77
Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr-Ni System Driven by Engineering Applications Wei Xiong Doctoral Thesis Department of Materials Science and Engineering School of Industrial Engineering and Management KTH Royal Institute of Technology Stockholm, Sweden 2012

Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

  • Upload
    others

  • View
    5

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

 

Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr-Ni System

Driven by Engineering Applications

 

Wei Xiong

 

 

 

 

 

 

Doctoral Thesis

Department of Materials Science and Engineering School of Industrial Engineering and Management

KTH Royal Institute of Technology

Stockholm, Sweden 2012

Page 2: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

 

 

 

 

 

 

ISRN KTH/MSE--12/13--SE+THERM/AVH ISBN 978-91-7501-394-7

 

Materialvetenskap KTH Royal Institute of Technology

SE-100 44, Stockholm Sweden

Akademisk avhandling som med tillstånd av Kungliga Tekniska högskolan framlägges till offentlig granskning för avläggande av doktorsexamen tisdagen den 28:e augusti, 2012 kl 10:00 i sal B2, Brinellvägen 23, Materialvetenskap, Kungliga Tekniska högskolan, Stockholm.

 

Wei Xiong (熊伟), August 2012

Tryck: Universitetsservice US AB

Page 3: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

 

 

 

 

 

To Weiwei 

爱在左,同情在右,走在生命的两旁,随时撒种,随时开花,将这一径

长途,点缀得香花弥漫,使穿枝拂叶的行人,踏着荆棘,不觉得痛苦,

有泪可落,却不是悲凉。―― 冰 心 

 

 

 

Page 4: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

黑夜给了我黑色的眼睛, 我却用它来寻找光明。 ―― 顾 城 

Even with these dark eyes, a gift of the dark night,  

I go to seek the shining light. ―― GU Cheng 

 

 

 

 

 

Page 5: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

Abstract

This work is a thermodynamic and kinetic study of the Fe‐Cr‐Ni system as the core of 

stainless  steels.  The  Fe‐Cr,  Fe‐Ni  and Cr‐Ni  systems were  studied  intensively  using 

both computational and experimental  techniques,  including CALPHAD  (CALculation 

of PHAse Diagrams), phase field simulation, ab initio modeling, calorimetry, and atom 

probe tomography. The purpose of this thesis  is to reveal the complexity of the phase 

transformations  in  the Fe‐Cr‐Ni  system via  the  integrated  techniques. Due  to  the  im‐

portance of the binary Fe‐Cr system, it was fully reassessed using the CALPHAD tech‐

nique by  incorporating  an updated description of  the  lattice  stability  for Fe down  to 

zero kelvin. The  improved  thermodynamic description was  later  adopted  in  a phase 

field  simulation  for  studying  the  spinodal decomposition  in  a  series  of  Fe‐Cr  binary 

alloys. Using atom probe  tomography and phase  field simulation, a new approach  to 

analyze  the  composition  amplitude  of  the  spinodal decomposition was  proposed  by 

constructing an amplitude density spectrum. The magnetic phase diagram of the Fe‐Ni 

system was reconstructed according to the results from both ab initio calculations and 

reported experiments. Based on  the  Inden‐Hillert‐Jarl magnetic model,  the  thermody‐

namic reassessment of the Fe‐Ni system demonstrated the importance of magnetism in 

thermodynamic and kinetic investigations. Following this, the current magnetic model 

adopted  in  the CALPHAD community was  further  improved. Case studies were per‐

formed  showing  the  advantages  of  the  improved magnetic model. Additionally,  the 

phase  equilibria  of  the  Fe‐Cr‐Ni  ternary were discussed  briefly  showing  the need  of 

thermodynamic and kinetic studies at  low  temperatures. The “low  temperature CAL‐

PHAD” concept was proposed and elucidated in this work showing the importance of 

low  temperature  thermodynamics  and  kinetics  for  designing  the  new  generation  of 

stainless steels. 

Keywords: phase  transformation, magnetism,  spinodal decomposition,  stainless  steel, 

low temperature CALPHAD, phase field, ab initio, atom probe tomography, calorime‐

try 

Page 6: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 7: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

Contents Part I. Thesis

Preface ········································································································ i

List of appended papers and contribution statement ········································ i

Acknowledgements ················································································· iii

Nomenclature, abbreviations and denotations ················································ v

Chapter 1 Introduction ··················································································· 1

1.1. Stainless steels and materials design ························································ 1

1.2. Structure and aim of thesis ····································································· 2

Chapter 2 Methodology ·················································································· 5

2.1. Low temperature CALPHAD ·································································· 6

2.2. Phase field simulation ········································································· 10 2.2.1. Basic functional ············································································· 10 2.2.2. Numerical solver of phase field equations ··········································· 12 2.2.3. Issues related to parameters in phase field model ·································· 16

2.3. Experimental techniques ····································································· 17 2.3.1. DSC measurement ········································································· 17 2.3.2. Atom probe tomography ································································· 18

Chapter 3 Low temperature thermodynamics and kinetics of the Fe-Cr-Ni alloy ······· 21

3.1. Phase diagrams of the Fe-Cr-Ni system ··················································· 21 3.1.1. Phase diagrams of the boundary systems ············································ 21 3.1.2. Phase equilibria of the Fe-Cr-Ni ternary system ···································· 29

3.2. Improvement of the magnetic model for computational thermodynamics ····· 31 3.2.1. Improved magnetic model ······························································· 31 3.2.2. Case studies ·················································································· 37

3.3. Kinetic study of spinodal decomposition ················································ 41 3.3.1. Spinodal decomposition in the Fe-Cr system ········································ 41 3.3.2. Estimation of composition amplitude – the ADS method ························ 44 3.3.3. Kinetic issues on spinodal decomposition of the Fe-Cr system ················· 48

Page 8: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

Chapter 4 Concluding remarks and outlook ······················································ 53

4.1. Concluding remarks ············································································ 53

4.2. Suggestions on future work ·································································· 54

Bibliography ······························································································ 57

Part II. Supplements (appended papers)

Page 9: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

  i

Preface It is during a transitional period that I am performing this work in the research field of 

CALPHAD. After successful utilization of CALPHAD  in practical engineering,  the re‐

search interest is extending to low temperatures, at which the materials are under ser‐

vice. This  is certainly a challenge not only to the CALPHAD method  itself but also to 

other experimental and modeling techniques. In this work, it is shown that many prob‐

lems  arise when  applying  the  state‐of‐the‐art  research  tools. Great  efforts  have  been 

made which is reflected by the overview of this work as the first part and the appended 

papers as the second. The phase equilibria, magnetic phase diagrams and spinodal de‐

composition  in  the Fe‐Cr‐Ni system are  the main  topics. The magnetic model used  in 

computational thermodynamics is further improved in this thesis. A new method called 

amplitude density spectrum is proposed for quantitative study of spinodal decomposi‐

tion. Additionally,  the  concept of  the  low  temperature CALPHAD  is  introduced and 

materialized.  

I do not wish to increase the volume of my unpublished manuscripts in the second part 

of this thesis. Instead, some not yet published results are included in the first part and 

discussed in Chapter 3. The research work in this thesis was performed at the Depart‐

ment of Materials Science and Engineering, KTH Royal Institute of Technology, Sweden. 

Most  of  the  results  have  been  published  or  are  to  be  published  as  papers  in  peer‐

reviewed journals.  

List of appended papers and contribution statement 

I. Wei Xiong, Malin Selleby, Qing Chen, Joakim Odqvist, Yong Du, ʺPhase Equilib‐

ria and Thermodynamic Properties in the Fe‐Cr Systemʺ, Critical Reviews in Solid 

State and Materials Sciences, 35 (2010) 125‐152. doi: 10.1080/104084310 03788472 

Contribution statement: Wei Xiong performed the literature survey, literature 

review, as well as the draft of the manuscript.  

II. Wei Xiong, Peter Hedström, Malin Selleby, Joakim Odqvist, Mattias Thuvander, 

Qing Chen, ʺAn improved thermodynamic modeling of the Fe‐Cr system down 

to zero kelvin coupled with key experimentsʺ, CALPHAD: Computer Coupling of 

Page 10: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

  ii

Phase Diagrams and Thermochemistry, 35(3) (2011) 355‐366. doi:10.1016/j.calphad. 

2011.05.002 (CALPHAD Best Paper Award 2012) 

Contribution statement: Wei Xiong performed the thermodynamic calculations, 

result analysis, and prepared the draft of manuscript. 

III. Wei Xiong, Hualei Zhang, Levente Vitos, Malin Selleby, ʺMagnetic phase dia‐

gram of the Fe‐Ni systemʺ, Acta Materialia, 59(2) (2011) 521‐530. doi: 

10.1016/j.actamat.2010.09.055 

Contribution statement: Wei Xiong performed the thermodynamic calculations, 

designed the ab initio calculations, and performed the data analysis. The draft of 

the manuscript was prepared jointly by Wei Xiong and Hualei Zhang. 

IV. Wei Xiong, Qing Chen, Pavel Korzhavyi, Malin Selleby, ʺAn improved magnetic 

model for thermodynamic modelingʺ, CALPHAD: Computer Coupling of Phase 

Diagrams and Thermochemistry, accepted for publication. 

Contribution statement: Wei Xiong proposed the possibilities to modify the 

magnetic model inspired by the intensive discussion with the other authors. The 

draft of the manuscript was prepared by Wei Xiong. 

V. Wei Xiong, Klara Asp Grönhagen, John Ågren, Malin Selleby, Joakim Odqvist, 

Qing Chen, ʺInvestigation of spinodal decomposition in Fe‐Cr alloys: CALPHAD 

modeling and phase field simulationʺ, Solid State Phenomena, Vols. 172‐174 (2011) 

1060‐1065. doi:10.4028/www.scientific.net/SSP.172‐174.1060 

Contribution statement: Wei Xiong performed the thermodynamic modeling, 

and participated in result analysis. The phase field simulation was carried out 

jointly by Wei Xiong and Klara Asp Grönhagen using the open finite element 

code femLego. The draft of the manuscript was prepared by Wei Xiong.  

VI. Wei Xiong, John Ågren, Jing Zhou, ʺAn effecitve method to estimate composition 

amplitude of spinodal decompositionʺ, available in arXiv eprints: 

arXiv:1205.4195v1, http://arxiv.org/abs/1205.4195v1, submitted for publication. 

Contribution statement: Wei Xiong proposed the new method by intensive dis‐

cussion with the other authors. Wei Xiong performed the phase field simulation 

and experimental data analysis. The simulation was carried out using the home‐

made code by Wei Xiong. The manuscript was drafted by Wei Xiong. 

Usually,  it  is hard to completely avoid typos and even mistakes  in the thesis. I am al‐

ways grateful to suggestions and comments, which can be sent to: [email protected] 

at your convenience.  

Page 11: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

  iii

Acknowledgements 

On the first day when I arrived at KTH, no one including myself would believe that I 

will spend the next years  just for the “simple and well studied” Fe‐Cr‐Ni system. Cer‐

tainly, even after this thesis, the thorough study of this system in thermodynamics and 

kinetics needs to be continued. There is no doubt that more doctoral thesis will be gen‐

erated for further  investigation on the Fe‐Cr‐Ni system. During my research studies, I 

strongly  realized  that  some big problems normally exist  in  the  things  that are “well‐

known”. The stay at KTH shaped my character to be more independent but also coop‐

erative. The chance to work with all of the researchers in this excellent team of the He‐

ro‐m  center, KTH  is  certainly my great  treasure,  and  I  am  grateful  to  all  the people 

working together with me in Stockholm.  

Firstly, millions of  thanks should be  sent  to my  supervisors Profs. Malin Selleby and 

John Ågren. They not only spent very much time on me for numerous discussions, but 

did also release sufficient freedom to involve me in different research projects with my 

own interests, and thus allow me to extend the expertise.  

Drs. Qing Chen, Pavel Korzhavyi, and Prof. Andrei Ruban have  spent much of  their 

time to discuss with me starting from the beginning. I really learnt quite a lot from them, 

but certainly not enough! I wish they will forgive me to take vast amount of their time 

in the past as well as future. Without assistance of computer genius Dr. Lars Höglund, I 

probably could not run phase field simulation on the server. It was a great time to dis‐

cuss  some  practical  problems  in  both modeling  and  experiments with  Drs.  Joakim 

Odqvist, Peter Hedström, Mr. Jing Zhou and Moshiour Rahaman, Drs. Martin Schwind, 

Mattias Thuvander, Vsevolod Razumovskiy, Drs. Xiao‐Gang Lu and Huahai Mao, Profs. 

Annika Borgenstam and Bo Sundman. I want to extend my gratitude to Drs. Klara Asp 

Grönhagen, Walter Villanueva, and Minh Do‐Quang, Mr. Amer Malik, and Prof. Gus‐

tav Amberg  for  their help on manipulating  the  femLego software. The committed  re‐

search team with a huge sense of camaraderie will be really missed. I am grateful to the 

edifying experience sharing  from Prof. Emerit. Mats Hillert as well as his  time  for  in‐

spiring discussions. And I was certainly impressed by his exemplary attitude on enjoy‐

ing research. Moreover, it is worth mentioning that, by working closely with Prof. Staf‐

fan Hertzman  in  the Outokumpu  Stainless Research  Foundation,  I  could  always  get 

some extra driving force. Since the research orientations directed by him are usually full 

of foresight in practical engineering, and most are enormous challenges to the state‐of‐

the‐art physical metallurgy and solid physics.   

Page 12: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

  iv

Working in the Hero‐m center, there are some great opportunities to meet excellent sci‐

entists in a broad research field. It is my fortune to discuss magnetic models with Prof. 

Emeritus Gerhard Inden from MPI, Düsseldorf, during the Hero‐m annual workshop.  

Without the kind help from Drs. Xiaogang Lu, Qing Chen and Huahai Mao and their 

families, it would be not so easy to stay in the beginning when I arrived. There are lots 

of happy memories living in Stockholm with friends from different countries.  

Last but not  least, without  the constant support  from my  family,  this  thesis would be 

impossible to accomplish.  

When  I was  studying  in  the primary  schools  in  the  last  century,  I was  taught  that  I 

should study hard in order to respond the care and kindness from my family, friends, 

teachers and society. It might be “out of date” to repeat this  in the 21st century. But I 

still wish to reserve this chance saying that, I will keep moving towards my dream  in 

order to respond your care and kindness. 

 

     

 

Wei Xiong 

Page 13: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

  v

 

Nomenclature, abbreviations and denotations 

 

ADS amplitude density spectrum

AFM antiferromagnetic

APT atom probe tomography

β* effective magnetic moment

b mean magnetic moment

βi magnetic moment of component i

CALPHAD CALculation of PHAse Diagrams

Cp heat capacity

DFD direct frequency diagram

DSC differential scanning calorimetry

 ε Interfacial energy coefficient

FD frequency diagram

FM ferromagnetic

IHJ Inden-Hillert-Jarl

LBM Langer-Bar-on-Miller

lc critical length scale

Ms Martensite start temperature

MScale atomic mobility scale

PM paramagnetic

SGTE Scientific Group Thermodata Europe

 

Page 14: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal
Page 15: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

Chapter 1 Introduction

1.1. Stainless steels and materials design 

Steels are alloys composed of iron and other elements, and they are certainly one type 

of the most important and versatile engineering materials acting as a symbolic mark of 

the modern civilization of mankind. Steels normally serve as constructional materials, 

and  they exhibit numerous mysteries  in  their physical properties, which attract many 

investigations  in  the  field of materials, metallurgy and solid physics.  In  the  family of 

steels, the stainless steel occupies its own place for its corrosion and heat resistant prop‐

erties. Stainless steel usually contains a minimum of 10.5 wt.% chromium, which is the 

essential  element  to gain  its  ability of being  stainless.   The major  components  in  the 

stainless steel are normally Fe, Cr, Ni, Mo, N, and C (shown in the sequence of amount 

in weight).  

Fundamental  study  on phase  equilibria  and phase  transformations  is  the  key  to  im‐

prove the performance of stainless steel, and there are tremendous amount of modeling 

and  experiments on  topics  related  to  stainless  steels  [1]. As  the basis of  the  stainless 

steels, the Fe‐Cr system has got quite much attention in both thermodynamics and ki‐

netics [2]. Therefore, even if the focus is limited to the Fe‐Cr‐Ni ternary system and its 

binaries, one needs a  lot of patience  to review  the vast amount of reported data  from 

various research groups [1].  

With the development of theory, computation and experiments, the research on stain‐

less steels has entered a new era which  is directed by the concept of materials design. 

Nowadays, the computational simulation plays a vital role for designing new materials. 

The simulation  tools can sometimes effectively shorten  the  research cycle  for steel  in‐

dustry. The ultimate aim of materials design is to obtain the desired microstructure of 

the materials, to improve chemical and physical properties, and to enhance the perfor‐

mance  in service. Although  there may be accumulated experimental data available,  it 

should be noted  that new  experiments  are  still needed,  especially  for  the purpose  to 

verify  the  reported data when  conflicts  exist. Besides,  the designed  key  experiments 

often not only provide supplementary data but also verify the model of simulation.  

Page 16: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 1. INTRODUCTION

  2

As shown in Fig. 1.1, scientific efforts are often made in the study of theory, modeling 

and experiment in order to fill the need from engineering applications. During the ma‐

terials processing,  the material microstructures  can be determined by phase  transfor‐

mation which governs the phase distribution. As a consequence, the study of the phase 

equilibria and phase  transformation  is  the key  to successful materials design  in steels 

research.  

