THE ALLOYING EFFECT OF Si ON THERMODYNAMIC, MAGNETIC, AND ELASTIC PROPERTIES OF BCC Fe-Cr ALLOYS

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

In the framework of the density functional theory, the alloying effect of Si on the magnetic and elastic properties, as well as the thermodynamic stability at T = 0 K of ferromagnetic Fe-Cr solid solutions in the BCC structure was studied. Calculations of lattice parameters, mixing enthalpy, elastic constants, bulk moduli, Young’s and shear moduli of disordered binary Fe-Cr and triple Fe-Cr-Si alloys containing 2.3 at. % and 4.7 at. % Si were performed using PAW-SQS and EMTO-CPA methods. Effective chemical interactions of the configuration Hamiltonian, magnetic characteristics and exchange interactions of the Heisenberg Hamiltonian are obtained. A comparative analysis of all obtained properties for ternary Fe-Cr-Si alloys with respect to binary Fe-Cr alloys is carried out. It was found that the addition of 2.3 at. % Si increases the thermodynamic stability of Fe-Cr alloys; this effect is enhanced with an increase in the silicon concentration to 4.7 at.%. The result is due to the Fe-Si and Cr-Si chemical interactions in addition to the magnetic Fe-Cr interactions that determine the stability of the diluted binary alloys. It is shown that with Si addition an increase in the elastic constant C44 is observed, the values of the constants C11, C12 and elastic moduli are close to the corresponding values of binary FeCr alloys. Analysis of the concentration dependence of the ductility parameter G/B and charge density difference maps allowed to establish correlations between the changes in interatomic bonding and the properties of the alloys.

About the authors

A. V. Ponomareva

Materials Modeling and Development Laboratory, National University of Science and Technology ‘MISIS’

Author for correspondence.
Email: alena.ponomareva@misis.ru
Russian Federation, 119049, Moscow

