Теоретична аналіза процесів фазоутворення в аморфних стопах системи Fe—Zr

Abstract

Аналізу фазових перетворень у системі Fe—Zr було проведено за допомогою ab initio молекулярної динаміки та термодинамічного підходу. Представлено першопринципне моделювання методою молекулярної динаміки процесів аморфізації та кристалізації у системі Fe—Zr. Положення атомів у надкомірці Fe₂₉Zr₃ моделювалися шляхом числового відпалу методою функціоналу густини в узагальненому ґрадієнтному наближенні. Обговорюються зміни густини електронних станів надкомірки Fe₂₉Zr₃ при рідинно—аморфно—кристалічному фазовому переході. Найбільш помітною відмінністю між електронними спектрами рідкої й аморфної фаз є поява псевдощілини на рівні Фермі, що корелює з електронним критерієм термостабільности аморфних металевих стопів Нагеля—Таука. Подальший відпал в ізотермічно/ізоентальпійному ансамблі при більш високих температурах приводить до різкої зміни електронного спектра та перегрупування атомів, що ми приписуємо першій стадії кристалізації аморфного стопу. В рамках термодинамічного підходу було побудовано концентраційну залежність відносної інтеґральної Ґіббсової вільної енергії для вихідної аморфної фази; ця залежність має специфічну S-подібну форму, що вказує на тенденцію стопів до фазового розшарування. Термодинамічна метода підтвердила, що процеси формування фаз у бінарних стопах системи Fe—Zr проходять у 2 етапи: спочатку відбуваються процеси фазового розшарування на дві аморфні фази за типом спинодального розпаду, потім – кристалізації кожної аморфної фази. Розрахована концентраційна область аморфізації бінарних стопів системи Fe—Zr добре узгоджується з експериментальними даними.

Анализ фазовых превращений в системе Fe—Zr был проведён с помощью ab initio молекулярной динамики и термодинамического подхода. Представлено первопринципное моделирование методом молекулярной динамики процессов аморфизации и кристаллизации в системе Fe—Zr. Положения атомов в сверхъячейке Fe₂₉Zr₃ моделировались путём числового отжига методом функционала плотности в обобщённом градиентном приближении. Обсуждаются изменения плотности электронных состояний сверхъячейки Fe₂₉Zr₃ при жидкостно—аморфно—кристаллическом фазовом переходе. Наиболее заметным отличием между электронными спектрами жидкой и аморфной фаз является появление псевдощели на уровне Ферми, что коррелирует с электронным критерием термостабильности аморфных металлических сплавов Нагеля—Таука. Дальнейший отжиг в изотермично/изоэнтальпийном ансамбле при более высоких температурах приводит к резкому изменению электронного спектра и перегруппировке атомов, которую мы приписываем первой стадии кристаллизации аморфного сплава. В рамках термодинамического подхода была построена концентрационная зависимость относительной интегральной свободной энергии Гиббса для исходной аморфной фазы; эта зависимость имеет специфическую S-образную форму, что указывает на тенденцию сплавов к фазовому расслоению. Термодинамический метод подтвердил, что процессы формирования фаз в бинарных сплавах системы Fe—Zr проходят в 2 этапа: сначала происходят процессы фазового расслоения на две аморфные фазы по типу спинодального распада, затем – кристаллизации каждой аморфной фазы. Рассчитанная концентрационная область аморфизации бинарных сплавов системы Fe—Zr хорошо согласуется с экспериментальными данными.

The thermodynamic and ab initio molecular-dynamics approaches are applied to analyse the phase transitions in the Fe—Zr system. First-principles molecular-dynamics simulations of the amorphization and crystallization processes in the Fe—Zr system are presented. The atomic positions in the Fe₂₉Zr₃ supercell are modelled by simulating annealing with usage of the density functional theory in the generalized gradient approximation. Changes in the electron density of states for the Fe₂₉Zr₃ supercell under liquid—amorphous—crystalline phase transitions are discussed. The most marked difference between the electronic spectra of the liquid and amorphous phases is a pseudogap at the Fermi level that is consistent with the Nagel—Tauc electronic criterion of the amorphous metallic-alloy thermal stability. Further simulating annealing in the isothermal/isenthalpic ensemble under the higher temperatures leads to the drastically changes of the electronic spectrum and rearrangement of atoms, which we assign to the first stage of the amorphous-alloy crystallization. The concentration dependence of relative integral Gibbs’ free energy for the initial amorphous α-phase are constructed; this dependence has a specific S-shaped appearance (due to both the great value of relative volume change during the formation of the alloy and the negative value of entropy) that indicates a tendency of alloys to phase separation. The thermodynamic method confirms that the processes of phase formation in binary alloys of Fe—Zr system pass in two stages: at first, the processes of phase separation into two amorphous phases by means of the spinodal mechanism are observed; then, each phase of amorphous ones resulting from separation begins to crystallise. The concentration area of amorphization of Fe—Zr system alloys is calculated; the results are in a good agreement with experimental data.