Magnetochemical coupling effects on thermodynamics, point-defect formation and diffusion in Fe-Ni alloys: a theoretical study
Description
This thesis is a theoretical study on the temperature-dependent thermodynamic, point-defect formation and diffusion properties in fcc Fe-Ni alloys over the whole range of composition, with a focus on the magnetochemical effects. The results are derived from density functional theory (DFT) calculations and Monte Carlo simulations using a DFT-parametrized effective interaction model (EIM) with explicit atomic and spin variables. The first part of this work is focused on thermodynamics. We compute via DFT energetic, magnetic and vibrational properties and the bcc-fcc phase diagram below the Curie points, revealing the relative importance between magnetic and vibrational entropies. Combining Monte Carlo simulations with the EIM, we obtain an fcc phase diagram across the Curie points and demonstrate a close interplay between magnetic and chemical orders. Finally, we also discuss the effects of Mn and Cr additions on phase stability. The second part of the work is dedicated to point-defect properties. We develop Monte Carlo schemes to compute vacancy formation free energy in alloys. We show that vacancy formation in fcc Fe and Ni exhibits features that are well distinct from those in bcc Fe, pointing out the relevance of longitudinal spin fluctuations. The results in fcc Fe-Ni alloys reveal that magnetic disorder tends to increase vacancy formation free energy, while chemical disorder shows an opposite effect. Finally, we study via DFT the magnetic effects on the properties of self-interstitial atoms in fcc Fe and Ni. The final part of the work is devoted to vacancy-mediated diffusion. We perform kinetic Monte Carlo simulations to obtain temperature-dependent diffusion properties over the whole concentration range. The results allow to probe into the effects of magnetic and chemical transitions on diffusion properties and provide details inaccessible from experiments. This work fully takes into account the impacts of transversal and longitudinal spin fluctuations and the interplay between magnetism and chemical order. It provides an accurate and consistent prediction of thermodynamic, defect formation and diffusion properties in the Fe-Ni system, and contributes to a better understanding of effects of magnetism in austenitic steels. The applied approach is also transferable to the investigation of other magnetic alloys. (author)
Abstract (French)
Cette these porte sur les proprietes thermodynamiques, de formation des defauts ponctuels et de diffusion dans les alliages Fe-Ni cfc sur toute la gamme de composition et en fonction de la temperature, avec un interet particulier pour les effets magnetochimique. Les resultats sont obtenus a partir de calculs de la theorie fonctionnelle de la densite (DFT) et de simulations de Monte Carlo atomique incluant un modele d'interaction effective (EIM) ajuste sur les calculs DFT. Ce modele traite de facon explicite les interactions chimiques et magnetiques, et leur couplage. La premiere partie de ce travail est centree sur la thermodynamique. Nous calculons via la methode DFT, les proprietes energetiques, magnetiques et vibrationnelles, ainsi que le diagramme de phase cc-cfc en-dessous de la temperature de Curie. Nous mettons en evidence les contributions relatives des effets magnetiques et vibrationnels. A l'aide des simulations Monte Carlo, nous obtenons le diagramme de phase cfc en-dessous et au-dessus des temperatures de Curie. Nous mettons en evidence un fort couplage entre les ordres magnetiques et chimiques. Enfin, nous etudions les effets d'un ajout de Mn ou de Cr sur le magnetisme et la stabilite des phases de l'alliage Fe-Ni. La deuxieme partie du travail est consacree a l'etude des proprietes des defauts ponctuels. Nous developpons des algorithmes Monte Carlo pour calculer l'energie libre de formation de la lacune dans les alliages. Nous montrons que la formation de lacune dans Fe et Ni cfc, presente des caracteristiques bien distinctes de celles dans Fe cc, soulignant ainsi l'importance des fluctuations de spin longitudinales. Nous montrons que dans les alliages, le desordre magnetique a tendance a augmenter l'energie libre de formation de lacunes, tandis que le desordre chimique a un effet oppose. Enfin, nous etudions par la methode DFT, les effets magnetiques sur les proprietes des atomes auto-interstitiels dans Fe et Ni cfc. La derniere partie du travail est consacree a la diffusion atomique. Nous calculons les proprietes de diffusion de traceur et des defauts ponctuels en fonction de la temperature, sur la totalite de l'intervalle en composition de la phase austenitique. Nous mettons en evidence les effets des transitions magnetiques et chimiques sur les proprietes de diffusion et nous fournissons des donnees inaccessibles aux experiences. Ce travail prend pleinement en compte l'impact des fluctuations de spin transversales et longitudinales, ainsi que le couplage entre le magnetisme et l'ordre chimique. Il fournit une modelisation precise et coherente des proprietes thermodynamiques, de formation des defauts et de diffusion du systeme Fe-Ni. Il contribue ainsi a une meilleure comprehension des effets du magnetisme dans les aciers austenitiques
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Additional titles
- Original title (English)
- Effets du couplage magnetochimique sur la thermodynamique, la formation de defauts ponctuels et la diffusion dans les alliages Fe-Ni: une etude theorique
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 207 p.
- Report number
- FRCEA-TH--16466
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54123617
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CHEMICAL COMPOSITION; CHROMIUM ADDITIONS; DENSITY FUNCTIONAL METHOD; DIFFUSION; IRON ALLOYS; MAGNETISM; MANGANESE ADDITIONS; MONTE CARLO METHOD; NICKEL ALLOYS; POINT DEFECTS; THERMODYNAMIC PROPERTIES
- Descriptors DEC
- ALLOYS; CALCULATION METHODS; CHROMIUM ALLOYS; CRYSTAL DEFECTS; CRYSTAL STRUCTURE; MANGANESE ALLOYS; PHYSICAL PROPERTIES; TRANSITION ELEMENT ALLOYS; VARIATIONAL METHODS
Optional Information
- Notes
- 287 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses