A Study of the Structural and Energy Properties of (210) and (130) Boundaries in Iron and an Fe–Cr Alloy

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The structure and energy properties of symmetric tilt boundaries Σ5 (130)[001] and Σ5 (210)[001] in iron and low-concentration Fe–Cr alloys are investigated from first principles and by the molecular statistics method. It is shown that the boundary strongly changes the interplane distances. The sequence of multilayer
relaxation comprises damped oscillations, gradually decreasing into the grains. The energy for the replacement of iron with chromium atoms near the boundaries is lower than in pure iron. Our calculations indicate the tendency to accumulate Cr atoms and vacancies near the grain boundaries.

About the authors

R. M. Meftakhutdinov

Ulyanovsk State University

Email: comrade-dmitriy@mail.ru
Ulyanovsk, 432017 Russia

M. Yu. Tikhonchev

Ulyanovsk State University

Email: comrade-dmitriy@mail.ru
Ulyanovsk, 432017 Russia

D. A. Evseev

Ulyanovsk State University

Author for correspondence.
Email: comrade-dmitriy@mail.ru
Ulyanovsk, 432017 Russia

References

  1. Krasko G.L., Olson G.B. Effect of boron, carbon, phosphorus and sulphur on intergranular cohesion in iron // Solid State Comm. 1990. V. 76. P. 247–251.
  2. Zhang Y., Feng W.-Q., Liu Y.-L., Lu G.-H., Wang T. First-principles study of helium effect in a ferromagnetic iron grain boundary: Energetics, site preference and segregation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2009. V. 267(18). P. 3200−3203.
  3. He B., Xiao W., Hao W., Tian Z. First-principles investigation into the effect of Cr on the segregation of multi-h at the Fe Σ3 (111) grain boundary // J. Nucl. Mater. 2013. V. 441. P. 301−305.
  4. Čak M., Šob M., Hafner J. First-principles study of magnetism at grain boundaries in iron and nickel // Phys. Rev. B. 2008. V. 78(5).
  5. Xu Z., Tanaka S., Kohyama M. Grain-boundary segregation of 3d-transition metal solutes in bcc fe: ab initio local-energy and d-electron behavior analysis // J. Phys.: Condensed Matter. 2019. V. 31. P. 115001.
  6. Mai H.L., Cui X.-Y., Scheiber D., Romaner L., Ringer S. The segregation of transition metals to iron grain boundaries and their effects on cohesion // Acta Mater. 2022. V. 231. P. 117902.
  7. Tikhonchev M., Muralev A., Svetukhin V. MD simulation of atomic displacement cascades in random Fe–9 at % Cr binary alloy with twin grain boundaries // Fusion Sci. Techn. 2014. V. 66. P. 91–99.
  8. Caro A., Crowson D.A., Caro M. Classical Many-Body Potential for Concentrated Alloys and the Inversion of Order in Iron-Chromium Alloys // Phys. Rev. Letters. 2005. V. 95. P. 075702.
  9. Zhang J., Liu W., Chen P., He H., He C., Yun D. Molecular dynamics study of the interaction between symmetric tilt Σ5(210) [001] grain boundary and radiation-induced point defects in Fe–9Cr alloy // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B. 2019. V. 451. P. 99–103.
  10. Smidstrup S., Markussen T., Vancraeyveld P., Wellendorff J., Schneider J., Gunst T., Verstichel B., Stradi D., Khomyakov P., Vej-Hansen U., Lee M.-E., Chill S., Rasmussen F., Penazzi G., Corsetti F., Ojanperä A., Jensen K., Palsgaard M., 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.
  11. Setten M.J., Giantomassi M., Bousquet E., Verstraete M.J., Hamann D.R., Gonze X., Rignanese G.-M. The PseudoDojo: Training and grading a 85 element optimized norm-conserving pseudopotential table // Comp. Phys. Comm. 2018. V. 226. P. 39−54.
  12. Perdew J., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Letters. 1996. V. 77. P. 3865−3868.
  13. Methfessel M., Paxton. A. High-precision sampling for brillouin-zone integration in metals // Physical Review B. 1989. V. 40. P. 3616−3621.
  14. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. B. 1984. V. 29. P. 6443–6453.
  15. Rapoport D.C. The art of molecular dynamics simulation, 2nd edition. Cambridge University Press, 2004. 565 p.
  16. Ackland G.J., Mendelev M.I., Srolovitz D.J., Han S.W., Barashev A.V. Development of an interatomic potential for phosphorus impurities in α-iron // J. Phys.: Condens. Matter. 2004. S2629–S2642.
  17. Olsson P., Wallenius J., Domain C., Nordlund K., Malerba L. Two-band modeling of α-prime phase formation in Fe–Cr // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 214119.
  18. Eich S. M., Beinke D., Schmitz G. Embedded-atom potential for an accurate thermodynamic description of the iron–chromium system // Comp. Mater. Sci. 2015. V. 104. P. 185–192.
  19. Zheng H., Li X.-G., Tran R., Chen C., Horton M., Winston D., Persson K., Ong S. Grain boundary properties of elemental metals // Acta Mater. 2020. V. 186. P. 40−49.
  20. Wang J., Madsen G., Drautz R. Grain boundaries in bcc-fe: a density-functional theory and tight-binding study // Modelling and Simulation in Mater. Sci. Eng. 2018. V. 26. P. 025008.
  21. Sokolov J., Jona F., Marcus P.M. Trends in metal surface relaxation // Solid State Comm. 1984. V. 49. P. 307−312.
  22. Blonski P., Kiejna A. Structural, electronic, and magnetic properties of bcc iron surfaces // Surface Sci. 2007. V. 601. P. 123−133.
  23. Jin H., Elfimov I., Militzer M. Study of the interaction of solutes with Σ5 (013) tilt grain boundaries in iron using density-functional theory // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. P. 093506.
  24. Olsson P., Domain D., Wallenius J. Ab initio study of Cr interactions with point defects in bcc Fe // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. P. 014110.
  25. Львов П.Е., Светухин В.В. Влияние границ зерен на распределение компонентов в бинарных сплавах // ФТТ. 2017. Т. 59. С. 2425−2434.
  26. Kamachali R.D. A model for grain boundary thermodynamics // RSC Advances. 2020. V. 10. P. 26728−26741.
  27. L’vov P.E., Sibatov R.T. Phase-field model of grain boundary diffusion in nanocrystalline solids: Anisotropic fluctuations, anomalous diffusion, and precipitation // J. Appl. Phys. 2022. V. 132. P. 124304.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (407KB)
3.

Download (196KB)
4.

Download (94KB)
5.

Download (119KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».