References

  1. A. A. F. Tavassoli, J. Nucl. Mater. 258–263, 85 (1998).
  2. K. L. Murty and I. Charit, J. Nucl. Mater. 383, 189 (2008).
  3. P. Olsson, I. A. Abrikosov, L. Vitos, and J. Wallenius, J. Nucl. Mater. 321, 84 (2003).
  4. P. Olsson, I. A. Abrikosov, and J. Wallenius, Phys. Rev. B 73, 104416 (2006).
  5. T. P. C. Klaver, R. Drautz, and M. W. Finnis, Phys. Rev. B 74, 094435 (2006).
  6. M. Yu. Lavrentiev, R. Drautz, D. Nguyen-Manh, T. P. C. Klaver, and S. L. Dudarev, Phys. Rev. B 75, 014208 (2007).
  7. P. A. Korzhavyi, A. V. Ruban, J. Odqvist, J.-O. Nilsson, and B. Johansson, Phys. Rev. B 79, 054202 (2009).
  8. J. S. Wr´obel, M. R. Zem�la, D. Nguyen-Manh, P. Olsson, L. Messina, C. Domain, T. Wejrzanowski, and S. L. Dudarev, Comput. Mater. Sci. 194, 110435 (2021).
  9. P. Olsson, C. Domain, and J. Wallenius, Phys. Rev. B 75, 014110 (2007).
  10. L. Messina, T. Schuler, M. Nastar, M.-C. Marinica, and P. Olsson, Acta Mater. 191, 166 (2020).
  11. A. V. Ponomareva, A. V. Ruban, B. O. Mukhamedov, and I. A. Abrikosov, Acta Mater. 150, 117 (2018).
  12. I. K. Razumov and Yu. N. Gornostyrev, Phys. Met. Metallogr. 122, 1031 (2021).
  13. X. Li, X. Li, S. Sch¨onecker, R. Li, J. Zhao, and L. Vitos, Mater Des. 146, 260 (2018).
  14. H. Zhang, M. P. J. Punkkinen, B. Johansson, S. Hertzman, and L. Vitos, Phys. Rev. B 81, 184105 (2010).
  15. J. Xu, J. Zhao, P. Korzhavyi, and B. Johansson, Comput. Mater. Sci. 84, 301 (2014).
  16. V. I. Razumovskiy, A. V. Ruban, and P. A. Korzhavyi, Phys. Rev. B 84, 024106 (2011).
  17. J. S. Wr´obel, D. Nguyen-Manh, M. Yu. Lavrentiev, M. Muzyk, and S. L. Dudarev, Phys. Rev. B 91, 024108 (2015).
  18. A. V. Ponomareva, M. P. Belov, E. A. Smirnova, K. V. Karavaev, K. Sidnov, B. O. Mukhamedov, and I. A. Abrikosov, Phys. Rev. Mater. 4, 094406 (2020).
  19. W. Li, C. Xu, K. Chen, L. Liu, H. Yang, Q. Cheng, and M. Zeng, Coatings 12, 1588 (2022).
  20. R. Idczak, R. Konieczny, T. Pikula, and Z. Surowiec, Corrosion 75, 680 (2019).
  21. A. M. Huntz, V. Bague, G. Beaupl´e, C. Haut, C. S´ev´erac, P. Lecour, X. Longaygue, and F. Ropital, Appl. Surf. Sci. 207, 255 (2003).
  22. S. Paul, M. Muralles, D. Schwen, M. Short, and K. Momeni, J. Phys. Chem. C 125, 22863 (2021).
  23. G. Kresse and D. Joubert, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999).
  24. P. E. Bl¨ochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994).
  25. G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. B 47, 558 (1993).
  26. G. Kresse and J. Furthmu¨ller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996).
  27. G. Kresse and J. Furthmu¨ller, Comput. Mater. Sci. 6, 15 (1996).
  28. L. Vitos, Computational Quantum Mechanics for Materials Engineers, Springer-Verlag, London (2007).
  29. L. Vitos, I. A. Abrikosov, and B. Johansson, Phys. Rev. Lett. 87, 156401 (2001).
  30. A. Zunger, S.-H. Wei, L. G. Ferreira, and J. E. Bernard, Phys. Rev. Lett. 65, 353 (1990).
  31. H. J. Monkhorst and J. D. Pack, Phys. Rev. B 13, 5188 (1976).
  32. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
  33. J. von Pezold, A. Dick, M. Fri`ak, and J. Neugebauer, Phys. Rev. B 81, 094203 (2010).
  34. R. Hill, Proc. Phys. Soc. A 65, 349 (1952).
  35. J. Kollar, L. Vitos, and H. L. Skriver, Electronic Structure and Physical Properies of Solids, Springer, Berlin, Heidelberg (2000).
  36. A. V. Ruban and H. L. Skriver, Phys. Rev. B 66, 024201 (2002).
  37. A. V. Ruban, S. Shallcross, S. I. Simak, and H. L. Skriver, Phys. Rev. B 70, 125115 (2004).
  38. O. E. Peil, A. V. Ruban, and B. Johansson, Phys. Rev. B 85, 165140 (2012).
  39. R. F. W. Bader, Acc. Chem. Res. 18, 9 (1985).
  40. E. Sanville, S. D. Kenny, R. Smith, and G. Henkelman, J. Comput. Chem. 28, 899 (2007).
  41. A. V. Ruban and M. Dehghani, Phys. Rev. B 94, 104111 (2016).
  42. C. Wolverton and D. de Fontaine, Phys. Rev. B 49, 8627 (1994).
  43. R. Idczak, R. Konieczny, and J. Chojcan, Acta Phys. Pol. A 129, 367 (2016).
  44. J. M. Cowley, J. Appl. Phys. 21, 24 (1950).
  45. A. V. Ponomareva, A. V. Ruban, O. Yu. Vekilova, S. I. Simak, and I. A. Abrikosov, Phys. Rev. B 84, 094422 (2011).
  46. F. Ducastelle and F. Gautier, J. Phys. F 6, 2039 (1976).
  47. I. Mirebeau, M. Hennion, and G. Parette, Phys. Rev. Lett. 53, 687 (1984).
  48. R. Idczak, R. Konieczny, and J. Chojcan, Sol. St. Commun. 159, 22 (2013).
  49. O. I. Gorbatov, Y. N. Gornostyrev, A. R. Kuznetsov, and A. V. Ruban, Sol. St. Phenom. 172–174, 618 (2011).
  50. A. L. Sutton and W. Hume-Rothery, Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. 46, 1295 (1955).
  51. G. D. Preston, Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. 13, 419 (1932).
  52. M. Ropo, K. Kokko, and L. Vitos, Phys. Rev. B 77, 195445 (2008).
  53. E. P. Elsukov, G. N. Konygin, V. A. Barinov, and E. V. Voronina, J. Phys.: Condens. Matter 4, 7597 (1992).
  54. V. Niculescu, T. Litrenta, K. Raj, T. J. Burch, and J. I. Budnick, J. Phys. Soc. Jpn 42, 1538 (1977).
  55. A. I. Liechtenstein, M. I. Katsnelson, V. P. Antropov, and V. A. Gubanov, J. Magn. Magn. Mater. 67, 65 (1987).
  56. M. Rahaman, B. Johansson, and A. V. Ruban, Phys. Rev. B 89, 064103 (2014).
  57. G. R. Speich, A. J. Schwoeble, and W. C. Leslie, Metallurg. Trans. 3, 2031 (1972).
  58. F. Mouhat and F.-X. Coudert, Phys. Rev. B 90, 224104 (2014).
  59. S. F. Pugh, Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. 45, 823 (1954).
  60. J. Lee, T. Kim, I. S. Hwang, R. G. Ballinger, and J. H. Kim, in Proc. Int. Atomic Energy Agency, Division of Nuclear Power, Nuclear Power Technology Section, Vienna, Austria, (2017), p.1.
  61. R. Idczak, R. Konieczny, T. Pikula, and Z. Surowiec, Corrosion 75, 680 (2019).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».