MaterialsDesign

MaterialsDesign

Performance

Structure

PropertyTheory

Modeling

Experiment

Research Tools and Orientation

 

Fig. 1.1. The concept of materials design and its basic research tools and orientation 

It should be noted that, although the integration of different methods is necessary in the 

modern materials research, one could not possibly  learn all  the  techniques. However, 

this will not affect the application of different methods, which is analogous to driving a 

car. The detailed knowledge of the engine will facilitate maintenance of the car, but is 

not a must to drive one. For instance, one may easily handle some experimental facili‐

ties with several specific functions needed, since many of them are designed quite user‐

friendly. At least, the joint work by collaboration is always possible. 

1.2. Structure and aim of thesis 

It is known that stainless steels are susceptible to the notorious “475 °C embrittlement”, 

which is detrimental to the mechanical properties [3], e.g. impact toughness. A possible 

reason  for  this  is  the  segregation  of  the Cr  rich  cluster  formed  by phase  separation. 

Therefore, a  fundamental study on  the phase  transformation and  its  influence on me‐

chanical properties is desired. 

This thesis is dedicated to study the mechanism of phase transformations at lower tem‐

peratures through the integrated tool of modeling and experiments. Although there are 

numerous reports on phase equilibria and phase  transformations  in  the Fe‐Cr‐Ni sys‐

tem,  it  is found that previous studies have not paid enough attention to the phase be‐

havior at low temperatures, defined in the thesis as temperatures below 1073 K.  

Page 17: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 1. INTRODUCTION

  3

Since  content  of  chromium  is  normally much  larger  than  nickel  in  stainless  steels, 

enormous efforts have been made on the Fe‐Cr in the research field of steels. Moreover, 

the phase separation in the Fe‐Cr binary can be regarded as the prototype of the phase 

separation  in  the multi‐component  stainless  steel  system. A  thoroughgoing  literature 

review on  the phase  equilibria  and  thermodynamic properties was performed  as  the 

initiation of the work, see paper I. It was found that the generally accepted phase dia‐

gram of the Fe‐Cr system needs to be modified especially in the low temperature region. 

Besides, the reported thermodynamic modeling needs to be  improved, since the mag‐

netic phase diagram  cannot be  correctly  reproduced by  the previous  thermodynamic 

modeling. Therefore, in paper II, the thermodynamic modeling of the Fe‐Cr system was 

performed according to the comprehensive review in paper I to provide accurate ther‐

modynamic information at low temperatures. The improved thermodynamic modeling 

was verified by both calorimetry and atom probe  tomography, and  the chemical  spi‐

nodal curve was determined. Due to the problems on magnetism revealed in the Fe‐Cr 

system,  another  systematical  study  of  the  Fe‐Ni  system was performed  as well. The 

thermodynamic description was  refined  for  the  low  temperature  region of  the Fe‐Ni 

phase diagram assisted by ab initio calculations on the magnetic moment (see paper III). 

Further  investigation was performed  for  the magnetic model adopted  in  the  state‐of‐

the‐start CALPHAD method. The  intensive study on  the magnetic model  for  thermo‐

dynamic modeling was finalized with an improved magnetic model in paper IV. Run‐

ning in parallel, the improved thermodynamic description of the Fe‐Cr system was tak‐

en into account during the phase field simulation of the spinodal decomposition in the 

Fe‐Cr system  in papers V and VI. The study proposed a new method  to evaluate  the 

composition  amplitude  of  the  spinodal  decomposition. Meanwhile,  it  demonstrated 

that  a  successful  application  of  the  phase  field  technique  in  spinodal decomposition 

needs more accurate estimation of the atomic mobility as well as the wavelength of the 

interconnected spinodal structure.  

In the first part of this thesis, an overview is given and organized as follows. Chapter 2 

discusses different methods used in this study. Chapter 3 summarizes some important 

results regarding thermodynamics and kinetics of the Fe‐Cr‐Ni systems at low tempera‐

tures. Outlooks for further work and conclusions are presented in Chapter 4. Main re‐

sults are presented  in  the appended papers or manuscripts as  the second part of  this 

thesis.  

 

 

Page 18: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

Page 19: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

Chapter 2 Methodology In the present thesis, both computational and experimental tools were applied to study 

phase equilibria and phase transformations in the Fe‐Cr‐Ni system. However, modeling 

and simulation were taken as the major research tools. In order to study phase behavior 

at relatively low temperatures, the ab initio method, CALPHAD, key experiments and 

phase field simulations were applied to the present study. The research concept in this 

thesis is illustrated in Fig. 2.1.  

WEIPHAM

FFT

Home-made

FORTRAN

Kinetics

Thermodynamics

CALPHAD &Experiment

(DSC, APT)

Ab initio Phase field

Thermodynamic propertyMagnetic propertyInterfacial energyGibbs free energy

Atomic mobilityInterfacial mobilityThermo-Calc DICTRA

EMTO

VASP

 

Fig. 2.1. Illustration of the relationships among different methods referred in this thesis. 

The ab initio method could provide valuable information for thermodynamic and kinet‐

ic modeling to construct CALPHAD databases, which can be adopted later in the phase 

field simulations as the input. For some cases, atomistic calculations can be employed to 

predict some physical quantities directly for phase field simulation, e.g.  interfacial en‐

ergy. However, usually, phase  field  simulations  are performed by  coupling with  the 

thermodynamic and kinetic information constructed using the CALPHAD approach.  

Additionally, some key experiments in this work are designed for verifying the compu‐

tational results in this thesis. For example, the model‐predicted thermodynamic proper‐

ties of  the alloys, e.g. heat capacity, were verified by differential scanning calorimetry 

Page 20: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  6

(DSC). The simulation results by phase  field  technique were compared with  the atom 

probe tomography (APT).  

2.1. Low temperature CALPHAD 

There are tremendous amount of exhaustive reviews on both ab initio [4, 5] and CAL‐

PHAD methods [6, 7]. Therefore, it is not necessary to take space here for a detailed in‐

troduction on how to perform ab initio and CALPHAD modeling. Instead, it  is neces‐

sary  to  emphasize  the  conjunction between  these  two  in  this  section,  since  there  is a 

strong  tendency  to  perform  thermodynamic  and  kinetic  studies  using  a  combined 

method of ab initio and CALPHAD. 

In  this work,  the concept of “low temperature CALPHAD”  is  introduced, driven by  the 

engineering application of steels at  low  temperatures. As mentioned  in  the preceding 

chapter,  the present work  is  focusing  on  the phase  behavior  of  the materials  at  low 

temperature during service.  

It is interesting to note that, in the early days of CALPHAD, 1970s, many physicists per‐

forming  atomic modeling  would  not  believe  that  CALPHAD would  prevail  today. 

However, as indicated by R.W. Cahn [8], CALPHAD is the typical method that can ful‐

ly demonstrate the strength of computational modeling and simulation. Besides, it may 

be difficult to find any other so successful approach invented by metallurgist as CAL‐

PHAD,  which  attracts  such  wide  interests  from metallurgy  and material  scientists, 

physicists, chemists, and industrial engineers. 

The CALPAHD method  is a  semi‐empirical  technique based on evaluation of experi‐

mental data, and theoretical estimates related to the thermodynamic properties of mate‐

rials. Therefore thermodynamic models are the core of this technique. A general formu‐

la to describe a phase can be expressed as: 

  srf config ex physG G G G G= + + +   (2‐1) 

in which the first term on the right hand side represents the contribution from the “sur‐

face” of reference as defined  in the compound energy formalism [9]. The second term 

denotes  the  ideal mixing which can be extended  to  include  random arrangements on 

several sublattices. The third term describes the contribution due to non‐ideal  interac‐

tion between the components. In principle, the first and the third terms cover all of the 

contributions from electronic, vibrational and other type of contributions. The last term 

considers other physical contributions. For systems exhibiting magnetic properties, this 

term could represent the magnetic contribution to the Gibbs energy of the system.  

Page 21: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  7

A classical CALPHAD‐type work would only obtain a self‐consistent  thermodynamic 

parameter set by optimization using, e.g. the Thermo‐Calc software package. The basic 

criteria of a successful optimization would be the quality of reproducing the phase dia‐

gram and  thermodynamic properties which were determined by experiments. Due  to 

the development of the ab initio methods, the calculated results from the ab initio mod‐

eling are  considered as one  type of  the most  important  input data, which  sometimes 

even hold the same status as experiments. A typical example is the adoption of calcu‐

lated enthalpy of formation using ab initio methods, which is now generally considered 

as a  reliable  input  for CALPHAD modeling  if  the  experimental value  is unavailable. 

The computed enthalpy of formation at 0 K can often be considered to be the same as 

the one at 298 K in traditional CALPHAD modeling [10], and thus merely considering 

negligible differences. Another successful application of ab initio input is the estimation 

of interaction parameters and energy of the end‐members in the sublattice model used 

in the CALPHAD modeling. A case study was performed in the Re‐W system by Fries 

and Sundman [11], which demonstrated the important contribution from ab initio cal‐

culations to evaluation of thermodynamic properties in unstable phase regions.  

As a tendency of further development, both ab initio and CALPHAD methods are mak‐

ing efforts to enter each others fields. In ab initio calculations, researchers are now  in‐

terested  in predicting the thermodynamic and kinetic quantities above zero kelvin. So 

far,  there  are numerous  successful  examples of  calculations of heat  capacity  for  sub‐

stances using ab initio methods. For example, in the work by Grabowski et al. [12], the 

heat capacity of pure Al up to the melting temperature was successfully calculated. The 

ab initio predicted heat capacity of the Ni‐B compounds by Kong et al. was successfully 

confirmed by calorimetry [13]. Meanwhile, researchers  in the CALPAHD field start to 

develop models which are validated below 298 K.  

In fact, the CALPHAD community realized the importance of extending the thermody‐

namic description of the pure elements down to zero kelvin in the modeling, and orga‐

nized intensive discussion at the Schloß Ringberg workshop in 1995 entitled “Thermo‐

dynamic models and data for pure elements and other end‐members of solutions”. The 

first group discussed heat capacity models for crystalline phases from 0 to 6000 K, try‐

ing  to  find  a  “universal” model  to  describe  the  thermodynamic  properties  over  the 

whole temperature range [14]. The idea is to use the Debye or Einstein model to fit the 

heat capacity at low temperatures, while using a polynomial to describe the heat capaci‐

ty above 298 K.  

  , 2Deb Ein magnP P PC C aT bT C= + + +   (2‐2) 

Page 22: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  8

where the first term on the right hand side will be expressed using the Debye or Ein‐

stein temperatures (θD or θE) : 

 

( )

3 4

209

1

DxT

DebP

xD

T x eC R dx

e

q

q

æ ö÷ç ÷= ç ÷ç ÷çè ø -ò   (2‐3) 

 

( )

2

23

1

E

E

TEin EP

T

eC R

Te

q

q

qæ ö÷ç ÷= ç ÷ç ÷çè ø-

  (2‐4) 

The  second  term  in Eq.  (2‐2)  is  related  to  electronic excitations and  low‐order anhar‐

monic corrections, and coefficient a could thus be evaluated using non‐thermodynamic 

information, e.g. electron density of states at the Fermi level. The third term consists of 

the high‐order anharmonic  lattice vibrations. The  last  term considers  the contribution 

from the magnetic ordering. 

In 2001, Chen and Sundman [15] performed the pioneering work on the lattice stability 

of pure Fe based on the Einstein model and described Cp of the bcc phase at low tem‐

peratures by further modifying Eq. (2‐2) into: 

 

( )

24

23

1

E

E

TmagnE

P PT

eC R aT bT C

Te

q

q

qæ ö÷ç ÷= + + +ç ÷ç ÷çè ø-

  (2‐5) 

Since it was found that the 4th power of the third term would make it easier to fit the 

high temperature experimental Cp [15].  

Although the work by Chen and Sundman [15] successfully described the lattice stabil‐

ity of Fe,  it has not been used  in any practical application yet.  In  this  thesis,  the  im‐

proved  thermodynamic description of  the Fe‐Cr system can be considered as  the  first 

attempt to adopt the updated lattice stability of pure Fe down to zero kelvin in a ther‐

modynamic description of a binary system [16] (see paper II).  

It is encouraging to notice that the most recent work by Vřešt’ál et al. [17] extended the 

studies on the lattice stability of 53 elements down to zero kelvin in the framework of 

the Schloß Rinberg workshop in 1995. It combines the expression of Eqs. (2‐2) and (2‐5) 

by adopting both temperature dependent terms: T2 and T4:  

Page 23: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  9

 

( )

22 4

23

1

E

E

TmagnE

P PT

eC R aT bT cT C

Te

q

q

qæ ö÷ç ÷= + + + +ç ÷ç ÷çè ø-

  (2‐6) 

The above expression can guarantee easy fitting at temperatures above 298 K. 

Evidently,  there will be an  increasing amount of work on  the  lattice stability down  to 

zero kelvin in the near future, and the integration of ab initio and CALPHAD will sub‐

stantially step forward.  It should also be stressed that the ab initio calculations play a 

vital role in the construction of a new database of lattice stability. Because, so far, it is 

probably the only alternative to obtain thermodynamic properties at low temperatures, 

especially for the unstable phases, if the experimental data is unavailable.  

 

Fig. 2.2. Relationship among the ab initio, CALPHAD and experimental methods in the low 

temperature CALPHAD concept shown in the Taiji diagram. 

Regarding the magnetic contribution, i.e. the last term in Eqs. (2‐2), (2‐5) and (2‐6), it is 

worth noting  that  the estimation  is based on  the model proposed by  Inden  [18], and 

later modified by Hillert and Jarl [19]. It should be pointed out that since the early focus 

was  normally  at  high  temperatures,  the  thermodynamic  modeling  usually  has  not 

enough  concern with  reproducing  the magnetic  phase  diagram, which  is more  im‐

portant at low temperatures due to different magnetic ordering effects. This is the rea‐

son  that, using  the  thermodynamic descriptions of  some basic  systems,  the magnetic 

properties cannot be well reproduced. In this thesis, it is found that the calculated mag‐

netic phase diagram of the Fe‐Cr‐Ni system (including its boundary binaries) according 

to the reported CALPHAD work differs significantly from experimental data.  

More seriously,  it  is found  that some of  the basic magnetic quantities,  like Curie/Néel 

temperatures of metastable or unstable phases, are still not well determined and needs 

Page 24: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  10

further investigation. This requires some efforts in both ab initio and CALPHAD com‐

munities in the near future. 

In view of the above, the relationship between ab initio and CALPHAD techniques can 

be considered as the Taiji diagram as shown in Fig. 2.2.  

The ab  initio and CALPHAD  is nondetachable  for  further development,  in  the metal‐

lurgy and materials  science, ab  initio  is making great efforts  to compute  the material 

properties at high temperatures, while CALPHAD is trying to extend its area to the low 

temperature  region. The  issue  related  to magnetism  is  a  challenge  to  both methods, 

since  there  is no perfect model yet  to describe  the  complex magnetism  in  solid  state 

physics.  In  this  thesis,  an  attempt was made  to  further  improve  the magnetic model 

which is now used in many mean field approaches, proposed by the CALPHAD com‐

munity [18, 19].  

2.2. Phase field simulation 

2.2.1. Basic functional 

Phase field simulation is a mathematical technique for studying interfacial properties of 

the materials.  It has been extensively developed  in  the  last  two decades. The ultimate 

purpose of phase field simulation is to obtain the microstructural evolution in the mate‐

rial,  in order to determine how  to process a material with desired properties. The de‐

velopment of phase field simulation is due to the work by Hillert [20, 21] and Cahn and 

Hilliard [22] on the spinodal decomposition. The gradient energy contribution from an 

interface was extensively discussed  in  the above works. However,  it should be noted 

that  the  concept of  the gradient energy  is  indeed a  renaissance,  since  in  the work by 

Van der Waals on  the capillarity effect of critical systems  in 1894  [23],  the continuum 

model and the energy of a diffuse interface was proposed.  

For  a  binary A‐B  case,  it  is  proposed  that  the  total  energy  in  the  system  can  be  ex‐

pressed as: 

  ( )2

21,

2m B Bm V

G G x T x dVV

eæ ö÷ç ÷= ç + ÷ç ÷÷çè øò   (2‐7) 

where  ( ),m BG x T  can be obtained from CALPHAD databases, ab initio  calculations, or 

other theoretical modeling. The molar volume  mV  was normally considered as constant. 

If  the  thermodynamics of  the system can be described by  the regular solution model, 

Page 25: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  11

the gradient coefficient  e  is approximately considered as a function of interatomic dis‐

tance  al  and regular solution parameter W  [22]: 

  2 2ae l= W   (2‐8) 

Since concentration is a conserved quantity, it satisfies the solute diffusion equation:  

 1 B

Bm

xJ

V t

¶= - ⋅

¶  (2‐9) 

The  solute  flux  BJ  can be given by  the Onsager  linear  law of  irreversible  thermody‐

namics:  

  B AB mB

GJ L V

x

dd

æ ö÷ç ÷= - ç ÷ç ÷çè ø  (2‐10) 

in which  ABL  is the phenomenological coefficient and can be expressed as a function of 

atomic mobility:  

  ( )AB A B A B B A mL x x x M x M V= +   (2‐11) 

As a result, the Cahn‐Hilliard equation can be obtained by combining the above equa‐

tions:  

  2 21 B mAB B

m B

x GL x

V t xe

æ æ öö¶ ¶ ÷÷ç ç ÷÷= ⋅ - ç ç ÷÷ç ç ÷÷ç ç¶ ¶è è øø  (2‐12) 

In phase field modeling, one considers the contribution to thermodynamics and kinetics 

from a diffuse interface during the phase transformation. Moreover, an order parameter 

that  represents a certain phase  is  introduced  in  the phase  field model. A comparison 

between the typical sharp interface and the diffuse interface models is illustrated in Fig. 

2.3.  

In  the spinodal decomposition,  the concentration can be considered as a kind of con‐

served  order  parameter,  while  in  a  grain  growth  or  precipitation  study,  a  non‐

conserved order parameter f  is necessary to introduce. Usually,  if  is considered to be 0  or  1  for  the  individual  phase  i,  and  the  diffuse  interface  will  be  determined  as 

0 1if< < . If there are N phases, in a certain phase region, there will be: 

Page 26: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  12

  1N

ii

f =å   (2‐13) 

The  evolution  of  the  non‐conserved  order  parameters  if  are  governed  by  the Allen‐Cahn equation (also known as the Ginzburg‐Landau equation): 

 ( ), ,ii

i

F x TM

t f

d ffdf

¶= -

¶  (2‐14) 

in which,Mf  is the physical quantity related to the interfacial mobility. It is noteworthy 

that  the  energy  of  the  system  can  normally  be defined  in  terms  of  composition  and 

temperature T, but the one used in the Allen‐Cahn equation, F, is a function of the non‐

conserved  order  parameter,  composition,  and  temperature.  Therefore,  many  efforts 

have been made to propose a reasonable free energy function varying with both non‐

conserved order parameter and composition. Different construction of the free energy 

landscape may generate different phase field models. There are some widely adopted 

phase field models used for different application fields, such as the Wheeler‐Boettinger‐

McFadden model [24, 25], the Steinbach model [26], and the Kim‐Kim‐Suzuki model [27, 

28].  

Sharp interface Diffuse interface

Ord

er

pa

ram

ete

r

Ord

er

pa

ram

ete

r

Distance Distance  

Fig. 2.3. Illustration the concept of diffuse and sharp interfaces. 

More reviews on the phase field methods are available in Refs. [29‐31].  

2.2.2. Numerical solver of phase field equations 

There are tremendous amounts of investigations on solving the Cahn‐Hilliard and Al‐

len‐Cahn equations using different numerical methods, such as, finite difference, finite 

element,  finite  volume  and  Fourier‐spectral  methods.  The  explicit  finite  difference 

method can be considered as a starting point for learning the phase field method. It can 

Page 27: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  13

easily handle some simple 2 dimentional cases. However, in order to be more efficient, 

one would consider some other methods.  

It is worth noting that nowadays several packages are available for applying the phase 

field method. The first commercial software named MICRESS [32] was developed at the 

Access Technology, Aachen, Germany. By collaborating with the Thermo‐Calc Software 

AB in Sweden [33], thermodynamic and kinetic databases were included in the simula‐

tion. Some open codes are also available. For example, using the finite volume method, 

the software called FiPy [34] written in Python was released by the National Institute of 

Standards and Technology, USA. In Germany, the ICAMS institute at the Ruhr Univer‐

sity Bochum  is developing another open code, OpenPhase  [35], written  in C++. Based 

on  the  finite element method, a  code named  femLego  [36] has been  released at KTH 

Royal  Institute of Technology, Sweden. Alternatively, some commercial mathematical 

tools, e.g. FlexPDE  [37],  for solving partial differential equations may also be suitable 

for phase field simulation. Similarly to the situation in the beginning of the 80s for the 

CALPHAD approach, since the phase field model is still under development, the exist‐

ing software at present could not fit all the needs of both scientific and engineering ap‐

plications.  Scientifically,  researchers  sometimes  prefer  to  modify  the  phase  field 

code/model with utmost freedom, and thus write their own code.  

In this work, the 3D (3 dimensional) phase field simulation is mainly performed by us‐

ing  the  semi‐implicit Fourier‐spectral method. There are many advantages when ma‐

nipulating the phase field equations in the Fourier space. The attractive feature  is that 

the implicit solution of a differential equation could be simplified in the Fourier space 

as a division operation instead of a matrix inversion in the real space. There are a lot of 

fast Fourier  transform codes available, e.g. FFTW package developed at MIT  (Massa‐

chusetts Institute of Technology).  

Considering the derivative of  ( )f x¢  in the Fourier space, it could be manipulated as: 

  ( ) ( )( ) ( ) ( )( )1ikx ikxf x f k e dk ikf k e dk ikf kx

¥ ¥ -

-¥ -¥

¶¢ = = =¶ò ò   (2‐15) 

in which,  k  is  the wavenumber,  ( )f k  is  the  reciprocal  form  of  ( )f x  in  the  frequen‐

cy/reciprocal  space.  The  above manipulation  in  Eq.  (2‐15)  is  based  on  the  following 

Fourier  transform between  the Fourier  transform  ( )f k  and  the  function  ( )f x  in  real 

space: 

Page 28: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  14

 

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )1

1

2

ikx

ikx

f x f k f x e dx

f k f x f k e dkp

¥ -

¥-

ìïï é ùï = =ï ë ûïïíïïïï é ù = =ï ë ûïî

ò

ò

  (2‐16) 

In brief, the first derivative in the real space is a multiplication by ik in the Fourier space.  

In  this  thesis,  the  semi‐implicit  solver  developed  by  Chen  and  Shen  [38]  has  been 

adopted.  The  Cahn‐Hilliard  and  Allen‐Cahn  equations  are  solved  in  dimensionless 

form  by  considering  the  periodic  boundary  conditions.  Consequently,  the  Cahn‐

Hilliard equation shown in Eq. (2‐12) for the A‐B binary case can be written in the di‐

mensionless form as: 

 ( ) 2 2BB

AB BB

G xxL x

xe

t

é æ öù¶¶ ÷çê ú÷ç= ⋅ - ÷çê ú÷ç ÷¶ ¶è øê úë û

  (2‐17) 

The Fourier transform of Eq. (2‐17) will be: 

 ( )

( )22BBAB B

B

G xxi L i k x

xe

ì üé æ öùæ öï ﶶ ÷ï ï÷ççï ê ú ï÷÷ç¢ ¢ç= + ÷í ý÷çê úç ÷÷ï ç ïç ÷ ÷¶ ¶çè øê úè øï ïë ûï ïî þk r k

k k

  (2‐18) 

In the above equation,  k  and  ¢k  are the modes in the Fourier space, which is equal to 

( )2k ¢ .  Subscripts k  and  ¢k  mean  the  Fourier  transform, while  subscript  r means  the 

inverse Fourier  transform.  It  should be noted  that according  to  the analysis by Chen 

and Shen [38], the above equation has a constraint of: 

  2 4 1Kt eD ⋅ <   (2‐19) 

in which, K  is the number of Fourier modes in each direction.   Therefore, the ideas of 

splitting  the  variable mobility  into A  and M A-

 can  be  introduced  in  Eq.  (2‐18)  to 

solve the problem [38]: 

 

( )

( ) ( )( )

2 4 1

22 4 2

1

1

nB

BnB AB B

B

A k x

G xA k x i L i k x

x

t

t t e

+

¢

+ ⋅ D Îì üé æ öùæ öï ï¶ ÷ï ï÷ççï ê ú ï÷÷ç¢ ¢ç= + ⋅ D Î + D ⋅ + ÷í ý÷çê úç ÷÷ï ç ïç ÷ ÷¶çè øê úè øï ïë ûï ïî þk r k

k k

 (2‐20) 

It  is  important  to keep  in mind  that,  in order  to solve  the above equation, A needs  to 

fulfill the requirement [38]: 

Page 29: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  15

  ( )max min1

2A M M³ +

  (2‐21) 

Where  maxM

 and  minM

 are the maximum and minimum of the atomic mobility, respec‐

tively. By doing this, the time step constrain of the form in Eq. (2‐19) will no longer exist. 

As for the Allen‐Cahn equation, normally it has the form of: 

  ( )( )2M ff ff

f et

¶= - -

  (2‐22) 

Therefore, in the Fourier form, Eq. (2‐22) can be written as: 

  ( )( )2 2k

dM f k

d f ff

f e ft

= - -   (2‐23) 

Similarly,  ( )1 2 3, ,k k k=k  is a Fourier vector  in  the  reciprocal  space, while  the magni‐

tude of k  is  2 2 21 2 3k k k+ + . Considering the explicit Euler scheme during  the simula‐

tion: 

  ( )( )1 2n n n nd M f kff f t f f+ = + ⋅ - -k

  (2‐24) 

Furthermore, if the semi‐implicit form is applied, we will arrive at: 

  ( )( ) ( )1 21n n nd M f d M kf ff f t f t+ = - ⋅ + ⋅k

  (2‐25) 

In order  to  improve  the accuracy  in  time, one would consider  the higher order semi‐

implicit schemes. Thus, a second‐order backward difference  (BDF)  for ( )d dt f  and a second‐order Adams‐Bashforth (AB) for the explicit treatment of the nonlinear term can 

be applied to Eq. (2‐23) [38]:  

  ( ) ( ) ( )2 1 1 13 2 4 2 2n n n n nd M k d M f ff ft f f f t f f+ - -é ù+ ⋅ = - - ⋅ -ê úë ûk k

  (2‐26) 

  ( ) ( )( ) ( )1 1 1 24 2 2 3 2n n n n nd M f f d M kf ff f f t f f t+ - -é ù= - - ⋅ - + ⋅ê úë ûk k

  (2‐27) 

Analogously, a three‐order semi‐implicit BDF/AB scheme can be derived as [38]: 

 ( ) ( ) ( )

( )

1 2 1 2

12

18 9 2 6 3 3

11 6

n n n n n n

nd f f f

d M kf

f f f t f f ff

t

- - - -+

é ù- + - ⋅ - +ê úë û=+ ⋅

k k k

  (2‐28) 

Page 30: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  16

Based on  the  above numerical methods,  a home‐made  code named  ‘WEIPHAM’ has 

been written in FORTRAN for simulating the 3D spinodal decomposition in this thesis. 

2.2.3. Issues related to parameters in phase field model 

In the phase field models, the choice of the parameters directly affects the final simula‐

tion results. Some of the parameters can be defined rigorously from mathematical deri‐

vations, but some are defined arbitrarily in view of the physical models.  

In the Cahn‐Hilliard equation, it is known that the most important inputs are the Gibbs 

energy, atomic mobility, and  interaction parameters. In the simulation of spinodal de‐

composition, the Gibbs energy can determine phase stability regions, like the chemical 

spinodal curve. The atomic mobility is one of the main factors to control the kinetic pro‐

cess. One could envisage that  the atomic mobility  is usually easier  to obtain at higher 

temperatures, where usually  the diffusion  is faster  than  that at  low  temperatures. Ac‐

cording to the work by Cahn and Hilliard [22], the interaction parameter of the regular 

solution model can be related to the gradient coefficient as shown in Eq. (2‐8). However, 

only the pairwise interactions are considered in this approximation. In fact, the gradient 

coefficient can bring effects  to  the wavelength of  the spinodal structure. According  to 

Hillert [20, 21], in the spinodal decomposition, assuming a spinodal wave will behave 

as an  ideal sinusoidal profile,  the critical wavelength of  the spinodal structure can be 

expressed as: 

  22 2c mGl p e ¢¢=   (2‐29) 

where  mG  is the second derivative of the Gibbs energy with respect to composition.  

In  the study of grain growth or precipitation,  the phase  field variable  (non‐conserved 

order parameter) f is necessary to introduce. Therefore, the atomic mobility term used 

in the Cahn‐Hilliard function also needs to be considered with respect to both composi‐

tion and phase field variables [39]. 

Regarding the Allen‐Cahn equation, several issues on input parameters should also be 

addressed  briefly.  When  applying  the  Allen‐Cahn  equation  to  the  study  of  grain 

growth or precipitation, it is quite important to determine the way to construct the en‐

ergy  curves with  respect  to  the  phase  field  variable f  and  composition  variable  x , 

which influence the choice of different parameters, such as interfacial energy, interfacial 

thickness, and gradient coefficient. The interfacial mobility M can directly affect Mf  in 

the Allen‐Cahn equation as discussed in section 2.2.1. Normally, the interfacial energy 

and mobility  are difficult  to  evaluate properly. Therefore,  in  order  to  obtain  reliable 

Page 31: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  17

values, one may consider both experiments [40] and atomistic simulations [41]. The dif‐

ferent choices of the related quantities may affect the final results substantially.  

2.3. Experimental techniques 

As mentioned in the preceding chapter, key experiments play an important role when 

validating  the  simulation  results  and provide  supplementary data.  In  this  thesis,  the 

main experimental techniques used are calorimetry and atom probe tomography. DSC 

was employed to determine the heat capacity of Fe‐Cr binary alloys, while atom probe 

tomography was used  to  validate  the  thermodynamic modeling  and  to  estimate  the 

intensity of the spinodal decomposition. Therefore, it is necessary to briefly discuss the‐

se two techniques. The ADS (Amplitude Density Spectrum) method invented in paper 

VI can be considered as the outcome of the combined research of simulation and exper‐

iment in this thesis. 

2.3.1. DSC measurement 

The DSC measurement is widely used in the study of phase equilibria and thermody‐

namic  properties,  such  as,  phase  transition  temperature,  heat  capacity,  enthalpy  of 

phase transformation, etc. Basically, there are two different kinds of DSC instruments, 

one called heat‐flux DSC, and  the other called power‐compensating DSC. The  former 

one has a single heater as the one for DTA (differential thermal analysis), while the lat‐

ter one has  two  separate heaters  for  sample  and  reference  in order  to determine  the 

power difference  required  to maintain  the  temperatures of  the  sample  and  reference 

identically. Although  the  latter one  is more precise  than  the  former,  in  this  thesis, we 

used  the heat‐flux DSC  to determine  the heat  capacity,  since  it  could measure up  to 

higher temperatures which was necessary for the present research.  

During the measurement, it is crucial to calibrate the instrument as the first step in or‐

der  to obtain a good baseline, and  thus guarantee  the sensitivity of  the measurement. 

There are some standard test methods for determining the specific heat capacity using 

DSC, such as, ASTM E968, ASTM E1269, etc.   Normally, the derivation of the heat ca‐

pacity of the sample will follow: 

 Sample BaselineSample Standard Standard

Sample Standard BaselineP P

S SmC C

m S S

-= ⋅

-  (2‐30) 

where m, S, and Cp denote the mass, signal and heat capacity respectively. Normally, 

synthetic sapphire is used as the standard.  

Page 32: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  18

In this thesis, the DSC measurements are applied to determine Cp curves, from which 

the magnetic transition temperature can also be achieved (see paper II).  

It should be noted  that  the  low  temperature DSC measurement can provide valuable 

experimental data for the heat capacity. Indeed, there will be great amount of require‐

ment  for experimental data even  though ab  initio can provide some modeling  inputs. 

One should keep  in mind  that  the experiments can always be applied  to validate  the 

model‐predicted results.  

2.3.2. Atom probe tomography 

The atom probe tomography (APT) is an advanced technique to provide insight on so‐

lute distribution  and  reconstruct  the  structure of materials. With  the development of 

APT, many  theories  in materials science can be confirmed. For example,  the quantita‐

tive composition of  the small clusters as  the precipitation  in  the Guinier‐Preston  (GP) 

zones can be measured by APT, while the high resolution electron microscopy can only 

provide qualitative insights of the structure [42].  

In the study of spinodal decomposition, APT is one of the most powerful techniques to 

study  phase  separation  especially  for  the  early  stages when  phase  separation  is  not 

prominent. As mentioned before, the quantitative determination of the solute composi‐

tion  is  an  advantage  compared  to  electron microscopy.  Different  from  the  energy‐

dispersive X‐ray  spectroscopy,  since  the  location  of  atoms  can  be  reconstructed,  the 

methods of determining compositions should be considered properly, especially in the 

early stages of the solute clustering. In the study of nucleation and spinodal decomposi‐

tion, these methods to  identify clusters and quantitatively estimate  local compositions 

are particularly useful when the clustering is difficult to visualize.  

It should be mentioned that the results from Monte Carlo simulation are in favor of the 

comparison  between  simulation  and  APT  experiment  in many  investigations,  since 

both methods can provide the discrete information as configuration of individual atoms. 

Therefore, only few combined research works have been reported by using both phase 

field and APT.  

The  systematical APT  experiments on Fe‐Cr  alloys were performed by  the Group of 

G.D.W. Smith in Oxford since the early 90s [43‐48]. Meanwhile, Monte Carlo simulation 

was also applied to the decomposition process. However, due to the complexity of the 

Fe‐Cr system, there is still a large demand on additional APT experiments. In this thesis, 

the APT  technique  is  applied  to determine  the  chemical  spinodal  curve of  the Fe‐Cr 

miscibility gap of the bcc phase. Comparing with the Monte Carlo simulation, the phase 

Page 33: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 2. METHODOLOGY

  19

field simulation shows its advantages in representing microstructure in real space and 

time scale. Therefore, there  is a demand to study spinodal decomposition by combing 

the phase field and APT techniques.  

