Diffusion coefficients of alloying elements in dilute Mg alloys: A comprehensive first-principles study

材料科学 热力学 扩散 密度泛函理论 体积模量 空位缺陷 鞍点 凝聚态物理 计算化学 化学 物理 几何学 数学 复合材料
作者
Bi Cheng Zhou,Shun‐Li Shang,Yi Wang,Zhe Liu
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier]
卷期号:103: 573-586 被引量:172
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2015.10.010
摘要

First-principles calculations based on density functional theory have been used to calculate the temperature-dependent dilute tracer diffusion coefficients for 47 substitutional alloying elements in hexagonal closed packed (hcp) Mg by combining transition state theory and an 8-frequency model. The minimum energy pathways and the saddle point configurations during solute migration are calculated with the climbing image nudged elastic band method. Vibrational properties are obtained using the quasi-harmonic Debye model with inputs from first-principles calculations. An improved generalized gradient approximation of PBEsol is used in the present first-principles calculations, which is able to well describe both vacancy formation energies and vibrational properties. It is found that the solute diffusion coefficients in hcp Mg are roughly inversely proportional to the bulk modulus of the dilute alloys, which reflects the solutes' bonding to Mg. Transition metal elements with d electrons show strong interactions with Mg and have large diffusion activation energies. Correlation effects are not negligible for solutes Ca, Na, Sr, Se, Te, and Y, in which the direct solute migration barriers are much smaller than the solvent (Mg) migration barriers. Calculated diffusion coefficients are in remarkable agreement with available experimental data in the literature.

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