Published October 18, 2019 | Version v1
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Interplay between magnetism, thermodynamics and diffusion in bcc Fe-Mn alloys: from first principles to finite temperatures

Description

In 3D alloys, magnetic properties of solutes can be extremely sensitive to local chemical and structural environments. Therefore, the properties of these solutes are often at the origin of discrepancies between various data from both theoretical and experimental investigations. This is for instance the case of Mn solutes in bcc iron. Also, alloys presenting a magnetic competition between solute-solute and solute-host atom interactions often exhibit complex magnetic structures. Moreover, previous studies have shown that magnetism in Fe-based alloys has a crucial impact on various thermodynamic and kinetic properties. The objective of this work is to identify and understand the coupling between the magnetic and energetic properties of bcc Fe-Mn alloys at ground-state but also at finite temperature, and to evaluate the effects of magnetism on thermodynamic and kinetic properties. In order to properly understand the fundamental properties of these alloys, the first part of this work is dedicated to the study of the effects of local chemical environment on the magnetic state of Mn solutes in bcc Fe-Mn by means of Density Functional Theory. Namely, configurations containing Mn solutes, being isolated or forming a cluster, and in the presence of vacancies or interstitial impurities are investigated. The lowest-energy magnetic configuration of each system is determined, and general trends are identified. Based on the obtained results, we also provide possible explanations for the existing discrepancies between theoretical and experimental studies. The ab-initio data produced are then used to parameterize an effective interaction model in order to study the properties of Fe-Mn alloys at finite temperature. The key features of Fe-Mn alloys are identified, and the model is validated at low temperature by reproducing ab-initio predictions. Using this model coupled to Monte Carlo simulations, we simulate the chemical evolution of Fe-Mn properties depending on temperature and Mn concentration while relaxing the magnetic structure on-the-fly. In order to illustrate the validity and the applicability of the model, we examine certain finite temperature properties of bcc Fe-Mn alloys such as the concentration dependence of the Curie temperature or the temperature evolution of the mixing energy and the atomic short-range order. Since diffusion in Fe and Fe-Mn alloys is frequently ruled by vacancy mechanism, we also propose a formalism to take explicitly into account the properties of vacancies in the interaction model and the effect of local magnetic state on these properties. By performing tracer diffusion Monte Carlo simulations, this approach predicts the temperature dependence of self-diffusion in bcc Fe in excellent agreement with experimental results. This prediction directly includes the deviation from Arrhenius law around the Curie temperature and the change of slope between the ferromagnetic and paramagnetic regimes. The accuracy of the widely used Ruch model is discussed in the light of the present results. Finally, we apply this approach to the diffusion of a Mn solute in bcc Fe at the infinite dilution limit. Using both tracer diffusion simulations and the LeClaire model, we show that the acceleration of diffusion near TC is highly reduced in the case of Mn compared to the self-diffusion of Fe, in good agreement with experimental observations, which is a step forward compared to the available theoretical literature. This work provides some new insights on the effects of magnetism in bcc Fe and Fe-Mn alloys, both at ground-state via DFT calculations and at finite temperatures using Monte Carlo simulations with a newly developed effective interaction model that takes explicitly into account the magnetic and chemical variables of the system. (author)

Abstract (French)