In fact, it transpires that if the scale of the spinodal structure of the Fe‐Cr bcc phase is in 

nano size, the analysis of the APT results is more complex that one might imagine. Alt‐

hough  there  are  some methods  available  to  gain  composition  amplitude  and wave‐

length for the spinodal structure, in this work, it turns out that some modifications are 

needed in order to characterize the spinodal decomposition more properly.  

In the present work, the annealed Fe‐Cr alloys are shaped into needle‐like samples, fol‐

lowed by a standard two‐stage electro‐polishing. The analyses were performed under a 

local  electrode  atom  probe  (LEAP  3000X HRTM,  Imago  Scientific  Instruments,  USA) 

equipped with a  reflectron  for  improved mass  resolution. Since  the analyses are per‐

formed on a small volume, it is natural that the average composition of the needle‐like 

sample for APT experiment are somewhat different from the matrix (less than 5 at.% Cr 

in this work), which is affected by intensity of phase separation. The ion detection effi‐

ciency  is  about  37 %,  and  the  experiments were made  in  voltage pulse mode  (20 % 

pulse fraction, 200 kHz, evaporation rate 1.5 %) with a specimen temperature of 55 K.  

 

 

Page 34: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

 

 

Page 35: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

Chapter 3 Low temperature thermodynamics and kinetics of the Fe-Cr-Ni alloy

3.1. Phase diagrams of the Fe‐Cr‐Ni system 

Although phase diagram research regards thermodynamic properties and phase equi‐

libria as the primary issues, because of the considerable contribution to the Gibbs ener‐

gy,  the magnetic properties  should be  taken  into account meticulously as well  in  the 

CALPHAD modeling  for  the systems exhibiting magnetic ordering, such as Fe‐Cr‐Ni. 

As a consequence, the magnetic phase diagrams are included for discussion in this sec‐

tion.  In  order  to  specify  phase  diagrams  representing  the magnetic  ordering,  these 

phase diagrams are entitled “magnetic phase diagrams” in this thesis. 

3.1.1. Phase diagrams of the boundary systems  

The research interests in the three binary systems, Fe‐Cr, Fe‐Ni, and Cr‐Ni, are spurred 

enormously  due  to  the  technical  importance  in  engineering  applications.  The  phase 

equilibria  have  been  studied  intensively  by  different  research  groups. Although  the 

phase  relations  are  simple  in  these  three  binaries,  the magnetic  ordering  introduces 

most of  the complexity  in modeling  these systems.  In spite of  this,  in  this  thesis,  it  is 

found that some parts of the phase equilibria still lack thorough investigations, which 

even includes the pure elements. For example, due to easy oxidation, the melting tem‐

perature of Cr needs to be determined carefully by experiments. According to the litera‐

ture review in this work (see paper I), we suggested that the melting temperature of Cr 

should be  taken 2136 K  rather  than 2180 K as adopted  in  the SGTE  (Scientific Group 

Thermodata Europe) database [49].  

In this thesis, the phase diagram of the Fe‐Cr system is considered the most important 

of  the  three binaries, since the  thermodynamic  feature will be  inherited  in  the ternary 

phase  region.  The  spinodal  decomposition  of  the  ferrite  phase  in  stainless  steels  is 

mainly due to the bcc miscibility gap in the Fe‐Cr binary and the brittle σ phase has its 

origin from the Fe‐Cr system. Besides, chromium is the element with the second largest 

Page 36: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  22

amount with over 10.5 wt.% in stainless steels. Therefore, the Fe‐Cr system is the proto‐

type for studying phase equilibria and phase transformations in stainless steels.  

The Fe‐Cr phase diagram and  thermodynamic properties  is evaluated  in paper  I as a 

comprehensive literature review. In the review, we found that all of the reported ther‐

modynamic  evaluations  should  be  further  improved.  The  experimental  data  at  both 

high temperatures (with the liquid phase) and low temperatures (bcc phase) should be 

reassessed, except  for  the γ‐loop region at medium  temperatures. Based on  the  litera‐

ture review in paper I, thermodynamic modeling is performed by using the lattice sta‐

bility down to zero kelvin from the work of Chen and Sundman [15], see paper II. As 

shown  in Fig. 3.1  (a),  the calculated phase diagram  from  this work  shows  significant 

differences with  the  one  from Andersson  and  Sundman  [50],  except  for  the  γ‐loop. 

Considering  the  thermodynamic properties, one  can  see  from Fig.  3.1  (b), where  the 

experimental data of the enthalpy of mixing for the liquid phase are extremely scattered. 

Both previous assessments using  the CALPHAD approach generate a negative value 

for the enthalpy of mixing at 1960 K for the liquid phase, while the present calculation 

agrees with the most recent work by Thiedemann et al. [51] as well as the earliest report 

by Pavars  et  al.  [52]. During  the  thermodynamic optimization,  it was  found  that  the 

overestimated temperatures for liquidus at the Cr rich side will easily generate a large 

negative value for the enthalpy of mixing in the liquid phase. 

0

500

1000

1500

2000

2500

Tem

pera

ture

, K

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Mole fraction Cr

γα

Liq

α α+ ’

σ

Fe Cr

Andersson and Sundman, 1987This work

-6

-4

-2

0

2

4

6

En

tha

lpy o

f m

ixin

g (

Liq

), k

J/m

ol

Experimental data:1923K: Pavars et al., 19701873K: Nobori et al., 19761973K: Shumikhin et al., 19811863K: Iguchi et al., 19821960K: Batalin et al., 19841895~2010K:Thiedemann et al., 1998

This work, 1960 K

Lee, 1993, 1960 K

1960 KAndersson and Sundman, 1987

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Mole fraction CrFe Cr

(a) (b)

 

Fig. 3.1. (a) Comparison of the calculated phase diagram between this work and the one by 

Andersson and Sundman [50]. (b) Comparison of the enthalpy of mixing of the liquid phase 

between CALPHAD results [50, 53] and experimental data. 

More importantly, the magnetic phase diagram of the Fe‐Cr alloys cannot be produced 

by the work of Andersson and Sundman [50], which is considered as the most reliable 

Page 37: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  23

CALPHAD modeling taken as the basis for the thermodynamic databases of steels. In 

fact, the other reported thermodynamic assessments also  ignore the description of the 

magnetic phase diagrams of the Fe‐Cr system. Therefore, presently no thermodynamic 

assessment  is validated  in both  thermodynamic  equilibria  and magnetic ordering.  In 

this work, we carefully evaluated the magnetic phase diagram, which  is needed to be 

reproduced in the CALPHAD modeling. On the basis of paper I, the reliable magnetic 

transition temperatures can be well reproduced by the updated thermodynamic model‐

ing in this work (paper II), but not by the previous assessment [50] as shown in Fig. 3.2. 

It should be noted that the thermodynamic assessment of the Fe‐Cr system in this work 

is based on the magnetic model used in the standard CALPHAD method. More discus‐

sion on improving the standard magnetic model will be addressed in the next section. 

0

200

400

600

800

1000

1200

Te

mp

era

ture

, K

Oberhoffer and Esser, 1927

Adcock, 1931

Fallot, 1936

Rajan, et al., 1960

Nevitt and Aldred, 1963

Yamamoto, 1964

Ishikawa, et al., 1965

Imai, et al., 1966

Arajs and Dunmyre, 1966

Suzuki, 1966

Arrott and Werner, 1967

Ishikawa, et al., 1967

Arajs and Anderson, 1971

Mitchell and Goff, 1972

Tsunoda et al., 1974

Loegel, 1975

Normanton et al., 1976

Suzuki, 1976

Mori, et al., 1976

Aldred and Kouvel, 1977

Burke and Rainford, 1978

Strom-Olsen, et al., 1979

Inden, 1981

Benediktsson, et al., 1982

Vilar and Cizeron, 1982

Burke and Rainford, 1983

Burke, et al., 1983

Furusaka, et al., 1983

Mirebeau, et al., 1984

Furusaka, et al., 1986

Fischer, et al., 2001

This work, DSC measurement

1043

980

1000

1020

1040

1060

1080

0 0.05 0.10 0.15

Andersson and Sundman, 1987

This work

Experimental data:

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Me

an

ma

gn

eti

c m

om

en

t,μ

/ato

mB

Shull and Wilkinson, 1955

Aldred, 1976

Bacon, 1961

(a) (b)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Fe Cr0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Fe Cr 

Fig. 3.2. Magnetic phase diagram of the Fe‐Cr system (a) Magnetic transition temperature; 

(b) Mean magnetic moment. Experiment data are taken from Xiong et al. [2]. 

In the work related to the Fe‐Cr system, we should emphasize the issues on the enthal‐

py of formation at 0 K. In the ab initio calculations, it is reported [54] that the enthalpy 

of  formation  for  the  bcc  phase  at  0 K  in  the  ferromagnetic  (FM)  state  shows  a  sign 

change from negative to positive (see paper II). In addition, some experiments [55] in‐

dicate a  larger solubility range of Cr  in (α‐Fe) compared with the accepted phase dia‐

grams  in both handbook [56] and CALPHAD databases [50]  in the temperature range 

Page 38: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  24

between 600 and 800 K. This seems consistent with the prediction by ab initio calcula‐

tions.  

200

300

400

500

600

700

800

900

Te

mp

era

ture

, K

0 0.05 0.10 0.15 0.20

Mole fraction CrFe

Kuwano and Hamaguchi, 1988

Bonny et al., 2008

Evaluation:CALPHAD:

Andersson and Sundman, 1987

This work

α α+ '

Filippova et al., 2000

α

Mirebeau et al., 1984

Kuwano, 1985

Dubiel and Inden, 1987

SRO type change in equilibria

Phase boundary in equilibria

Kuwano and Hamaguchi, 1988

Filippova et al., 2000

Filippova et al., 2000

Precipitation under irradiation

SRO type change under irradiation

Single Solid solution under irradiation

Experimental data:

A

Mirebeau et al., 2010

This work

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Mole fraction CrFe Cr

Ab initio (Olsson et al., 2006):

EMTO-CPA-GGA

PAW-VASP, SQS

Ab initio (Korzhavyi et al., 2009):

Andersson and Sundman, 1987

CALPHAD:

This work

EMTO-CPA-GGA

EMTO-CPA-LDA

Ma

gn

eti

c o

rde

rin

g e

ne

rgy, kJ/(

mo

l·a

tom

)

-1

0

1

2

3

()

0.40 0.2-1

0

1

2

3

0.161

(a)

(b) E(DLM) E(FM)–

 

Fig. 3.3.  (a) Comparison  of  the  solvus  at Fe‐rich  side  in  the Fe‐Cr phase  diagram  among 

evaluation,  thermodynamic modeling and experiments. NB: a  later published  experimental 

data by Mirebeau et al.  in 2010 [57]  is  included. Moreover, the data published  in the same 

group in 1984 [55] were not interpreted correctly in the work by Xiong et al. [2] (paper I), 

and  are  corrected  in  this  figure.  (b) Comparison  of  the magnetic  ordering  energy  between 

DLM (disordered local moment, similar to paramagnetic state) and FM states among differ‐

ent calculations. Cited references in the figure are available in paper I and II. 

Page 39: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  25

In order to confirm this conclusion on the enthalpy of formation at 0 K, a short  litera‐

ture review of the experimental data was reported by Bonny et al. [58] with a revised 

solubility curve of (α‐Fe) as shown in Fig. 3.3(a). In the work of Xiong et al. [2], another 

detailed  study  (see paper  I  in  the  thesis) was  followed up, and different  conclusions 

from the one by Bonny et al. [58] were made as shown in paper I. It was approved that 

the enthalpy of formation for the bcc phase at ground state calculated by ab initio can‐

not be considered as evidence of non‐zero solubility of Cr in (α‐Fe) at 0 K. 

Firstly, the ab initio calculations were performed for FM states, which is different from 

the magnetic state of pure Cr. Secondly, the calculated energy difference between par‐

amagnetic (PM) and FM states for pure Fe using the ab initio method differs significant‐

ly from the CALPHAD description in both SGTE database [49] and new lattice stability 

reported by Chen and Sundman  [15]. Thirdly, as pointed out by Xiong  et al.  [2],  the 

work by Bonny et al. [58] is questionable and not judicious with some crude judgments 

(see paper I). For instance, the authors [58] adopted the experimental results in the non‐

equilibrium states of commercial steels to obtain the consistency for phase equilibria in 

the Fe‐Cr binary system. In fact, the analyzed solubility of Cr in (α‐Fe) by Bonny et al. 

[58] seems quite artificial. Instead, Xiong et al. [2] provided a possible location of the Fe‐

rich solvus in the Fe‐Cr phase diagram as shown in Fig. 3.3(a) according to the reliable 

experimental data under equilibrium [55, 59‐62].  

The above debate on the solubility limit of Cr in (α‐Fe) at 0 K was partially solved in the 

improved thermodynamic description of the Fe‐Cr system in this thesis (see paper II). It 

has been shown that the experimental data for the solvus of the bcc phase at the Fe‐rich 

side can be well described by the CALPHAD modeling without introducing any solu‐

bility limit of Cr in Fe at 0 K. Since the updated lattice stability of pure Fe down to 0 K 

by Chen and Sundman [15] is adopted in the work by Xiong et al. [2] (see paper II), the 

model‐prediction at 0 K will be more reliable than the one taking lattice stability from 

the  SGTE  database  [49].  It was  intriguing  to  discover  that  an  anomaly  of  the  sign 

change exists in the magnetic ordering energy but not in the enthalpy of formation for 

the bcc phase at 0 K as shown  in Fig. 3.3(b). However,  further confirmations may be 

needed since pure Cr is not described satisfactory at 0 K in paper II [2] due to the adop‐

tion of the lattice stability from the SGTE database, although it is expected that the Cr‐

rich side will not bring significant effects on the Fe‐rich side, since the magnetic contri‐

bution to the Gibbs energy of Cr is much smaller than in pure Fe. 

It is worth mentioning that a certain solubility limit of Cr in (α‐Fe) at 0 K was also con‐

sidered as the initial attempt in the CALPHAD modeling by Xiong et al. [63], see paper 

V  in  the  thesis. However,  it was  found  that such an assumption will generate a high 

Page 40: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  26

consolute  temperature  (1027 K), which  is similar  to  the problem  found  in some other 

atomistic modeling [64].  

0

200

400

600

800

1000

1200

Te

mp

era

ture

, K

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Mole fraction Ni

bcc

fcc

Fe Ni

Phase boundaryMagnetic transition temperature, fcc

Magnetic transition temperature, fcc

Phase boundarySSOL database, Thermo-Calc AB:

This work:

0

200

400

600

800

1000

1200

Te

mp

era

ture

, K

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Mole fraction NiFe Ni

Swartzendruber et al., 1991 & 1992

0

200

400

600

800

1000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Ms

T0Tc

Evaluation for Handbooks:

Jansson, 1987; De Keyzer et al., 2009Cacciamani et al., 2010

CALPHAD:

This work

Magnetic Transition Temperature for fcc:

This workSSOL database

CALPHAD, T line:0

Experimental Curie Temperature:Symbols, Xiong, 2011 (Thesis paper)

Calculated phase diagram, CALPHAD:

(a) (b)

fcc

 

Fig. 3.4. (a) Magnetic phase diagram of the fcc phase in the Fe‐Ni system. Symbols are exper‐

iments taken from this work (see Xiong et al. [65] in the attached papers), (b) Comparison of 

the calculated phase diagram between  this work and  the SSOL database  from Thermo‐Calc 

AB. Magnetic transition curves of the fcc phase are drawn as chained and dashed lines. 

Due to the problem related to the magnetic phase diagram revealed in the Fe‐Cr system, 

the Fe‐Ni magnetic phase diagram was revisited in this thesis as well. After compiling 

the reported experimental data,  it was found that the magnetic phase diagrams of the 

Fe‐Ni system reported in both handbook and thermodynamic databases need to be re‐

vised. As shown in Fig. 3.4, the compiled experimental Curie temperatures indicate that 

the kink on the magnetic transition temperature curve at 0 K should be at the 25 at.% Ni, 

which can be confirmed by the variation of the mean magnetic moment manifested as 

the variation in global magnetization. Ab initio calculations have been applied for cal‐

culating the mean magnetic moment of the bcc phase as the input of the current mag‐

netic model  adopted  in  the  CALPHAD  approach. Afterwards,  the  low  temperature 

equilibria of the Fe‐Ni system related to the fcc and bcc phases were reassessed using 

the CALPHAD  technique. As shown  in Fig. 3.4,  the calculated phase diagram  in  this 

work generates a different reaction temperature of the monoeutectoid equilibrium: fcc 

(PM)  fcc (FM) + bcc (FM), which is apparently caused by the description of the Curie 

Page 41: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  27

temperatures (see Fig. 3.4). However, it should be stressed that no experimental data is 

available to confirm such an invariant temperature yet.  

Furthermore, it is intriguing to point out that significant improvements have been made 

due  to  the  corrected description of  the magnetic phase diagram  in  the Fe‐Ni  system. 

According to the previous thermodynamic description compiled in the SSOL database 

[33],  the model‐predicted T0  curve, at which  fcc and bcc would have  the  same Gibbs 

energy, will cross the Ms (Martensite start temperature) curve, while the thermodynam‐

ic model in this thesis generates a reasonable T0 curve.  

