Interplay between magnetism, thermodynamics and diffusion in bcc Fe-Mn alloys : from first principles to finite temperatures
Corrélations entre le magnétisme, la thermodynamique et la diffusion dans les alliages Fe-Mn cubiques centrés : des premiers principes aux températures finies
Résumé
In 3d alloys, magnetic properties of solutes can be extremely sensitive to local chemical environments and can have a crucial impact on various 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, being isolated or forming a cluster, and in the presence of vacancies or interstitial impurities are investigated and their lowest-energy magnetic configuration is determined. 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 generally 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. Using tracer diffusion Monte Carlo simulations, this approach predicts the temperature dependence of self-diffusion in bcc Fe in excellent agreement with experimental results, including 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 and compare with experimental results.
Dans les alliages 3d, les propriétés magnétiques des solutés peuvent être extrêmement sensibles aux environnements chimiques locaux, et avoir un impact crucial sur diverses propriétés thermodynamiques et cinétiques. Afin de comprendre les propriétés fondamentales de ces alliages, la première partie de ce travail est dédiée à l’étude ab-initio des effets de l’environnement chimique local sur l’état magnétique des solutés de Mn dans le Fe-Mn. Diverses configurations contenant du Mn, isolé ou sous forme d’amas, en présence de lacunes ou d’impuretés interstitielles sont étudiées et leur configuration magnétique de plus basse énergie est déterminée. Un modèle effectif d’interactions est paramétré à partir des données ab-initio afin d’étudier les propriétés des alliages Fe-Mn à température finie. Les propriétés clés sont identifiées et le modèle est validé à basse température en reproduisant les résultats ab-initio. L’utilisation de ce modèle couplé à des simulations Monte Carlo permet de simuler l’évolution chimique des alliages Fe-Mn en fonction de la température et de la concentration en Mn, tout en relaxant la structure magnétique en temps réel. Afin d’illustrer les possibles applications de ce modèle, diverses propriétés sont étudiées telles que la dépendance en concentration de la température de Curie ou encore l’évolution en température de l’énergie de mélange et de l’ordre atomique à courte distance. Puisque dans ces alliages la diffusion est en général régie par mécanisme lacunaire, nous proposons aussi un formalisme prenant en compte explicitement les effets de l’ordre magnétique local sur les propriétés des lacunes. Par simulations Monte Carlo de traceurs, cette approche prédit la dépendance en température de l’auto-diffusion dans le Fe en excellent accord avec les études expérimentales. La déviation de la loi d’Arrhénius proche de la température de Curie est directement prédite, ainsi que le changement de pente entre les régimes ferromagnétique et paramagnétique. La précision du modèle de Ruch, couramment utilisé dans la littérature, est discutée au vu des résultats obtenus. Enfin, cette approche est appliquée à la diffusion d’un soluté de Mn dans le Fe pur et comparée aux résultats expérimentaux.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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