Magnetismus in Eisenlegierungen: Thermodynamik, Kinetik and Defekte

• Antragsteller: Professor Dr. Sergiy Divinski; Professor Dr. Ralf Drautz; Dr. Tilmann Hickel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316673557

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Frankreich zielte das Projekt darauf ab, Magnetismus und seinen Einfluss auf die Bildung chemischer Bindungen in atomistische Modelle von Fe und Febasierten Legierungen und für Anwendungen aus dem Bereich der Thermodynamik und Kinetik dieser Materialien zu berücksichtigen. Ein wichtiger Teil des Projekts bestand aus Experimenten, die in enger Abstimmung mit den Modellierungsaktivitäten durchgeführt wurden. Es wurden zwei Hauptstrategien verfolgt, um Magnetismus einzubeziehen. Die erste Strategie konzentrierte sich auf gitterbasierte Modelle. Indem Atome auf Gitterpositionen beschränkt werden, ist es möglich, ihre Wechselwirkungen sehr genau mit der Dichtefunktionaltheorie zu beschreiben. Weiterhin ermöglichen gitterbasierte Modelle die vollständige Erfassung magnetischer Freiheitsgrade und auf diese Weise wurden thermodynamische und kinetische Eigenschaften berechnet. Die zweite Strategie zielte auf Situationen ab, in denen ein zugrundesliegendes Gitter nicht klar definiert ist. Dort ist es notwendig, die atomaren Wechselwirkungen zu vergröbern und zu vereinfachen, da direkte Simulationen mit Dichtefunktionaltheorie extrem aufwändig wären. Zu diesem Zweck wurden vereinfachte Modelle der elektronischen Struktur (Tight-Binding-Näherung) und effektive interatomare Potentiale (Bond-Order-Potentiale, Embedded-Atom-Method-Potentiale) entwickelt, die Beiträge des Magnetismus beinhalten. Die beiden Strategien wurden in einer Reihe von Publikationen entwickelt und demonstriert. Die Methoden wurden direkt auf experimentelle Fragestellungen angewendet und erlaubten eine genaue Quantifizierung der experimentell beobachteten Diffusions- und thermodynamischen Eigenschaften von reinem Fe und Fe-Mn-Legierungen. Der Einfluss des magnetischen Übergangs auf die Selbstdiffusion (Fe) und die Diffusion gelöster Stoffe (Mn) in α-Fe wurde im Detail verstanden und in Bezug auf alle relevanten Beiträge untersucht, einschließlich Leerstellenbildung und Migrationsenergie, Bindung zwischen gelösten Stoffen und Leerstellen und schließlich Korrelationsfaktoren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Accelerated grain boundary migration in nanolaminated interstitial-free steel during chromizing”, Materials Research Letters 9 (2020) 84-90
  S.L. Xie, S.V. Divinski, Y.B. Lei, Z.B. Wang
  
• “Atomic relaxation around defects in magnetically disordered materials computed by atomic spin constraints within an efficient Lagrange formalism”, Phys.Rev. B 102 (2020) 144101
  O. Hegde, M. Grabowski, X. Zhang, O. Waseda, T. Hickel, C. Freysoldt, and J. Neugebauer
  
• “Study of grain boundary self-diffusion in iron with different atomistic models”, Acta Materialia 188 (2020) 560–569
  S. Starikov, M. Mrovec, R. Drautz
  
• Ab initio study of the structural response to magnetic disorder and van der Waals interactions in FeSe. Phys. Rev.B, 103 (2021) 054506
  F. Lochner, I.M. Eremin, T. Hickel, and J. Neugebauer
  
• “Ab initio based models for temperature-dependent magnetochemical interplay in bcc Fe–Mn alloys”, Phys. Rev. B 103 (2021) 024421
  A. Schneider, C.-C. Fu, O. Waseda, C. Barreteau, and T. Hickel
  
• “Angular-dependent interatomic potential for large-scale atomistic simulation of iron: Development and comprehensive comparison with existing interatomic models”, Phys. Rev. Mater. 5 (2021) 063607
  S. Starikov, D. Smirnova, T. Pradhan, Y. Lysogorskiy, H. Chapman, M. Mrovec, R. Drautz
  
• “Impact of magnetic transition on Mn diffusion in α-iron: Correlative state-of-the-art theoretical and experimental study”, Phys. Rev. B 104 (2021) 184107
  O. Hegde, V. Kulitckii, A. Schneider, F. Soisson, T. Hickel, J. Neugebauer, G. Wilde, S. Divinski, C.-C. Fu
  
• “Influence of crystalline defects on magnetic nanodomains in a rare-earth-free magnetocrystalline anisotropic alloy”, Phys. Rev. Materials 5 (2021) 064403
  D. Palanisamy, A. Kovács, O. Hegde, R. E. Dunin-Borkowski, D. Raabe, T. Hickel, and B. Gault
  
• “Ab initio calculation of themagnetic Gibbs free energy of materials using magnetically constrained supercells”, Phys. Rev.B 105 (2022) 064425
  E. Mendive-Tapia, J. Neugebauer, and T. Hickel