Jette et al. 1934Baer, 1958

Vintaikin and Urushadze, 1969

Vintaikin and Urushadze, 1970Karmazin, 1982 (stable phase boundary)Karmazin, 1982 (unstable phase boundary)

Tomiska, 2004

Rahaman and Ruban, 2010

ab initio Monte Carlo:

Experimental data:

Te

mp

era

ture

, K

Mole fraction, NiCr Ni

1617

856

CrNi2

Liq

fccbcc

198

fcc

CrNi2

bcc+fcc CrNi2

856fcc

(a)

(b)

(c)

856

 

Fig. 3.5. (a) Comparison of the Cr‐Ni phase diagram according to thermodynamic modeling 

in  this work,  experimental  data  [66‐71]  and  ab  initio Monte Carlo  simulation  [72].  The 

peritectoid reaction at 856 K is magnified in (b) and (c). 

The Cr‐Ni phase diagram has also been  studied by many  research groups both with 

experiments and modeling  [73‐78].  It should be mentioned  that the prevalent  thermo‐

dynamic databases, e.g. TCFE database  from Thermo‐Calc software, are based on  the 

thermodynamic  descriptions  performed  by  Lee  [78].  The  phase  equilibria  have  been 

reviewed extensively by Nash [73]. However, during the thermodynamic descriptions 

in Ref. [78], the practical interests are at high temperatures, the phase equilibria related 

to a low temperature ordered phase, CrNi2, was not included. This was the reason for  

reassessments carried out recently by Turchi et al. [76] and Chan et al. [77], who consid‐

ered  the  thermodynamic model  for  the CrNi2  compound  in  their updated  thermody‐

Page 42: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  28

namic modeling. It should be noted that such reassessments did not intensively consid‐

er the solubility  limit of the CrNi2 phase,  i.e. a stoichiometric model  is used  in the as‐

sessment. Therefore, the thermodynamic modeling needs to be further improved.  

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

En

thalp

yo

fm

ixin

g,

Liq

uid

,

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Mole fraction Ni

Experimental data:Batalin et al., 1983

Cr Ni

kJ/m

ol

This workLee, 1992

1960 KLiquid

CALPHAD:

-5000

-4500

-4000

-3500

-3000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80

Mole Fraction Ni

ab initio calculations:Rahaman and Ruban, 2010, unpublishedKorzhavyi, 2010, unpublished

Chan et al., 2006, WIEN2KTurchi et al., 2006Wang et al., 2005, VASPArya et al., 2002, WIEN97

Experimental data for CrNi :2

Hirabayashi et al., 1969, 773 K

En

tha

lpy o

f fo

rma

tio

n,

CrN

i,

J/m

ol·

ato

m2

Reference states:Cr: bcc; Ni: fcc

Data for CrNi2

(a) (b)

This work

 

Fig. 3.6. (a) Comparison of the enthalpy of mixing at 1960 Kin the liquid phase between ex‐

perimental data  [79] and  thermodynamic modeling.  (b) Comparison of  the enthalpy of  for‐

mation of the CrNi2 phase among the CALPHAD results at 773 K in this work, experimental 

data [80], and ab initio calculations at ground state [72, 76, 77, 81‐83]. 

In this thesis, we performed a preliminary thermodynamic modeling of the phase equi‐

libria and thermodynamic properties of the Cr‐Ni alloys. It  is noteworthy that the pa‐

rameters  for describing  the magnetic phase diagram of  the Cr‐Ni  system were  taken 

from the previous work by Lee [78]. As will be discussed later in section 3.2, since the 

magnetic Cr‐Ni  phase  diagram  is more  complex  than  the  one  assessed  in  all  of  the 

available thermodynamic descriptions, a correct description of the magnetic phase dia‐

gram of the Cr‐Ni system is impossible at the moment without further improvement on 

the magnetic model  in  the CALPHAD approach. However,  there  is a need at  least  to 

point out  the  features and drawbacks of  the available  thermodynamic descriptions of 

the Cr‐Ni system, which will facilitate future studies. A preliminary result of a thermo‐

dynamic assessment using the current magnetic model is presented here. 

As can be seen from the reassessed phase diagram shown in Fig. 3.5, the experimental 

data can be well reproduced. The degenerated reaction at 856 K is modeled as a peritec‐

toid reaction, and the composition of CrNi2 at the invariant reaction is very close to the 

Page 43: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  29

one for fcc. It should be noted that the invariant reaction related to CrNi2 is estimated as 

863 K in the work by Nash [73]. A Nishizawa horn is generated at about 500 K due to 

the Curie temperature in the fcc phase at the Ni‐rich side (see more discussion  in sec‐

tion 3.2). 

It is noticed that in the previous work by Lee [78], the experimental data on the enthal‐

py of mixing at 1960 K cannot be well described as shown  in Fig. 3.6(a). As shown  in 

Fig. 3.6(b), the model‐predicted enthalpy of formation of the CrNi2 ordered phase agree 

fairly well with  the experimental data measured at 773 K  [80] as well as  the ab  initio 

calculations [72, 76, 77, 81‐83]. Moreover, the tendency for the variation in the enthalpy 

of  formation  predicted  by  Rahaman  and  Ruban  [72]  is  consistent  with  the model‐

predicted one in this work, although the slops are different as shown in Fig. 3.6(b).  

Because of the complexity in the magnetic phase diagram on Cr‐Ni, it is better to intro‐

duce  it  in section 3.2, where  the  improved magnetic model  in  this  thesis  is presented. 

The Cr‐Ni magnetic phase diagram will be treated as a case study in the discussion of 

the magnetic model for the CALPHAD approach.  

3.1.2. Phase equilibria of the Fe‐Cr‐Ni ternary system 

Although many issues and challenges arise in these three binary systems, it is worth to 

have  some  tentative discussion  on  the  ternary  Fe‐Cr‐Ni  system. The  thermodynamic 

modeling of the Fe‐Cr‐Ni system was reported by different groups [66, 84‐86], and the 

CALPHAD databases usually adopt the thermodynamic modeling by Lee [86]. Howev‐

er,  it  is  found  that,  in  the  existing  thermodynamic  assessments,  the  phase  equilibria 

were well described above 1073 K, where most of the technical issues in steel processing 

need to be addressed. As described in the last chapters, since the present interest is ex‐

tended to materials services at low temperatures, the phase equilibria lower than 1073 

K should be described properly as well. In this thesis, the problems related to the mag‐

netic phase diagram found in the binaries have impeded further improvement to ther‐

modynamic modeling of the phase equilibria in the Fe‐Cr‐Ni system. Additionally, alt‐

hough the experimental data  in the  literature are available, a comprehensive compari‐

son between experiments and modeling is still lacking. Consequently, a comprehensive 

comparison of the phase equilibria between available experimental data and the CAL‐

PHAD database TCFE6  (from  the Thermo‐Calc software AB [33]) has been performed 

as  the  first  step.  It  is  noteworthy  that  the  some  unpublished  experimental  data  by 

Hertzman  [87]  have  been  attached  for  comparison  between  experimental  data  and 

thermodynamic database.  

Page 44: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  30

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

MA

SS

_FR

AC

TIO

NC

R

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

MASS_FRACTION NI

Experimental data at 1073 K

Schafmeister and Ergang, 1939

Sigma Sigma+bcc

Sigma+fcc

Sigma+(fcc/bcc)

Sigma+bcc+fcc

Rees et al., 1949

Two phases:

Sigma+fcc

et al., 2010Hertzman

tie-line

Fe Ni

1073 K

fcc

bcc

σ

bcc

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

MA

SS

_FR

AC

TIO

NC

R

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

MASS_FRACTION NI

Experimental data at 923 K

Rees et al., 1949

fcc

bcc

fcc+sigma

bcc+fcc

bcc+sigmabcc+fcc+sigma

Hattersley and Hume-Rothery, 1966

fcc fcc+sigma

bcc+fccbcc+fcc+sigma

Hertzman et al., 2010

tie-line

Fe Ni

923 K

fccbcc

σ

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

MA

SS

_FR

AC

TIO

NC

R

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

MASS_FRACTION NI

Experimental data at 823 K

Cook and Brown, 1952

fcc bcc+sigma

fcc+sigma

fcc+bcc

fcc+bcc+sigma

et al., 2010Hertzman

tie-line

Fe Ni

823 K

bcc fcc

σ

Cr

Cr

Cr

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

MA

SS

_FR

AC

TIO

NC

R

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

MASS_FRACTION NI

Experimental data at 973 K

Hertzman et al., 2010

tie-line

Fe Ni

973 K

fccbcc

σ

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

MA

SS

_FR

AC

TIO

NC

R

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

MASS_FRACTION NI

Experimental data at 873 K

Hertzman et al., 2010

tie-line

Fe Ni

873 K

bccfcc

σ

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

MA

SS

_FR

AC

TIO

NC

R

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

MASS_FRACTION NI

Experimental data at 773 K

et al., 2010Hertzman

tie-line

Fe Ni

773 K

bccfcc

σ

Cr

Cr

Cr

 

Fig. 3.7. Comparison of the isothermal sections of the Fe‐Cr‐Ni system at different tempera‐

tures  between  experimental  data  [87‐91]  and  thermodynamic modeling  according  to  the 

TCFE6 database [33].  The symbols in unary regions are in blue, the ones in binary phase re‐

gions are in green, and the ones in ternary regions are in red. 

Page 45: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  31

As shown in Fig. 3.7, the present thermodynamic modeling available cannot well repre‐

sent the low temperature phase equilibria, except for at 1073 K. According to the plots 

at 923 and 823 K,  the experimental phase boundaries of bcc and  fcc phases cannot be 

described by  the available  thermodynamic modeling. Although  the data provided by 

Hertzman  [87] may  contain  some unexpected  experimental  results due  to  the  inade‐

quate annealing, the model‐predicted phase diagram at  low temperature  is questiona‐

ble  and  deserve  further  confirmation  by  experiments.  Regardless  the  possible  non‐

equilibrium data by Hertzman  [87],  the calculated phase  triangles of bcc,  fcc and  at different temperatures show a systematical shift from the experimental ones. The phase 

boundaries of the  phase at low temperatures are yet unknown, especially for the ones 

close  to  the Cr‐rich corner. According to  the comparison at 923 K, one can easily find 

that the experimental data at low temperatures may not have been taken into account in 

the previous assessments, since the fit of the tie‐lines between bcc and fcc on the Fe‐rich 

corner are not satisfactory at all. 

3.2.  Improvement of  the magnetic model  for computational 

thermodynamics 

As indicated in Eq. (2‐1), some physical contributions to the Gibbs energy may need to 

be  included  in the CALPHAD models. One of these contributions that should be con‐

sidered  in the Fe‐Cr‐Ni system  is due to magnetic ordering. As mentioned  in the pre‐

ceding  sections, when  performing  thermodynamic modeling  in  the  Fe‐Cr  and  Fe‐Ni 

systems, we found some serious problems when using the magnetic model implement‐

ed  in  the current CALPHAD method. Therefore, an attempt  to  improve  the magnetic 

model  for  computational  thermodynamics was made.  In  addition,  some  case  studies 

were performed on the systems: Cr‐Ni and Fe‐Cr‐Al. It is worth noting that the Fe‐Cr‐

Ni system was not chosen as an example to show the validity of the modified magnetic 

model. Due to its complexity, a full picture of the magnetic phase diagram of the Fe‐Cr‐

Ni system needs more ab initio inputs in addition to another comprehensive literature 

review of the magnetic transition in the Fe‐Cr‐Ni system before using it as an example. 

Pure Al normally will not exhibit magnetic ordering. Therefore,  it  is suitable to be  in‐

cluded for discussing the magnetic model in this work when considering a more gen‐

eral case. 

3.2.1. Improved magnetic model 

Before  introducing  the  revised magnetic model,  it  is necessary  to briefly mention  the 

Inden‐Hillert‐Jarl (IHJ) model, which  is used  in the current CALPHAD approach. The 

Page 46: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  32

IHJ model has been available since 1978, and was originally discussed for the transition 

in FM states but not  for antiferromagnetic  (AFM) states. The model was proposed by 

Inden  [18]  in  the annual CALPHAD conference  in 1976 and  later modified by Hillert 

and Jarl [19], and consists of two basic ideas.  

Firstly, the magnetic contribution to the heat capacity (Cp) was expressed in an analytic 

form:  

 

3 5

3 5

1 1 2 , 1

3 5

1 1 2 , 1

3 5

FM FM m m m

P

PM PM n n nP

C K R

C K R

t t t t

t t t t- - -

ì æ öï ÷ï ç ÷= ⋅ ⋅ + + <ï ç ÷çï ÷çè øïïí æ öï ÷çï ÷= ⋅ ⋅ + + >çï ÷çï ÷çè øïïî

  (3‐1) 

where m = 3 and n = 5, τ is T/Tc, Tc is the Curie temperature, KFM and KPM are two con‐

stants from FM and PM states, R is the gas constant. 

Secondly, based on the work by Tauer and Weiss [92], Inden suggested to calculate the 

maximum magnetic entropy of an element in the FM ordering transition as a function 

of the mean magnetic moment (b ) [18]: 

  ( )maxln 1magnS R b= +   (3‐2) 

As a consequence,  the  final expression of  the Gibbs energy  for magnetic ordering be‐

comes:  

  ( ) ( )1magn

mG RT ln gb t= ⋅ +   (3‐3) 

  ( )

1 3 9 15

5 15 25

1 79 474 11 1 , 1

140 497 6 135 600

1 1 1 1, 1

10 315 1500

A p pg

A

t t t tt

t

t t t t

-

- - -

ì é ùæ öï æ öï ÷÷ççê ú÷ï ÷ç- + - + + <ç ÷÷ï ê úçç ÷÷ç ÷çï è øè øï ê úë û= íï æ öï ÷ç ÷ï- + + ³ç ÷ï ç ÷çï è øïî

  (3‐4) 

 518 11692 1

11125 15975

Ap

æ ö÷ç ÷= + -ç ÷ç ÷çè ø  (3‐5) 

where p is called the structure factor, which is the ratio of the magnetic enthalpy in the 

PM state to the total magnetic enthalpy. For the bcc structure, the accepted value is: p = 

0.4, while for fcc and hcp structure, p = 0.28 [18]. 

Page 47: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  33

It  is noteworthy  that  the above  functions,  from  (3‐3)  to  (3‐5), consider  the disordered 

state at the infinitely high temperatures as the reference state. As explained in another 

work by Inden [93], an artificial miscibility gap could occur in some cases when some 

region show zero for magnetic transition temperature and the FM state at low tempera‐

tures is considered as the reference state. 

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

non-bcc

TN

–3TN

Tc

A B0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

bcc

TN

–TN

Tc

A B

Te

mp

era

ture

, K

0 0

Te

mp

era

ture

, K

AFM factor=–3

(AFM) (FM)

non-bcc Tc

0

AFM factor=–3AFM factor=–1

(AFM) (FM)

bcc Tc

0

AFM factor=–1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0A B

(FM)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0A B

(FM)

(a) (c) (d)(b)

TN

TN

Te

mp

era

ture

, K

Te

mp

era

ture

, K

–TN –3TN

xB, at.% xB, at.% xB, at.% xB, at.%

 

Fig. 3.8. Illustration of describing magnetic phase diagram of a hypothetical A‐B system by 

using the AFM factor, the cases shown in (a) and (c) are for the bcc structure, while the ones 

shown in (b) and (d) are for non‐bcc structures. 

Since the above treatment was just for the FM ordering transition, it is necessary to in‐

troduce a way to include the cases with AFM ordering transition. This task was left to 

Hertzman and Sundman [94] when they investigated the Fe‐Cr system, and introduced 

an empirical AFM  factor proposed by Weiss and Tauer  [95] and  successfully applied 

the IHJ model for both FM and AFM states in the Fe‐Cr system. In order to have a sin‐

gle expression for the composition dependences of both Curie and Néel temperatures at 

Fe and Cr‐rich side, respectively, the parameters for AFM ordering was treated as nega‐

tive values divided by a factor of ‐3 for fcc structures and ‐1 for bcc crystals. The whole 

scheme is illustrated in Fig. 3.8 (a) and (b). It should be emphasized that the same AFM 

factors have also been adopted by Hertzman and Sundman [94] for describing the mean 

magnetic moment  in  the Fe‐Cr system. Ever since  then,  this  treatment has become an 

important part of the standard magnetic model used in the CALPHAD community and 

has been generalized and used  for all different kinds of  systems without any  further 

questioning. 

However, in this thesis, it was found that the magnetic model used in the current CAL‐

PHAD approach could not handle all the cases in the Fe‐Cr‐Ni system properly. Firstly, 

in paper III, for the Fe‐Ni system, it was found that a single Redlich‐Kister polynomial 

cannot well describe the fcc magnetic phase diagram of the Fe‐Ni system by introduc‐

ing  the AFM  factor  ‐3. More  seriously,  the concept of  the magnetic entropy has been 

Page 48: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  34

misunderstood when applying the magnetic model to cases with AFM ordering transi‐

tion, since the mean magnetic moment was considered as the input for calculating the 

magnetic entropy, which differs from the original idea of Inden when he proposed the 

model. In a later work published by Inden [96], Eq. (3‐2) was carefully discussed again. 

The original expression proposed by Tauer and Weiss [92] was suggested for calculat‐

ing the maximum magnetic entropy using the experimental data for the local magnetic 

moment, i.e. individual magnetic moment. Therefore:  

  ( )maxln 1magn

i ii

S R x b= +å   (3‐6) 

where xi is the mole fraction of component i. Eq. (3‐2) can only be considered as an ap‐

proximation to obtain the value of maximum magnetic entropy and act as a makeshift if 

local magnetic moments are unavailable.  

