Investigations of the atomic order and molar volume in the binary sigma phase by DFT and CALPHAD approaches

par Wei Liu

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences

Sous la direction de Pascal Boulet, Marie-Christine Record et de Xiao-Gang Lu.

Le président du jury était Qing-Miao Hu.

Le jury était composé de Zhi Liu, Jun Luo.

Les rapporteurs étaient Li-Jun Zhang.

  • Titre traduit

    Etude de l'ordre atomique et du volume molaire dans la phase binaire sigma par approches DFT et CALPHAD


  • Résumé

    La phase sigma peut servir de prototype de phases topologiquement compactes, car la phase sigma possède une large gamme d'homogénéité et il existe de nombreuses données expérimentales disponibles pour la phase sigma. Dans le présent travail, les propriétés physiques, comprenant l'ordre atomique, le volume molaire, l'enthalpie de formation et le module d’élasticité isostatique, de la phase sigma binaire ont été étudiées en utilisant les calculs de premiers principes et la méthode CALPHAD combinée aux données expérimentales de la littérature.Tout d'abord, nous avons constaté que l'ordre atomique (c'est-à-dire la distribution du constituant atomique ou la préférence d'occupation du site sur les sites non équivalents d'une structure cristalline) de la phase sigma est affecté par le facteur de taille et la configuration électronique des éléments constitutifs. En outre, nous avons dissocié les effets de ces facteurs d'influence sur l'ordre atomique. Ensuite, nous avons mis en évidence un effet de l'ordre atomique sur l'enthalpie de formation, le module d’élasticité isostatique et le volume molaire. A l'état ordonné à 0K, la phase sigma a une faible enthalpie de formation et un grand module d’élasticité isostatique. L'influence de l'ordre atomique sur le volume molaire de la phase sigma dépend de la configuration électronique des deux éléments constitutifs. Par ailleurs, la base de données des volumes molaires des phases sigma binaires a été construite, ce qui devrait grandement faciliter la conception du matériau. Enfin, nous avons discuté de la prédiction de l'occupation du site de la phase sigma en utilisant la méthode CALPHAD combinée aux calculs de premiers principes.


  • Résumé

    The sigma phase can serve as a prototype of topologically close-packed (TCP) phases, as the sigma phase bears a broad homogeneity range and there are numerous experimental data available for the sigma phase. In the present work, physical properties, including atomic order, molar volume, enthalpy of formation and bulk modulus, of the binary sigma phase were investigated by using first principles calculations and CALPHAD method combining with the experimental data from the literature. Firstly, we found that the atomic order (i.e. atomic constituent distribution or site occupancy preference on nonequivalent sites of a crystal structure) of the sigma phase is affected by the size factor and electron configuration of the constituent elements. Furthermore, we have dissociated the effect of the individual influencing factor on atomic order. Secondly, the atomic order is found affecting physical properties, such as enthalpy of formation, bulk modulus and molar volume. When in the ordered state at 0K, the sigma phase shows a low enthalpy of formation and a large bulk modulus. The influence of atomic order on the molar volume of the sigma phase depends on the electron configuration of the two constituent elements. Thirdly, the molar volume database of the binary sigma phase has been built up within the CALPHAD framework, which can greatly facilitate material design. Finally, we tentatively discussed the site occupancy prediction of the sigma phase by using the CALPHAD method combined with first-principles calculations.



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