Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 927-929

Функциональные сплавы на основе Fe–Al являются перспективными материалами для промышленного применения благодаря сочетанию таких уникальных качеств как высокая прочность, коррозионная стойкость, низкая плотность и низкая стоимость [2, 3]. Однако применение сплавов Fe–Al ограничено их низкой вязкостью разрушения и пластичностью при температуре окружающей среды, а также низкой прочностью при температуре выше 600°С [4, 5]. Исследования, проведенные в работе [6] демонстрируют положительное влияние очень малых добавок Li и Ni на механические свойства Fe₇₂Al₂₈. Было показано, что добавка Li приводит к повышению пластичности соединения Fe₃Al не только при растяжении, но и в условиях сжатия [6].

В данной работе проведено исследование структурных и магнитных свойств сплавов Fe_100 – xAl_x (0 ≤ x ≤ 43.75 ат. %) для кристаллических фаз A2, D0₃ и B2 из первых принципов. На эксперименте наблюдаются три кубические фазы: A2 – неупорядоченная структура типа α-Fe, D0₃ – частично или полностью упорядоченная структура типа BiF₃ и B2 – частично или полностью упорядоченная структура типа CsCl [1].

Расчеты выполнены в рамках теории функционала плотности, реализованной в программном пакете VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) [7, 8]. Вычисления проводились с учетом приближения обобщeнного градиента в формулировке Пердью, Бурка и Эрнзерхофа [9]. Моделирование кристаллических структур выполнено с помощью подхода 32-х атомных суперячеек с учетом соответствующих групп симметрии: A2 – Im-3m (#229), D0₃ – Fm-3m (#225) и B2 – Pm-3m (#221). Концентрационные зависимости задавались путем замещения атомов одного сорта другим, при этом замена одного атома соответствует изменению концентрации на 3.125 ат. %. Вычисления проводились при нулевой температуре (T = 0 К).

На первом этапе расчетов была выполнена геометрическая оптимизация исследуемых кристаллических фаз A2, D0₃ и B2 сплавов Fe_{100– x}Al_x. Для каждой из исследуемых фаз была вычислена энергия основного состояния E₀ и равновесные параметры решеток a₀ (соответствующие значению E₀). На рис. 1 представлена зависимость атомных объемов исследуемых фаз A2, D0₃ и B2 от концентрации алюминия в сплавах, где $V_{{{\text{а т }}}}^{{{\text{ф а з ы }}}}$ = V_я/N (V_я=  $a_{0}^{{\text{3}}}$ – объем элементарной кубической ячейки, N – число атомов в элементарной ячейке, N_A2,_B2 =  2, ${{N}_{{{\text{D}}{{0}_{3}}}}}$ = 16). Как видно из рис. 1, в области концентрации Al x = 0–15 ат. % атомный объем фаз A2 и D0₃ линейно увеличивается с ростом концентрации, при этом значения объема для данных двух фаз мало различимы. В области содержания Al x > 15 ат. % для решетки A2 значение атомного объема продолжает линейно увеличиваться, в то время как для фаз D0₃ и B2 данный параметр мало изменяется. Такое поведение может быть связано с увеличением степени упорядоченности в кристаллических структурах D0₃ и B2 с увеличением количества атомов Al в рассматриваемых фазах, в отличие от фазы A2.

Величина полного магнитного момента для каждой кубической фазы уменьшается с увеличением содержания Al в сплавах Fe_{100– x}Al_x. Данное поведение обусловлено увеличением концентрации немагнитных атомов Al.

В работе также вычислены плотности электронных состояний для сплавов Fe_78.125Al_21.875 и Fe₇₅Al₂₅. Анализ полных и частичных плотностей электронных состояний сплавов Fe_78.125Al_21.875 и Fe₇₅Al₂₅ показывает, что наличие структурного беспорядка приводит к изменению плотностей электронных состояний вблизи уровня Ферми. Значения спиновой поляризации, рассчитанной по формуле

где N↑(E_F) и N↓(E_F) – плотности электронных состояний на уровне Ферми для направления спина вверх и вниз, составили для структур A2, D0₃ и B2 сплавов Fe_78.125Al_21.875 (Fe₇₅Al₂₅) – 46 (23), 74 (47) и 53 (53)% соответственно. Наибольшим значением спиновой поляризации обладает структура D0₃ в сплаве с содержанием Al x = 21.875 ат. %. Следует отметить, что с дальнейшим увеличением содержания Al до 25 ат. % значение поляризации уменьшается для структур A2 и D0₃, в то время как для структуры B2 остается без изменений. Основной вклад в спиновую поляризацию и в плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми вносят t_2g-электроны железа.

Согласно полученной фазовой диаграмме (рис. 2) фаза A2 устойчива при 0 < x < 3 ат. %. Фаза D0₃ является устойчивой в области содержания Al 3 < x < 45 ат. %. Из эксперимента [10] следует, что область существования фазы D0₃ при низких температурах расширяется. Например, при температуре 400°C D0₃ существует в области 20 < x < 30 ат. %, а при температуре 300°C в области 15 < x < 30 ат. %, что позволяет сделать вывод о качественном согласии теоретической и экспериментальной фазовых диаграмм. Из рис. 2 следует, что в области (x < 15 ат. %) наблюдается один фазовый переход A2 → D0₃. В области (x ≥ 15 ат. %) возможна следующая последовательность фазовых переходов: A2 → B2 → D0₃,наблюдаемая экспериментально в диапазоне концентрации x = 22–35 ат. % при температурах ниже 600°C [1, 10].

Таким образом, в работе из первых принципов проведено исследование кристаллических фаз A2, B2 и D0₃ сплавов Fe_100 – xAl_x в широком диапазоне концентраций. Найдено, что равновесные параметры решетки исследуемых фаз увеличиваются с ростом концентрации, в то время как полный магнитный момент демонстрирует убывающее поведение. Построенная на основании сравнения энергий основного состояния E₀ структурная фазовая диаграмма показывает следующую последовательность переходов: A2 → D0₃ при x < 15 ат. % и A2 → B2 → D0₃ при x ≥ 15 ат. %. Полученные результаты находятся в качественном согласии с экспериментальными данными.

Работа выполнена при поддержке гранта № 18-12-00283 Российского научного фонда.