In this work, the above problem of using Eq. (3‐2) for the AFM ordering transition was 

elucidated.  It was demonstrated  that  substantial difference will occur when adopting 

Eqs. (3‐2) and (3‐6) to compute magnetic entropy in the AFM ordering transition. Case 

studies were performed on  the Fe‐Cr‐Al and Cr‐Ni systems, and will be discussed  in 

the next section.  

More importantly, the concept of effective magnetic entropy was proposed in this thesis. 

In order to represent the local magnetic moment using a single function, the “effective 

magnetic moment” was  introduced  and denoted  as  β*, which  satisfies  the  following 

relation: 

  ( ) ( )*

maxln 1 ln 1magn

i ii

S R R xb b= + = +å   (3‐7) 

It  is  obvious  that  the  effective magnetic moment  β*  can  be  calculated  from  the  local 

magnetic moment through: 

  ( )* 1 1ix

ii

b b= + -   (3‐8) 

In this work, it is suggested that a single R‐K polynomial can still be used for describing 

the effective magnetic moment in multi‐component cases. 

Furthermore,  it  is suggested  that  the effective magnetic moment  is considered  to be a 

physical quantity in order to represent the λ shape of the magnetic contribution to the 

heat capacity. Therefore, for achieving a good fit to the heat capacity, sometimes a devi‐

ation from the experimental magnetic moment can be acceptable. One example can be 

Page 49: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  35

found in the case of pure Cr,  it was found that due to the complexity of the magnetic 

properties of pure Cr, the expected value of the effective magnetic moment cannot be in 

the vicinity of the local magnetic moment determined by experiments [2]. In order to fit 

the heat capacity of pure Cr, a value was assessed to be about 0.008 by Andersson [97]. 

Therefore,  the ultimate aim of  introducing  the effective magnetic moment  is  to repro‐

duce the magnetic contribution to the heat capacity determined by experiments. In ad‐

dition, the effective magnetic moment may sometimes be different from the value gen‐

erated from the local spin magnetic moment as in Eq. (3‐8) if a good reproduction of the 

heat capacity should be achieved. 

Moreover, the AFM factor proposed by Weiss and Tauer [95] is not capable to handle 

common cases as those shown in Fig. 3.9. Instead of adopting the AFM factor, a more 

general method to manipulate the magnetic ordering transition is proposed in this the‐

sis, which is illustrated in Fig. 3.9.  

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

TN

A

TCA

TCB

TN

B

TCB

TN

B

TN

A

TCA

TCB

TN

B

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

TCB

TCA

TNB

TNA

Te

mp

era

ture

, K

Te

mp

era

ture

, K

Te

mp

era

ture

, K

Te

mp

era

ture

, K

A B A BA BA B

Experimental N el temperatureé

Experimental Curie temperature

(a) (b) (c) (d)

xB, at.% xB, at.% xB, at.% xB, at.%  

Fig.  3.9.  Illustration  of  different magnetic  phase  diagrams  described  using  the  improved 

magnetic model. The temperature curves with the negative absolute value are plotted as the 

dashed lines. 

Both FM and AFM states are introduced for each phase exhibiting magnetic ordering in 

reality, and assuming one is unstable while the other is stable. For each magnetic state, 

there exists a corresponding magnetic transition temperature, no matter if it is stable or 

unstable.  Furthermore, we assume that for each phase there is only one stable magnetic 

state at each composition. Therefore, a negative absolute magnetic transition tempera‐

ture is assigned for each phase in its unstable magnetic state. For convenience, we take 

the absolute value of this magnetic transition temperature the same as that for the stable 

magnetic state.  In  this way,  the composition dependences of  the Curie and Néel  tem‐

peratures will  be described  separately using  two different R‐K polynomials,  and  the 

Page 50: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  36

empirical AFM  factor  applied  in  the  standard magnetic model  currently used  in  the 

CALPHAD community  is not necessary. As a  result,  the artifact caused by using one 

single polynomial with help of the AFM factor shown in Fig. 3.8 (c) and (d) and Fig. 2 of 

paper V will disappear. Moreover, these manipulations can handle more general cases 

found in magnetic phase diagrams.  

Due to the work by Chen and Sundman [15], Eq. (3‐1) was extended by using a third 

term in the Taylor expansion as shown below. 

 

3 5 7

3 5 7

1 1 1 2 , 1

3 5 7

1 1 1 2 , 1

3 5 7

FM FM m m m m

P

PM PM n n n nP

C K R

C K R

t t t t t

t t t t t- - - -

ì æ öï ÷ï ç ÷= ⋅ ⋅ + + + <ï ç ÷çï ÷çè øïïí æ öï ÷çï ÷= ⋅ ⋅ + + + >çï ÷çï ÷çè øïïî

  (3‐9) 

The power exponent, n, shown in the above equation was adjusted to 7, while m is kept 

to 3. Therefore,  FMK and  PMK have been re‐optimized for Fe and yields new values for 

the structural factor, p = 0.37 for the bcc crystal, and p = 0.25 for the non‐bcc structures. 

It has been shown that the slight change of the p value will not bring any strong effects 

to the fitting of the heat capacity for pure Co and Ni [15]. 

Accordingly,  the  basic  function  of  the Gibbs  energy  of magnetic  ordering  has  been 

modified to: 

  ( ) ( )* 1magn

mG RT ln gb t= ⋅ +   (3‐10) 

  ( )

1

3 9 15 21

7 21 35 49

0, 0

0.38438376 0.635708951

1 , 0< 11

16 135 600 1617

1 1 1 1 1, 1

21 630 2975 8232

pg

Dp

D

t

t

t tt t t t

t t t t t

-

- - - -

ìïïïï £ïïï é ùïï ê ú+ ´ï ê úïïï ê ú= - £í æ öê úæ öï ÷÷ççï ê ú÷÷ç- + + +ç ÷÷ççê ú÷÷ç ÷çè øè øê úë ûæ ö÷ç ÷- + + + >ç ÷ç ÷çè øî

ïïïïïïïïïïï

  (3‐11) 

 1

0.33471979 0.49649686 1Dp

æ ö÷ç ÷= + -ç ÷ç ÷çè ø  (3‐12) 

Page 51: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  37

It  is noteworthy that since the reference state of the magnetic ordering  is at the  infini‐

tively high temperature, according to Ref. [15], the reference state of the magnetic dis‐

ordering can be expressed as:  

  ( ) ( )* *ln 1 0.38438376magn

disorder

TG R T

p Db

æ ö÷ç ÷ç¥ = - + - ÷ç ÷ç ÷⋅è ø  (3‐13) 

where *T  is  the magnetic  transition  temperature of  the pure component. Since  the ex‐

pression of the Gibbs energy in the Einstein model does not contain the first order term 

of T, one should keep in mind to include the term for magnetic disordering at infinitive‐

ly high temperature, because this expression is not automatically taken into account by 

the software,  like Thermo‐Calc. However, because the expression of the chemical con‐

tribution to the Gibbs energy used in the SGTE databases includes a first order term of 

T, Eq. (3‐13) is not necessary to consider specifically.  

3.2.2. Case studies 

In order to demonstrate the difference of the magnetic contribution to the Gibbs energy 

by  using  the magnetic model  in  the  current CALPHAD method  and  our  improved 

magnetic model, case  studies are performed on  the Cr‐Ni and Fe‐Cr‐Al  systems. Alt‐

hough phase equilibria  in  the Cr‐Ni system  is  rather simple,  the magnetic phase dia‐

gram of the fcc and bcc phases in the Cr‐Ni system is found to be totally different from 

the ones calculated using thermodynamic database taken from Refs. [53, 78].  

As shown in Fig. 3.10 (a), according to the database TCFE6 released by the Thermo‐Calc 

software AB [53, 78], the magnetic phase diagram of the bcc and fcc phases in the Cr‐Ni 

system  is not quite clear yet and needs  further  improvements. The only experimental 

dataset on magnetic transition temperatures in the bcc structure is from Fukamichi and 

Saito [98], which shows a drastic decrease of the Néel temperature on the Cr‐rich side. 

As discussed  in paper III for the Fe‐Ni system, according to a recent experimental re‐

port by Tian et al. [99], the Curie temperature of pure Ni in the SGTE database for pure 

elements [49] should be corrected to be 456 K, while the magnetic moment is 0.52 μB but 

not 0.85 μB as  in  the SGTE database  [49]. The ab  initio calculations performed by Ra‐

haman  and Ruban  [72] not only  further  confirmed  the  experimental  results, but  also 

provided more information on the Ni‐rich side. It is shown in Fig. 3.10 (a) and (b) that 

the Curie  temperature of Ni‐rich alloys also  exhibit a drastic decrease along with  in‐

creasing Cr content. As a result, the magnetic phase diagram of the bcc phase was re‐

described by using the improved magnetic model. It was striking to find that the ener‐

gy differences between  the TCFE6 database using  the  IHJ model  in  the current CAL‐

Page 52: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  38

PHAD method  and  the new description using  the  improved magnetic model  in  this 

work are enormous. By taking  into account the  improved magnetic model and the re‐

vised magnetic phase diagram, the magnetic contribution to the Gibbs energy is almost 

ignorable.  

Mole fraction NiCr Ni

Ma

gn

eti

c o

rde

rin

g e

ne

rgy

J/m

ol-

ato

m

200K

400K

500K

200K

400K

500K

Ma

gn

eti

c o

rde

rin

g e

ne

rgy

J/m

ol-

ato

m

Mole fraction NiCr Ni

bcc

bccTCFE6 this work

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Experimental data:

Fukamichi and Saito, 1977ab initio calculations:

Rahaman , 2010, unpublished workand Ruban

bcc

Ma

gn

eti

c t

ran

sit

ion t

em

pe

ratu

re, K

312(SGTE)

575(SGTE)

456 (Exp.)

Mole fraction NiCr Ni Mole fraction NiCr Ni

Eff

ecti

ve m

ag

ne

tic m

om

en

t,μ

B

ab initio calculations:Rahaman , 2010, unpublished workand Ruban

0.52(Exp.)

0.008 (SGTE)

(a) (b)

(c) (d)

0.85(SGTE)

bcc

 

Fig. 3.10. Magnetic phase diagram and ordering energy of the bcc phase in the Cr‐Ni system. 

The calculation based on the database of TCFE6 is in dashed line, while the one based on the 

improved magnetic model of this work is in solid line. (a) Comparison of the magnetic transi‐

tion temperature between experiments and calculations. (b) Comparison of the effective mag‐

netic moments  between  ab  initio  calculations  and  CALPHAD modeling.  (c)  The model‐

predicted magnetic ordering  energy  from  the TCFE6 database using  the  IHJ model  imple‐

mented in the current CALPHAD approach at 200, 400 and 500 K. (d) The model‐predicted 

Page 53: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  39

magnetic ordering energy  in  this work by using the  improved magnetic model at 200, 400 

and 500 K. Experimental data for pure Ni is from the work by Tian et al. [99]. 

Analogous to the case of the bcc phase, serious problems are found for the fcc phase in 

the accepted  thermodynamic description  [53, 78]. According  to  the experiments  [100‐

104],  the Curie  temperatures  and magnetic moments decrease  rapidly on  the Ni‐rich 

side with increasing Cr content. It should be noted that, the ab initio Monte Carlo calcu‐

lations performed by Rahaman and Ruban [72]  indicate small differences between the 

mean and effective magnetic moments in the Cr‐Ni fcc alloys due to the weak magneti‐

zation of fcc Cr (see Fig. 3.11 (a) and (b)). Apparently, a Néel temperature of 369.67 K 

and a magnetic moment 0.82 μB were considered as the reliable magnetic quantities in 

the SGTE database [49] which does not coincide with the prediction by Rahaman and 

Ruban [72]. As a matter of fact, such large values for the magnetic transition tempera‐

ture and magnetic moments were  taken  from  the work by Chin et al.  [105], who ob‐

tained  some  tentative values  from  a  simple  extrapolation when modeling  the higher 

order  system Cr‐Fe‐Co‐Ni,  and  certainly  does  need  to  be  further  confirmed. Conse‐

quently,  the ab  initio Monte Carlo data  [72] were considered  to be most  reliable, and 

thus generate a different fit of the magnetic phase diagram as shown in Fig. 3.11 (a) and 

(b). It should also be pointed out that although the experimental value of the magnetic 

moments  for pure  fcc Ni  is 0.62 μB, one may preserve  the value adopted  in  the SGTE 

database, since that value of 0.52 μB can give the best fit to the heat capacity of bcc Ni. In 

this work, the fcc Cr was considered not to exhibiting magnetic ordering  intrinsically, 

therefore, the magnetic contribution to the Gibbs energy will be zero on the Cr‐rich side 

as shown in Fig. 3.11. Moreover, one can realize that the improved magnetic model in 

this thesis can handle such a case as the fcc phase correctly. However, using the stand‐

ard magnetic model adopted in the current CALPHAD method, an artificial Néel tem‐

perature curve cannot be avoided, and similar artifacts may occur as illustrated in Fig. 

3.11(c).  

Another case study was performed on the bcc Fe‐Cr‐Al alloys. It has been mentioned in 

the beginning of  this chapter  that, since Al does not exhibit magnetic ordering under 

ambient conditions,  this system  is a good example  to shown  the advantages by using 

the  improved magnetic model proposed  in  this work. The detailed discussion on  the 

magnetic phase diagram  is available  in paper V  (see Figs. 7 and 8  in  the paper). The 

comparison of the calculated magnetic ordering energy using the model before and af‐

ter  improvement  is shown  in Fig. 3.12, and significant difference of the magnetic con‐

tribution to the Gibbs energy using the magnetic models before and after the improve‐

ment can be observed.  

 

Page 54: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  40

 

Experimental data:Sadron, 1932Marian, 1937

Besnus et al., 1972Tange et al., 1981Simpson, 1982

ab initio Monte Carlo calculations:

Rahaman and Ruban, 2010, unpublished work

Mole fraction NiCr NiMole fraction NiCr

Mole fraction NiCr Ni Mole fraction NiCr Ni

(a) (b)

(c) (d)

Ma

gn

eti

c o

rde

rin

g e

ne

rgy

J/m

ol-

ato

m

Ma

gn

eti

c o

rde

rin

g e

ne

rgy

J/m

ol-

ato

mM

ag

ne

tic t

ran

sit

ion

te

mp

era

ture

, K

Eff

ecti

ve

ma

gn

eti

c m

om

en

t,μ

B0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

200K

400K500K

fcc fccTCFE6 this work

200K

400K

500K

Effective magnetic moment:

Rahaman and Ruban, 2010

ab initio calculations:

Sadron, 1932Van Elst et al., 1962

Chiffey and Hicks, 1971

Besnus et al. 1972Tange et al., 1981

Experimental data:

Rahaman and Ruban, 2010

ab initio calculations:

Mean magnetic moment:

633(SGTE)

0.52(SGTE)

0.62(Exp.)

369.67(SGTE)

0.82(SGTE)

fcc

fcc

 

Fig. 3.11. Magnetic phase diagram and ordering energy of the fcc phase in the Cr‐Ni system. 

The calculation based on the databank of TCFE6 is in dashed line, while the one based on the 

improved magnetic model of this work is in solid line. (a) Comparison of the magnetic transi‐

tion temperature between experiments and calculations. (b) Comparison of the effective mag‐

netic moments between ab  initio calculations and CALPHAD modeling. (c) Comparison of 

the model‐predicted magnetic ordering energy from the TCFE6 database using the IHJ model 

implemented in the current CALPHAD approach at 200, 400 and 500 K. (d) Comparison of 

the model‐predicted magnetic ordering energy in this work by using the improved magnetic 

model at 200, 400 and 500 K. 

 

Page 55: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  41

 

Fig. 3.12. Case study on  the bcc Fe‐Cr‐Al alloys.  (a) Calculated magnetic ordering energy 

according to the simplified magnetic model  implemented  in the state‐of‐the‐art CALPHAD 

approach. (b) Calculated magnetic ordering energy according to the improved magnetic mod‐

el  in  this work.  (c) Calculated difference of magnetic ordering  energy  from  the models be‐

tween before and after modification. (d) The three dimensional view of the calculated differ‐

ence of magnetic ordering energy. 

3.3. Kinetic study of spinodal decomposition 

3.3.1. Spinodal decomposition in the Fe‐Cr system 

The spinodal decomposition is a common phenomenon in materials indicating thermo‐

dynamic  instability of  the system. The modern  theory of spinodal decomposition was 

established by Hillert [20, 21] and Cahn and Hilliard [22, 106, 107]. Before that, the theo‐

ry of spontaneous segregation inside the spinodal region had been strongly advocated. 

In the theory of spinodal decomposition, the concept of a macroscopically diffuse inter‐

face between the solute‐rich and solute‐poor regions  is  introduced with a correspond‐

Page 56: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  42

ing interfacial energy. Therefore, the Gibbs energy of a system can be expressed as the 

sum of three different energy components: the Gibbs energy per unite volume, the gra‐

dient energy, and  the stress energy arising  from  the  lattice mismatch. The  last energy 

term may cause significant shifts of the chemical spinodal curve (or incoherent spinodal 

curve) into the coherent spinodal curve, and thus reduce the extension of the chemical 

spinodal region. However,  in the Fe‐Cr system, since the  lattice mismatch between Cr 

and Fe is very small, the location of the coherent spinodal curve is considered to be neg‐

ligible shifted from the incoherent spinodal curve.  