Dans les alliages 3D, les proprietes magnetiques des solutes peuvent etre extremement sensibles aux environnements chimiques et structurels locaux. Ainsi, les proprietes de ces solutes sont souvent a l'origine de desaccords entre les differentes etudes de la litterature, aussi bien theoriques qu'experimentales. C'est par exemple le cas pour les proprietes magnetiques des solutes de Mn dans le fer cubique centre. D'autre part, les alliages presentant une competition entre les interactions magnetiques solute-solute et solute-hote exhibent souvent des structures magnetiques particulierement complexes. Par ailleurs, de nombreuses etudes ont montre que le magnetisme dans les alliages de fer joue un role crucial sur diverses proprietes thermodynamiques et cinetiques. L'objectif de ce travail est d'identifier et de comprendre le couplage entre les proprietes magnetiques et energetiques des alliages Fe-Mn cubiques centres a l'etat fondamental, mais aussi a temperature finie, et d'evaluer les effets du magnetisme sur les proprietes thermodynamiques et cinetiques. Afin de comprendre correctement les proprietes fondamentales de ces alliages, la premiere partie de ce travail est dediee a l'etude ab-initio des effets de l'environnement chimique local sur l'etat magnetique des solutes de Mn dans le Fe-Mn cubique centre (Theorie de la Fonctionnelle de la Densite). Diverses configurations contenant du Mn, isole ou sous forme d'amas, en presence de lacunes ou d'impuretes interstitielles sont etudiees. La configuration magnetique de plus basse energie de chaque configuration atomique est determinee et des tendances generales sont identifiees. A la lumiere des resultats obtenus, une explication possible a des desaccords entre des etudes experimentales et theoriques de la litterature est proposee. Un modele effectif d'interactions est ensuite parametre a partir des donnees ab initio afin d'etudier les proprietes des alliages Fe-Mn a temperature finie. Les proprietes cles de ces alliages sont identifiees et le modele est valide a basse temperature en reproduisant les resultats ab-initio. L'utilisation de ce modele couple a des simulations Monte Carlo permet de simuler l'evolution chimique des alliages Fe-Mn en fonction de la temperature et de la concentration en Mn, tout en relaxant la structure magnetique en temps reel. Afin d'illustrer les possibles applications de ce modele, diverses proprietes sont etudiees telles que la dependance en concentration de la temperature de Curie ou encore l'evolution de l'energie de melange et de l'ordre atomique a courte distance en fonction de la temperature et de la concentration en Mn. Puisque dans ces alliages la diffusion substitutionnelle est en general regie par mecanisme lacunaire, nous proposons aussi un formalisme prenant en compte explicitement les effets de l'ordre magnetique local sur les proprietes des lacunes. Par simulations Monte Carlo de traceurs, cette approche predit la dependance en temperature de l'auto-diffusion dans le Fe en excellent accord avec les etudes experimentales. La deviation de la loi d'Arrhenius proche de la temperature de Curie est directement predite, ainsi que le changement de pente entre les regimes ferromagnetique et paramagnetique. La precision du modele de Ruch, couramment utilise dans la litterature, est discutee au vu des resultats obtenus. Enfin, cette approche est appliquee a la diffusion d'un solute de Mn dans le Fe pur. En utilisant d'une part la simulation Monte Carlo de traceurs et d'autre part le modele de LeClaire, on montre que l'acceleration de la diffusion autour de Tc est fortement reduite dans le cas du Mn, compare a l'auto-diffusion du Fe. Ces resultats sont en accord avec les observations experimentales, ce qui represente un pas en avant en comparaison des etudes theoriques anterieures. De maniere generale, ce travail fournit de nouveaux elements concernant les effets du magnetisme dans le fer et les alliages Fe-Mn cubiques centres, aussi bien a l'etat fondamental qu'a temperature finie, mettant a contribution la simulation Monte Carlo couplee a un modele d'interactions effectives innovant prenant en compte explicitement les variables magnetiques et chimiques du systeme.

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Original title (English)
Correlations entre le magnetisme, la thermodynamique et la diffusion dans les alliages Fe-Mn cubiques centres: des premiers principes aux temperatures finies

Publishing Information

Imprint Pagination
159 p.
Report number
FRCEA-TH--11308

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
51025455
Subject category
S36: MATERIALS SCIENCE;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
DENSITY FUNCTIONAL METHOD; KINETICS; MAGNETIC PROPERTIES; MANGANESE; MONTE CARLO METHOD; THERMODYNAMIC PROPERTIES
Descriptors DEC
CALCULATION METHODS; ELEMENTS; METALS; PHYSICAL PROPERTIES; TRANSITION ELEMENTS; VARIATIONAL METHODS

Optional Information

Notes
184 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Also available from Le Service Commun de la Documentation de l'universite Paris-Sud, Domaine universitaire de Paris-Sud Batiment 407 Rue du Doyen Georges Poitou 91405 ORSAY Cedex (France)
Secondary number(s)
CEA-R--6535