämma termodynamiken och kinetiken för nukleation och utfällning. Jag börjar med att bedöma fasdiagrammet för Cu-Co-legeringar genom ab initio-beräkningar, som används för att etablera sammansättnings-temperaturförhållandet för utfällningar och matris. Beräkningar av de fysikaliska och termodynamiska egenskaperna för ferromagnetiska (FM) och paramagnetiska (PM) $\ce{Cu}_{1-x}\ce{Co}_{x}$-fasta lösningar utförs med hjälp av exact muffin-tin orbital (EMTO)-metoden i kombination med den koherenta potentialapproximationen (CPA) för att hantera kemisk och magnetisk slumpmässighet. Denna studie visar att jämviktsvolymerna och magnetiska tillstånd är avgörande för en kvantitativ beskrivning av termodynamiken för Cu-Co-systemet vid temperaturer upp till 1400 K. Det förutsagda ab initio-fasdiagrammet för Cu-Co stämmer väl överens med mätningar och CALPHAD-data. Därefter undersöks sammansättnings-och magnetberoe- nde IFE för ett koherent $\ce{Cu}_{1-x}\ce{Co}_{x}$/$\ce{Cu}_{x}\ce{Co}_{1-x}$-gränssnitt vid olika magnetiska tillstånd, inklusive FM, PM och de blandade PM+FM-tillstånden för att ta hänsyn till magnetiska tillståndsändringar vid olika temperaturer. Sedan översätter jag sammansättningsberoendet av IFE till temperaturberoende. De erhållna resultaten är rimligt överensstämmande med de som erhållits genom experiment och termodynamiska beräkningar. Avhandlingens första del ger en ab initio-databas för IFE i Cu-Co-systemet och betonar vikten av att förstå och korrekt beskriva olika fysiska och termodynamiska storheter i olika materialmodelleringsansatser.

Denna avhandling har två huvudfokus, där det andra fokuset är på korngränsenergi (GBE). Vi beräknar GBE:erna för tio face-centered cubic (fcc) och sju body-centered cubic (bcc) metaller. Olika typer av symmetriska tilt-GB-strukturer från tvillinggränser upp till $\Sigma$19-coincident site lattice (CSL) gränser studeras med hjälp av Vienna Ab initio Simulation Package (VASP). Ab initio-resultat visar en korrelation mellan GBE:erna för samma korngränsst- ruktur i olika fcc- och bcc-metaller. Viktigt nog visar jag att korrelationsfaktorn bäst bestäms av förhållandet mellan lågindex-ytenergi. Genom att använda denna korrelation förutsägs de allmänna GBE:erna för fcc- och bcc-metaller vid 0 K. Dessutom förutsägs de allmänna GBE:erna vid förhöjda temperaturer med Foiles metod, som antar att de allmänna GBE:erna har en liknande temperaturberoende som den elastiska modulen $c_{44}$. De så erhållna teoretiska resultaten visar en bra överensstämmelse med tillgängliga experimentella data. Slutligen tillämpas den föreslagna metoden för att förutsäga de allmänna GBE:erna på komplexa multikomponentlegeringar (austenitiska Fe-Cr-Ni och ferritiska Fe-Cr-legeringar), vilket ger en parameteriserad förutsägelse av sammansättningen och temperaturberoende GBE. Efter att ha undersökt två vanliga experimentella metoder som används för att bestämma de allmänna GBE:erna, dras slutsatsen att de två uppsättningarna av experimentella GBE:er för fcc-metaller stämmer bra överens med varandra, medan de för bcc-metaller motsvarar olika korngränsstrukturer och skiljer sig åt med en faktor på 2. Den här delen av avhandlingen introducerar en effektiv och robust modell för att förutsäga de allmänna GBE:erna för metaller och legeringar, vilket underlättar korngränsingenjörskap för avancerad legeringsdesign.

Det tredje fokuset är på legering av GB-segregation i komplexa legeringar. Mangan (Mn) och Nickel (Ni) segregation beteenden vid bcc Fe-Cr korngränser undersöks. I denna segregation studie beaktas tre GB-strukturer, nämligen $\Sigma$3(111), $\Sigma$9(114) och $\Sigma$11(332). Först genomförs en systematisk jämförelse av de teoretiska segregationenergierna för Mn och Ni lösningsmedel i rena Fe GB:er mellan VASP och EMTO-beräkningar. EMTO-resultaten överensstämmer rimligt med VASP och tidigare teoretiska data, vilket indikerar en tillförlitlig potential för att fånga lösningsmedelens segregation beteenden. Sedan bestäms Mn och Ni segregationenergierna vid bcc Fe-Cr fasta lösning GB:er vid olika koncentrationer av matrisen och vid FM och PM tillstånd för att ta hänsyn till temperaturpåverkan på det magnetiska tillståndet med hjälp av EMTO-CPA-metoden. Starka magnetiska effekter på segregationenergin observeras. Särskilt upptäcks att Mn-atomen magnetiska tillstånd beror starkt på den lokala kemiska och strukturella miljön, vilket har en anmärkningsvärd effekt på segregationenergin. Det upptäcks att Mn och Ni visar olika segregationstendenser vid FM och PM tillstånd. Denna del av avhandlingen försöker undersöka lösningsmedelens segregationsegenskaper i komplexa fasta lösningar jämfört med rent metall eller utspädda legeringar, och förbättrar vår förståelse för GB-segregation i ingenjörslegeringar, som stål.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-326213