A B

a

b c

d

1 2 34

xB

Chemicalspinodal

curve

α α’ α α’

(a)

(b)

(c)

(d)

A B A BxB xB

Te

mp

era

ture

Gib

bs e

ne

rgy

Te

mp

era

ture

Spinodalregime

Transientregimeinside

spinodal

Transientregimeoutsidespinodal

T0

T0

2

20

B

G

x

��

2

20

B

G

x

��

2

20

B

G

x

��

 

Fig. 3.13. Illustration of the spinodal decomposition (a) variation of Gibbs energy at tempera‐

ture of T0, (b) phase diagram of hypothetical A‐B system, (c) morphology in different region 

near  the spinodal curve,  (d) practical  transient region between nucleation and growth and 

spinodal decomposition marked in green shadow. 

As  illustrated  in Fig. 3.13  (a) and  (b),  inside  the chemical spinodal region,  the second 

derivative of Gibbs energy is negative, which implies an uphill diffusional process. Ide‐

ally, inside the spinodal curve, the mechanism of spinodal decomposition governs the 

phase  transformation,  while  the  regions  outside  the  spinodal  but  inside  the  phase 

boundary  (regions between points 1 and 2, and between 3 and 4 at  temperature T0  in 

Fig. 3.13  (b)) are dominated by nucleation and growth. Practically, there is a transient 

Page 57: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  43

regime between  these  two mechanisms  (spinodal and nucleation and growth), which 

can be  reflected by  the atom map  constructed  from APT,  see Fig.  3.13  (c). The green 

shadow indicates the area of the transient regime. As shown in Fig. 3.13 (c) and (d), on 

the location marked by the red circle, the morphology may show a weaker tendency to 

an  interconnected  structure  compared with  the  case  at  the  point marked  by  a  pink 

square, while on  the  location marked with  the blue diamond,  isolated clustering may 

dominate  rather  than  interconnected  areas,  and  sometimes  called  “’spinodal’ nuclea‐

tion”  [108].  It  should be noted  that  the  location of  the  transient  regime  is difficult  to 

measure precisely. Therefore, the spinodal curve  is still quite helpful  in order to get a 

general sense of the spinodal region especially for experimental data analysis. Besides, 

the phase field simulation is based on thermodynamic and kinetic databases developed 

by the CALPHAD method, and such a transient regime is normally disregarded. 

Calculated phase boundary:

Model-predicted chemical spinodal curve:

This work; Andersson and Sundman, 1987

This work; Andersson and Sundman, 1987

Experimental data:

Marcinkowski et al., 1964

Yamamoto, 1964

Imai et al., 1966

Lagneborg, 1967

Vintaikin et al., 1969

Chandra and Schwartz, 1971

De Nys and Gielen, 1971

Miyazaki et al., 1974

Brenner et al., 1982

Katano and Lizumi, 1982

Furusaka et al., 1983 & 1986

Katano and Lizumi, 1983

Katano and Lizumi, 1984

Kuwano, 1985

Kuwano, 1985

LaSalle and Schwartz, 1986

park et al., 1986

Kuwano et al., 1987

Bley et al., 1992

Hyde et al., 1995

Okano et al., 1995

Miller et al., 1996

Cieslak et al., 2000

Ujihara and Osamura, 2000

Tem

pera

ture,

K

Mole fraction CrFe Cr

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1000

800

600

400

200

0

α α’

Tc

TN

Magnetic transition temperature: This work; Andersson and Sundman, 1987

 

Fig. 3.14. Comparison of the spinodal curve and phase boundary of the bcc phase in the Fe‐Cr 

system between experimental data and modeling results. Compilations of the   experimental 

data are according to the work  in Refs. [2, 16]. The blue symbols are the experimental data 

indicating a mechanism of spinodal decomposition, while the red symbols are for nucleation 

and growth. 

Page 58: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  44

In this work, great efforts were firstly made in order to determine the spinodal region. 

In the beginning, the experimental data on the spinodal region were carefully reviewed 

[2] as compiled in Fig. 3.14. Since thermodynamic modeling was updated in this work 

based on the correct description of the Curie temperature curve and new lattice stability 

of pure Fe, it is necessary to validate the model‐predicted spinodal curve. In this thesis, 

APT were performed on binary Fe‐Cr samples with  three different Cr content  (26.65, 

31.95, 37.76 at.% Cr) annealed at 773 K  for different periods,  the comparison between 

the microstructure  evolutions  in  the alloys are  inconsistent with  the model‐predicted 

spinodal region, which can be seen from paper II [16]. It was found that the alloy with 

37.76 at.% Cr at 773 K  is close  to  the edge of  the  transition region and mainly behave 

like spinodal decomposition, while the other two samples is most likely in the composi‐

tion range at 773 K, where a mixed regime dominates showing both spinodal decompo‐

sition and nucleation and growth. 

3.3.2. Estimation of composition amplitude – the ADS method 

In  the  study  of  spinodal decomposition,  two  physical  quantities  should  be  carefully 

considered for comparison between experiment and simulation: wavelength and com‐

position amplitude. So far, many efforts have been made to evaluate the wavelength of 

the  spinodal  structure  as well  as  the  composition amplitude  in order  to quantify  the 

degree  of  the  spinodal  decomposition.  In most  of  the  cases,  the mechanical  failure 

caused by “475  °C embrittlement” starts at an early stage of spinodal decomposition, 

therefore,  it  requires  sensitive and accurate methods  to determine  these  two physical 

quantities. 

As for the estimation of dimensions, i.e. determination of wavelength, several methods 

could be applied directly, such as, radius distribution function, autocorrelation function, 

etc.  The  comparison  of  the  different methods  for  determining wavelength  in  a  case 

study on the Fe‐Cr alloys was reported by Odqvist et al. [109]. 

However, one can envision that, in the very beginning, when traces of the interconnect‐

ed spinodal structure starts to form, it may be impossible to determine the wavelength 

sensitively, whereas the composition amplitude becomes a more important factor. 

Presently, the most commonly adopted method for estimating the composition ampli‐

tude  in APT  is  the Langer‐Bar‐on‐Miller  (LBM) method  [110], which assumes  that  the 

outline of the frequency distribution diagram constructed in the APT experiments is the 

sum of two Gaussian distribution functions.  

Page 59: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  45

In order to evaluate the composition amplitude by the LBM method, the local concen‐

tration should be calculated first by sampling certain number of ions in a block. In this 

work,  the  size of  the block  is 25  ions, and  the  frequency distribution diagram can be 

generated  as  shown  in  Fig.  3.15  (b). Alternatively,  one  can  generate  a  concentration 

field as shown in Fig. 3.15 (b) using a cubic block size of 0.83x0.83x0.83 nm3 to compute 

the local concentration from the atom map over the whole volume. Identically, the fre‐

quency distribution diagram can be generated by counting  the number of nodes with 

different concentration values within different concentration ranges from the concentra‐

tion field.   

Cr atom

X

Y

Z(a)

4x20x20 nm3 (b)

25 ionsSampling block

Mole fraction, Cr

Cr

fre

qu

en

cy o

bse

rva

tio

n

33.1 at.%Cr, 100 h, 773 K

18.26x18.26x66.4 nm3

Cr at.%

Co

nce

ntr

ati

on f

ield

 

Fig. 3.15. The APT data for the sample with 33.1 at.% Cr isothermally heat treated at 773 K 

for 100 hours. (a) Selected parts of the atom map. The distance between atoms has been en‐

larged dually  in order to show the tendency of atom configuration. One sampling block  for 

constructing the concentration field is illustrated as a red cube on the right bottom corner. (b) 

Frequency  distribution  histogram  and  the  corresponding  concentration  field.  The  fitted 

Gaussian distribution  functions by  the LBM method denoted by curves. Sampling size  for 

constructing the concentration field is 25 ions. 

In this thesis, the LBM method was applied for the Fe‐37.76 at.% Cr alloy (local compo‐

sition in the analyzed volume is 33.1 at.% Cr) annealed at 773 K. In the case of 100 hours 

annealing, the composition amplitude is to be 16.6 at.% Cr (see Fig. 3.15 (b)). The com‐

position amplitude becomes smaller  to be 10.1 at.% Cr  for  the case with 10 hours an‐

nealing. For the as‐cast sample, the LBM method provides a value of 7.8 at.% Cr. How‐

ever, during the curve fitting using the Gaussian distribution functions, the tolerance of 

the curve fitting already exceeded 3.5 at.% Cr. Therefore, the accuracy of the estimation 

on the as‐cast sample cannot be guaranteed.  

Page 60: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  46

50 100 150 200 250 300

1

2

3

4

5

6

Dimensionless time0

Cr

co

nce

ntr

ati

on

, m

ole

fra

cti

on

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

ADS, upper limitADS, lower limitADS, amplitude

DFD, upper limitDFD, lower limitDFD, amplitude

τ = 20 τ = 60

τ = 300

(a) (b)

(c) (d)

0.298

0.498 0.654

0.209

0.856

0.180

 

Fig. 3.16. The frequency distribution histograms as well as concentration field simulated by 

phase  field method at different dimensionless time (a) 2 (b) 6 (c) 30. (d) Comparison of the 

analyzed results for composition amplitude and its upper and lower limit at different simula‐

tion times. DFD stands for the direct frequency distribution method, while ADS for ampli‐

tude density spectrum. 

In  this  thesis, a new method, called  ‘the Amplitude Density Spectrum  (ADS) method’ 

was proposed  in order to estimate the composition amplitude more accurately. As  in‐

troduced  in Paper VI, the ADS pattern was constructed first for analysis. Empirically, 

some criteria were set in order to obtain reasonable composition amplitude (See paper 

VI for details). It is worth noting that the ADS method originates from the phase field 

simulation on the Fe‐Cr system, since there are difficulties in analyzing the composition 

amplitude at early stages based on the phase field results.  As show in Fig. 3.16 (a), the 

composition amplitude is impossible to evaluate by just directly observing the frequen‐

cy distribution diagram obtained  in  the early stages of  the phase  field simulation. On 

the contrary, the composition amplitude can be easily read for the late stages when the 

frequency distribution diagram  is  clearly  separated  into  two peaks  at  the  solute‐rich 

and solute‐poor regions (see Fig. 3.16 (c)). In this work, we named this method as the 

direct frequency diagram (DFD) method, which can be used to validate the ADS meth‐

od, at least for the late stages. 

Page 61: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  47

Using the ADS method proposed in this thesis (see paper VI), the accurate estimation 

of the composition amplitude becomes possible. As shown in Fig. 3.16 (d), the compari‐

son of the results between the ADS and DFD methods implies the reliability of the ADS 

method. More importantly, the initial noise with 5 at.% Cr set as the start condition of 

the phase  field simulation can be well estimated by using  the ADS method  (4.01 at.% 

Cr).  

By analyzing the experimental results of APT, it is demonstrated that the estimation of 

the composition amplitude using the LBM method is systemically smaller than the es‐

timation using the ADS method. As discussed  in paper VI,  it  is evident that the LBM 

method will  underestimate  the  composition  amplitude. Using  the ADS method,  the 

estimated  composition  amplitude  for  the  analyzed  volume with  Fe‐33.1  at.% Cr  an‐

nealed at 773 K for 100 hours is 34.9 at.% Cr, the one for 100 hours is 26.9 at.% Cr, and 

the one in the as‐cast state is 23.6 at.% Cr. All of the above three values for the composi‐

tion amplitude  is higher  than  the ones according  to  the LBM method as  can be  seen 

from Table 3.1. 

Table 3.1. Comparison of the analysis between the LBM and ADS methods 

of the alloy with 33.1 at.% Cr. 

Annealing 

time 

Method for 

analysis 

Size of 

block 

Composition (at.% Cr) 

upper limit  lower limit  amplitude 

100 h LBM  25 ions  41.6  24.9  16.6 

ADS  (8.3 nm)3  50.7  15.9  34.8 

10 h LBM  25 ions  39.3  29.2  10.1 

ADS  (8.3 nm)3  48.0  21.1  26.9 

0 h 

as‐cast 

LBM  25 ions  41.7  33.9  7.8 

ADS (8.3 nm)3  48.9  25.3  23.6 

(1.0 nm)3  45.3  28.7  16.6 

One may also realize  that  the  initial composition amplitude studied  in nano size,  like 

Fe‐Cr alloys, could be  larger  than some other cases  in micron dimension. Because  the 

present estimation of the local composition in APT only includes 25 ions, but the latter 

one usually can be determined using energy dispersive X‐ray analysis containing over 

hundreds or even thousands of atoms. However, one should keep in mind that the size 

of the sampling block to construct the frequency distribution diagram or concentration 

field can significantly affect the final results in both LBM and ADS analysis. Therefore, 

the reasonable size of  the sampling block  for capturing  the periodic  feature  in  the 3D 

interconnected  structure  is  a  formidable  task, and deserves  further  investigation. For 

example, the size of the cubic sampling block with 1.0x1.0x1.0 nm3 can obtain a compo‐

Page 62: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  48

sition  amplitude  at  about  16.6  at.%  Cr,  instead  of  23.6  at.%  as  obtained  from  the 

0.83x0.83x0.83 nm3, which also indicates the sensitivity of the ADS method. 

All in all, it is evident that the LBM method is likely to underestimate the composition 

amplitude (see paper VI). The advantages of the ADS method are summarized as be‐

low by comparing with the LBM method: 

(1) The LBM method is based on the lever rule, which is only applicable in the equilib‐

rium state, while the ADS method does not require equilibrium.  

(2) By comparing the results from the APT experiment, the LBM is approved to be un‐

derestimating  the composition amplitude, while  the ADS method does not (see paper 

VI). 

(3)  The APT method  is  only  applicable  for  the  discrete  information, while  the ADS 

method can be used for both discrete and continuum data.  

(4) The APT  largely depends on  the outline of  the  frequency distribution diagram,  in 

order to obtain a reasonable fitting using the Gaussian distribution functions. However, 

the ADS method is independent of the frequency distribution diagram. It is worth not‐

ing that the frequency distribution diagram sometimes will have non‐zero  intensity at 

the composition of 0 or 1, and is thus not suitable to be fitted by using the Gaussian dis‐

tribution  function,  since  the  tail of  the Gaussian distribution  function will extend be‐

yond the composition limit at 0 and 1. 

3.3.3. Kinetic issues on spinodal decomposition of the Fe‐Cr system 

In  this  thesis,  the kinetic study on  the spinodal decomposition of  the Fe‐Cr system  is 

performed  through  the phase  field simulation using  the semi‐implicit Fourier‐spectral 

method based on the thermodynamic modeling in paper II.  

It  is noteworthy  that, as a preliminary  test of  the phase  field model, a 2 dimensional 

phase  field  simulation  on  Fe‐Cr  alloys  has  been  performed  first  using  the  femLego 

software [36] (see paper V). In this work, the influence of the thermodynamic descrip‐

tion has been demonstrated, more  importantly,  it  is  found  that  the mobility database 

considered in the simulation taken from the work by Jönsson [111] generates faster evo‐

lution of the spinodal structure than indicated by experimental data. Some further dis‐

cussions are available in the work by Grönhagen [112].  

In this section, further quantitative discussion on the discrepancies between phase field 

simulation and experimental data is necessary. In the theory of spinodal decomposition, 

Page 63: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  49

if the composition profile is assumed to follow the sinusoidal variation, the amplitude 

A can be expressed as: 

  ( ) ( )2 2

0exp 4 /A t A tMp l= -   (3‐14) 

in which, A0 is the initial composition fluctuation, M is a parameter containing the dif‐

fusivity, and λ is the wavelength of the spinodal structure.  

A critical wavelength λc, below which M is positive and fluctuation will decay, can be 

further defined: 

  ( )2 2 22 2C m

d G dxl p e=   (3‐15) 

Only if the fluctuation with λ larger than the critical wavelength, it will grow and form 

the modulated structure within the spinodal region.  

Phase field simulation

Initial noise: 5 at.% Cr

Initial noise: 15 at.% Cr

Fe-35 at.% Cr

Dimensionless time (simulation)

This work (APT)

Fe-25 at.%Cr, 773 KThis work (APT)

Experimental data

Fe-45 at.%Cr, 773 K

Fe-35 at.%Cr, 773 K

Fe-45 at.%Cr, 673 K

Fe-32 at.%Cr, 746 K

Com

positio

n a

mplit

ude, at.%

Time, hours

Fe-45 at.%Cr, 773 K, phase field, 15 at.% Cr - initial noise

Fe-45 at.%Cr, 773 K, experimentsCerezo, 1992 (AP)Cerezo, 1992 (PoSAP)Hyde, 1992 (PoSAP)Hyde, 1995(a) (PoSAP)Hyde, 1995(b) (PoSAP)Hyde, 1995(b) (ECAP)Miller, 1990 (APFIM)LBMADS

(a) (b)Correction for mobilities: 1.46 magnitude lowerCorrected mobility = 0.035 x current mobilityCorrection for mobilities: 2.46 magnitude lowerCorrected mobility = 0.0035 x current mobility ‒1

 

Figure 3.17.  (a) Comparison  of  the  composition  amplitude  between  experimental data  and 

phase field simulated results. The composition amplitude evaluated from phase field simula‐

tion is by employing the ADS method. The open symbols are the original data reported in the 

previous experiments using the LBM method, the solid symbols are shifted from the original 

data by 18 at.% Cr, according to the ADS method performed  in this work discussed  in the 

last  section,  see Table 3.1.  (b) Wavelength of  the  spinodal  structure analyzed  from  experi‐

mental data and phase field simulation, The ones from simulation is shown in the dimension‐

less  time. Comparison  implies  the wavelength can be easily  fitted by simulation due  to  the 

invariant tendency of the experimental wavelength. 

