AB INITIO MODELING OF INTERACTIONS OF P, H, C, S WITH GRAIN BOUNDARIES IN α-IRON

Autor: Verkhovykh, А.V., Mirzoev, А.А., Dyuryagina, N.S.
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Bulletin of the South Ural State University series "Mathematics. Mechanics. Physics". 13:57-68
ISSN: 2409-6547
2075-809X
DOI: 10.14529/mmph210407
Popis: Verkhovykh Anastasiia Vladimirovna is Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Physics of Nanoscale System Department, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, e-mail: avverkhovykh@susu.ru Mirzoev Alexander Aminulaevich is Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Senior Staff Scientist, Professor Physics of Nanoscale System Department, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, ORCID iD: https://orcid.org/0000-0002-1527-371X, e-mail: mirzoevaa@susu.ru Dyuryagina Natalia Sergeevna is Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Physics of Nanoscale System Department, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, email: diuriaginans@susu.ru. Верховых Анастасия Владимировна – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики наноразмерных систем, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Российская Федерация, e-mail: avverkhovykh@susu.ru Мирзоев Александр Аминулаевич – доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры физики наноразмерных систем, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Российская Федерация, ORCID iD: https://orcid.org/0000-0002- 1527-371X, e-mail: mirzoevaa@susu.ru Дюрягина Наталья Сергеевна – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики наноразмерных систем, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Российская Федерация, e-mail: diuriaginans@susu.ru The results of modeling from the first principles of interaction of nonmetallic impurities of interstitial (H, C) and substitutional (P, S) with grain boundaries in α-iron are presented. The modeling has been conducted within the framework of the density functional theory (DFT) by the full-potential linearized augmented plane waves (FP LAPW) method with consideration to the generalized gradient approximation (GGA'96) in the WIEN2k software package. Three grain boundaries of the slope Σ3 (111), Σ5 (210) and Σ5 (310) are studied. The supercells of the tilt grain boundaries using the coincidence site lattice model is constructed. The values of the energy characteristics of various grain boundaries with impurities are influenced by a number of factors, namely, the volume of the Voronoi polyhedron per impurity, magnetic moments, and the symmetry of the surrounding matrix. The results show that symmetric grain boundaries Σ3 (111) and Σ5 (310) are embrittled by phosphorus, hydrogen, and sulfur, while carbon strengthens interatomic bonds at the grain boundary, which coincides with the data available in the work. In the case of an asymmetric grain boundary Σ5 (210), phosphorus and hydrogen weaken bonds at the grain boundary, while sulfur strengthens them. This is primarily explained by the geometry of the surrounding matrix. The magnetic moments at the impurity atoms are very small and, in most cases, are antiparallel to the magnetic moments at the neighboring Fe atoms. Представлены результаты моделирования из первых принципов взаимодействия неметаллических примесей внедрения (H, C) и замещения (P, S) с границами зерен в α-железе. Моделирование проводилось в рамках теории функционала плотности (DFT) полнопотенциальным методом линеаризованных присоединенных плоских волн (FP LAPW) с учетом обобщенного градиентного приближения (GGA’96) в программном пакете WIEN2k. Были изучены три межзеренные границы наклона Σ3(111), Σ5(210) и Σ5(310). Построение суперячеек границ зерен наклона осуществлялось с помощью модели решетки совпадающих узлов. На значения энергетических характеристик различных границ зерен с примесями влияет ряд факторов, а именно, объем многогранника Вороного, приходящийся на одну примесь, магнитные моменты и симметрия окружающей матрицы. Результаты показывают, что для симметричных границ зерен Σ3(111) и Σ5(310) фосфор, водород и сера являются охрупчивателями, в то время как углерод усиливает межатомные связи на границе зерна, что хорошо согласуется с имеющимися в литературе данными. В случае асимметричной границы зерна Σ5(210) фосфор и водород также ослабляют связи на границе зерна, а сера усиливает. В первую очередь, это связано с геометрией окружающей матрицы. Магнитные моменты на атомах примесей очень малы и в большинстве случаев антипараллельны магнитным моментам на соседних атомах Fe. The work was supported by the Russian Foundation of Basic Research (grant no. 20-43-740004 r_a_Chelyabinsk).
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: