Ab initio based study of magneto-chemo-structural coupling in complex alloys
Lattice imperfections (or defects) are ubiquitous in materials. Understanding the properties of various defects is crucial to improve materials' performance. In magnetic materials, as it is shown in this work, complicated interactions between the structural aspects of defects and magnetism are present. While comprehending these interactions at the atomic scale is highly relevant, the theoretical treatment of high-temperature paramagnetic (magnetically disordered) states, in particular, poses serious challenges. In the present thesis, a new, efficient first-principles method is introduced for the accurate computation of atomic relaxations in magnetically disordered systems with defects. The method is based on the spin-space averaging technique, and is general by construction, i.e., it is applicable to any magnetically disordered system with defects.
Firstly, the strength of the method is benchmarked for the vacancy defect in body-centered cubic (bcc) Fe by computing vacancy formation and migration energies. The impact of proper atomic relaxations is found to be significant and is compared with other approximate schemes, followed by a discussion on the influence of thermal expansion.
In the following stage, the relaxation method is applied to address vacancy-mediated diffusion in the dilute FeMn system, which is decisive for steels' performance. Mn is found to diffuse very fast relative to Fe in the ferromagnetic state and much slower in the paramagnetic state. The presence of Mn is shown to reduce the acceleration of diffusion coeffcients across the magnetic order-disorder transition. These findings are linked to the strong impact of disordering on chemical interactions.
Further, the remarkable impact of magnetic states on the Mn segregation behavior at the grain boundaries is presented. A new phenomenon, where the grain boundary and bulk simultaneously exist in different magnetic states, is brought forward. Throughout the discussion, interplays of structure, chemistry and magnetism are identified. The effect of Mn segregation and vacancy formation on grain boundary decohesion is presented.
Finally, the discussions on the influence of structure, chemistry on magnetic properties are furthered by studying twin boundaries in MnAl permanent magnets. Magnetic domains undergo remarkable changes in the presence of twin boundaries, and the underlying mechanisms are linked to magnetocrystalline anisotropy energies and domain wall energies.
stellt insbesondere die theoretische Behandlung paramagnetischer (magnetisch ungeordneter) Hochtemperaturzustände eine große Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue, effiziente First-Principles-Methode zur genauen Berechnung atomarer Relaxationen in magnetisch ungeordneten Systemen mit Defekten vorgestellt. Das Verfahren basiert auf der SSA-Technik (engl.: Spin-Space-Averaging) und ist von seiner Struktur her so allgemein, dass es ist auf jedes magnetisch ungeordnete System mit Defekten anwendbar ist. Zunächst wird die Stärke der Methode für den Leerstellendefekt in kubisch-raumzentriertem (bcc) Fe durch Berechnung der Leerstellenbildung und der Migrationsenergien demonstriert. Der Einfluss der richtigen atomaren Relaxation ist signifikant und wird mit anderen
Näherungsverfahren verglichen, gefolgt von einer Diskussion über den Einfluss der thermischen Ausdehnung. Im folgenden Schritt wird die Relaxationsmethode angewendet, um die Leerstellengetriebene Diffusion im verdünnten FeMn-System zu behandeln, die für die Leistungsfähigkeit von
Stählen entscheidend ist. Mn diffundiert relativ zu Fe im ferromagnetischen Zustand sehr schnell und im paramagnetischen Zustand viel langsamer. Es wird gezeigt, dass die Anwesenheit von Mn die Beschleunigung der Diffusionskoeffizienten beim Übergang von magnetischer Ordnung zu Unordnung reduziert. Diese Ergebnisse sind mit einem starken Einfluss von Unordnung auf chemische Wechselwirkungen verbunden.
Weiterhin wird der bemerkenswerte Einfluss magnetischer Zustände auf das Mn Segregationsverhalten an den Korngrenzen dargestellt. Ein neues Phänomen, bei dem Korngrenze und Volumen gleichzeitig in verschiedenen magnetischen Zuständen existieren, wird vorgestellt. Während der Diskussion werden Wechselwirkungen von Struktur, Chemie und Magnetismus identifiziert. Der Effekt der Mn-Segregation und der Leerstellenbildung auf die
Dekohäsion der Korngrenzen wird dargestellt.
Schließlich werden die Diskussionen über den Einfluss von Struktur und Chemie auf magnetische Eigenschaften durch die Untersuchung von Zwillingsgrenzen in MnAl Permanentmagneten erweitert. Magnetische Domänen unterliegen bemerkenswerten Veränderungen bei der Anwesenheit von Zwillingsgrenzen, und die zugrundeliegenden Mechanismen sind
mit magnetokristallinen Anisotropieenergien und Domänenwandenergien verbunden.