Page 64: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  50

By considering  the adopted  thermodynamic modeling of  the Fe‐Cr system  (paper  II), 

the critical wavelength  is estimated  to be 0.98 nm, and much shorter  than  the experi‐

mental data as given in Fig. 3.17. According to Eq. (3‐14), one can realize that the wave‐

length also contributes to the variation of the composition amplitude. If the wavelength 

reaches a value which is large enough and comparable with the experimental ones, the 

development of the spinodal in the simulation will also slow down. Therefore, in order 

to obtain a reasonable fit between phase field simulation and experiments, the first step 

is to assure that the wavelength measured  in the experiments can be well reproduced 

by the phase field simulation. Afterwards, the atomic mobility can be estimated in or‐

der  to describe  the  correct  tendency  of  the  variation  in  composition  amplitude.  It  is 

noteworthy that the ADS method proposed in this thesis becomes an important tool in 

order to estimate the magnitude of the atomic mobility.  

According to the estimation shown in Eqs. (2‐8) and (3‐15), to enlarge the wavelength in 

the phase  field  simulation,  the gradient energy  coefficient  can be adjusted. One  shall 

keep in mind that the relation between the gradient energy coefficient  2e  and the inter‐action parameter W  is based on the regular solution model of the solution phase. There‐

fore,  the magnetic effect and  interactions beyond  the nearest neighbors are not  taken 

into account. In fact, some tentative investigation was performed in the work of [113] by 

considering the magnetic effects on the gradient energy coefficient. Besides, according 

to the thermodynamic modeling in paper I, it is found that the second and third nearest 

neighbor  interactions should also be considered, since the thermodynamic parameters 

of  the  Fe‐Cr  system  achieved  in  this  thesis  indicates  that  a  sub‐sub  regular  solution 

model is suitable to describe the bcc phase. Presently, a makeshift is adopted by directly 

adjusting the gradient energy coefficient in order to fit the experimental wavelength.  

Before estimating the atomic mobility needed for the simulation, it is better to consider 

the dimensionless relationship among time (t and τ),  length scale (lC), temperature (T) 

and atomic mobility scale (MScale) as shown below, because the current phase field simu‐

lation are numerically solved in the dimensionless form. 

According to the dimensionless relation: 

 2C

Scale

l

t M RT

t=   (3‐16) 

It is obvious that, at constant temperature, the time scale is only related to MScale and lC. 

In other words, if one could estimate the time scale needed for fitting the composition 

amplitude, a reasonable scale of the atomic mobility can be estimated. In the beginning 

of the phase field simulation, the critical length scale, lC, is normally determined first to 

Page 65: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  51

capture the characteristic length of the physical picture. In the present work, since the 

wavelength of spinodal decomposition in the Fe‐Cr alloys is in the nano‐scale, lC is set 

to be 0.22 nm. 

In the phase field simulation of the thesis, it is found that in order to get a proper fit to 

the experimentally determined wavelength of the spinodal structure in the Fe‐Cr alloys 

at 773 K,  the gradient energy coefficient should be  five  times  larger  than  the one esti‐

mated  using  the  relation  in  Eq.  (3‐15).  The  comparison  of  the wavelength  between 

phase field simulation and experimental data is shown in Fig. 3.17. Apparently, the var‐

iation of both experimental and simulated wavelength can be easily fitted, since there is 

no significant increase of wavelength with time neither in simulation nor experiments. 

It should be noted that the wavelength determined from the work by Brenner et al. [114] 

agree well with the experimental observation performed in this work. Therefore, it has 

been used in the present comparison, and the ones from Cerezo et al. [115] and Hyde et 

al. [44‐47] were excluded due to the large discrepancy mutually. It is interesting to find 

that all of  the experimental reports summarized  in Fig. 3.17 are all  from  the same re‐

search group, and the data reported in different years are scattered. Therefore, further 

experimental data on Fe‐45 at.% Cr is urgently needed in order to confirm the previous 

experimental results from the same group.  

Phase Field Simulation(Cahn-Hilliard theory)

Thermodynamic database(TCFE6/2011Xiong)

Kinetic database(MOB2)

Fourier-spectral method

1. Fast development ofcomposition amplitude

2. Small wave length

Comparison between

simulation and experiment

FORTRAN code WEIPHAM

Fundamental Basis

Increasing gradientenergy coefficient

Solution in this work

Scaling atomic mobility 

Fig. 3.18. Flow chart of the phase field study on the spinodal decomposition in this work. 

After achieving a good agreement on  the wavelength,  the composition amplitude can 

be studied  further  in order  to estimate  the atomic mobilities.  It should be noted  that, 

due to the low temperature and complexity of the magnetism, the atomic mobility of Cr 

and Fe in the Fe‐Cr binary is difficult to obtain from both experiments and ab initio cal‐

culations. According  to different  experiments  compiled  in  Fig.  3.17,  the  composition 

amplitude of the spinodal structure for the Fe‐45 at.% Cr shows a tendency to increase 

Page 66: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 3. LOW TEMPERATURE THERMODYNAMICS AND KINETICS

  52

from 7 to 30 at.% Cr (average value) despite that there are notable discrepancies among 

different experiments.  

It  should  be noted  that  the  experimental  composition  amplitudes were  all  estimated 

based on the LBM method. As discussed in paper VI as well as the last section in this 

thesis,  the LBM method may underestimate  the  composition  amplitude.  In  fact,  it  is 

almost  impossible  to  estimate  the  atomic mobility without knowing  the  composition 

amplitude. As a compromise, the difference between the LBM and ADS methods on the 

analyzed composition amplitude of the Fe‐37.76 at.% Cr alloy is considered and further 

applied on the present case with 45 at.% Cr. As mentioned in the previous section, for 

the annealed alloy with 33.1 at.% Cr, the difference of the estimated composition ampli‐

tude  from  the LBM  and ADS methods  are  15.8,  16.8  and  18.2  at.%  for  0,  10  and  100 

hours,  respectively. Therefore,  it  is assumed  that  the  reported experimental  composi‐

tion amplitude by using the LBM method may also be shifted upwards for 17 at.% Cr. 

Accordingly,  the magnitude  of    the  atomic mobility  adjustment  can  be  estimated  by 

comparing  the phase  field simulation and corrected experimental composition ampli‐

tudes  shown  in  Fig.  3.17. According  to  the  relation  showed  in Eq.(3‐16),  the present 

atomic mobility of Cr and Fe  in the bcc phase at 773 K  is suggested to be 0.035 of the 

current mobilities obtained from the work by Jönsson [111] (i.e. the one from the MOB2 

kinetic database  in  the Thermo‐Calc databank). Whereas  if  the original data  reported 

from  the previous experiments shown  in Fig. 3.17 considered  to be  the accurate ones, 

the mobilities at 773 K can be a factor of 0.0035 of the present ones from Jönsson [111], 

which will generate the fit shown in Fig.3.17(a) with blue color. 

As a summary, the strategy in this work is to obtain a reasonable value for the gradient 

energy coefficient, which can be estimated phenomenologically according to the exper‐

imental observation. As  shown  in Fig. 3.18,  in  the present work,  the gradient energy 

coefficient was adjusted so as to increase the critical wavelength which can be estimated 

according to Eq. (3‐15). Afterward, the comparison of the variation in composition am‐

plitude between simulation and experimental data will be performed  in order  to esti‐

mate the scale of the atomic mobility.  

 

 

 

 

Page 67: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

Chapter 4 Concluding remarks and outlook

4.1. Concluding remarks 

This  thesis  concerns  fundamental  issues  in  the  phase  equilibria  and  phase  transfor‐

mation of  the Fe‐Cr‐Ni  system  focusing on  the  low  temperature  range.  In paper  I,  a 

comprehensive  literature  review was  carried out  for  the Fe‐Cr  core binary.  It  reveals 

that the thermodynamic description of the Fe‐Cr system needs to be improved further. 

In addition, the melting temperature of pure Cr is corrected to be 2136 K, which is 44 K 

lower than the one adopted in the SGTE database [49].  

Based on paper I, CALPHAD modeling was performed on the Fe‐Cr binary down to 0 

K in paper II to obtain more accurate description of the spinodal decomposition. Model‐

predicted results were confirmed by some critical experiments, such as, APT and DSC. 

Thermodynamic modeling  in  this  thesis demonstrates  the rationality of non‐solubility 

of Cr  in bcc Fe at  the ground state, and predicts anomalous variation of  the magnetic 

ordering energy rather than enthalpy of formation calculated from atomic modeling. 

In paper III, the low temperature equilibria of the Fe‐Ni system was reassessed by im‐

proving  the description of  the magnetic phase diagram of  the Fe‐Ni alloys using  the 

current magnetic model for CALPHAD, i.e. the IHJ model with the AFM Weiss factor. 

Significant  improvements were made and validated by  the experimental Ms  tempera‐

tures. However, some problems of the current magnetic model used in the CALPHAD 

approach were found, and initiate the needs of improving the magnetic model itself.  

Consequently, in paper IV, the current magnetic model of the CALPHAD approach is 

improved. The AFM  factor adopted  in  the current magnetic model  is abandoned.  In‐

stead, dual magnetic states (FM and AFM) for each phase exhibiting magnetic ordering 

were introduced to extend the Inden‐Hillert‐Jarl model to the AFM ordering transition. 

The concept of effective magnetic moment  is considered as the  input of the  improved 

magnetic model for representing the magnetic entropy more accurately. The applicabil‐

ity of the improved magnetic model is demonstrated in the case study of the Al‐Cr‐Fe 

Page 68: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 4. CONCLUDING REMARKS AND OUTLOOK

  54

system. Another  case  study on  the Cr‐Ni magnetic phase diagram was performed  in 

section 3.2 in the thesis. 

The phase field modeling of the Fe‐Cr binary alloys was performed based on the updat‐

ed  thermodynamic  description  as  presented  in  paper V.  The  phase  field  simulation 

demonstrates a much  faster microstructural evolution of  the spinodal structure  in  the 

Fe‐Cr alloys, which calls for a modification of the atomic mobility at low temperatures. 

In paper VI, a new method called ADS is proposed for evaluating the composition am‐

plitude  from both discrete and continuum dataset by APT and phase  field modeling, 

respectively. The method  is  sensitive  to determine  the  small  composition  fluctuation, 

which can facilitate the study of the spinodal decomposition in the early stages.  

It is worth to mention that, in section 3.3.3, a detailed discussion on how to estimate the 

atomic mobility at low temperatures by phase field method is performed. The effective 

ADS method plays an important role to estimate the magnitude of the atomic mobility 

at low temperatures where both atomistic modeling and experimental data are unavail‐

able due to the slow kinetics and complex magnetic effects. It turns out that the combi‐

nation of phase  field and APT  through  the ADS method  is a good way  to  study  low 

temperature kinetics of the spinodal decomposition.  

The improved magnetic model and the ADS method is a basis for further investigation 

of the thermodynamics and kinetics in the Fe‐Cr‐Ni alloys. Although a complete ther‐

modynamic description  is  retarded by many  fundamental aspects at  the moment,  the 

thermodynamic description of  the Fe‐Cr  system  in  this work  is a  template  for  future 

studies in computational thermodynamics.  

4.2. Suggestions on future work 

In order to avoid the spinodal decomposition  in the stainless steels, the most effective 

way  is  to  choose  the  composition  outside  the  spinodal  region.  Therefore,  the  phase 

equilibria is the key to the successful design of the materials. However, according to the 

review in section 3.1.2 in the thesis, the phase equilibria of the Fe‐Cr‐Ni system are still 

uncertain at  low temperatures. The present thermodynamic description from reported 

work or commercial databases also needs to be improved, since the previous focus was 

on the region above 1073 K.  

One shall keep in mind that the thermodynamic modeling determines the spinodal de‐

composition region, which eventually affects  the  results of kinetic  investigation using 

phase field method. 

Page 69: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

CHAPTER 4. CONCLUDING REMARKS AND OUTLOOK

  55

In order to perform a reliable thermodynamic modeling of the Fe‐Cr‐Ni system at low 

temperatures, two essential aspects need to be considered. Firstly, the lattice stability of 

the pure elements needs  to be  reassessed analogous  to  the work performed by Chen 

and Sundman for pure Fe [15] using the Einstein model. Secondly, the magnetic phase 

diagram of the ternary Fe‐Cr‐Ni alloys should be considered carefully by reviewing the 

related experimental data. Atomistic modeling,  like ab  initio calculations, can provide 

valuable data for the related study, especially for the unstable or metastable phases.  

Regarding  the kinetic  aspect,  the quantitative  study of  the phase behavior with  long 

time annealing at low temperatures is the primary concern. However, the efforts should 

be devoted to the remaining issues of the Fe‐Cr alloys. As indicated in Fig. 3.17, exper‐

imental data reported from the same group for Fe‐45 at.% Cr alloys needs to be further 

confirmed. This will ultimately leads to an accurate prediction of the low temperature 

atomic mobility of the Fe‐Cr binary alloys. Afterwards, similar studies can be applied to 

the ternary Fe‐Cr‐Ni alloys.  

Regarding the phase field simulation of the spinodal decomposition, further  improve‐

ment is needed for including the contribution from more interactions, like the 2nd near‐

est  interaction,  to  estimate  the  gradient  energy  coefficient.  In  addition,  the magnetic 

effects may have considerable contributions to the gradient energy term, which needs 

to be formulated and included in the phase field models.  

It  is believed  that  the remaining work will concentrate more on  the application of  the 

model and methods proposed in this thesis, and will extend the case studies to multi‐

component  systems. Although  it may  be  time‐consuming  to  perform  a  compact  re‐

search of the multicomponent system by using all of the new models or methods pre‐

sented  in  this  thesis,  it will establish a  solid base  for  the  low  temperature  thermody‐

namics and kinetics. 

 

 

Page 70: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

 

 

 

Page 71: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

 

Bibliography [1]  K.H. Lo, C.H. Shek,  J.K.L. Lai,  ʺRecent developments in stainless steelsʺ, Mat. Sci. 

Eng., R, 65 (2009) 39‐104. 

[2]  W. Xiong, M. Selleby, Q. Chen, J. Odqvist, Y. Du, ʺEvaluation of Phase Equilibria 

and Thermochemical Properties in the Fe‐Cr systemʺ, Crit. Rev. Solid State Mater. 

Sci., 35 (2010) 125‐152. 

[3]  R.  Lagneborg,  ʺMetallography  of  the  475  oC  embrittlement  in  and  iron‐30% 

chromium alloyʺ, Trans. Am. Soc. Met., 60 (1967) 67‐78. 

[4]  D.S.  Sholl,  J.A.  Steckel, Density  functional  theory  ‐ A  pracitical  introduction, 

Wiley, 2009. 

[5]  R.M.  Martin,  Electronic  structure  ‐  basic  theory  and  practical  methods, 

Cambridge University Press, 2004. 

[6]  H.  Lukas,  S.G.  Fries,  B.  Sundman,  Computational  Thermodynamics:  The 

Calphad Method, Cambridge University Press, 2007. 

[7]  N.  Saunders, A.P. Miodownik, CALPHAD  calculation  of phase diagrams  ‐  a 

comprehensive guide, Pergamon, 1998. 

[8]  R.W. Cahn, The coming of materials science, Pergamon, 2001. 

[9]  M. Hillert,  ʺThe compound energy  formalismʺ,  J. Alloys Compd., 320  (2001) 161‐

176. 

[10]  S. Curtarolo, D. Morgan, G. Ceder, ʺAccuracy of ab initio methods in predicting the 

crystal structures of metals: A review of 80 binary alloysʺ, CALPHAD, 29 (2005) 163‐

211. 

[11]  S.G.  Fries,  B.  Sundman,  ʺUsing  Re‐W  sigma‐phase  first‐principles  results  in  the 

Bragg‐Williams  approximation  to  calculate  finite‐temperature  thermodynamic 

propertiesʺ, Physical Review B, 66 (2002). 

[12]  B. Grabowski,  L.  Ismer,  T. Hickel,  J. Neugebauer,  ʺAb  initio up  to  the melting 

point: Anharmonicity and vacancies in aluminumʺ, Physical Review B, 79 (2009). 

[13]  Y.  Kong,  W.  Xiong,  H.B.  Guo,  W.H.  Sun,  Y.  Du,  Y.C.  Zhou,  ʺElastic  and 

thermodynamic  properties  of  the Ni‐B  system  studied  by  first‐principles  calculations 

and experimental measurementsʺ, CALPHAD, 34 (2010) 245‐251. 

[14]  M.W. Chase, I. Ansara, A. Dinsdale, G. Eriksson, G. Grimvall, L. Hoglund, H. 

Yokokawa, ʺGroup 1: Heat capacity models for crystalline phases from 0 K to 6000 Kʺ, 

CALPHAD, 19 (1995) 437‐447. 

Page 72: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

BIBLIOGRAPHY

  58

[15]  Q. Chen, B. Sundman,  ʺModeling of  thermodynamic properties  for Bcc, Fcc,  liquid, 

and amorphous ironʺ, J. Phase Equilib., 22 (2001) 631‐644. 

[16]  W. Xiong,  J. Odqvist, P. Hedström, M.  Selleby, M. Thuvander, Q. Chen,  ʺAn 

improved  thermodynamic modeling  of  the Fe‐Cr  system down  to  zero  kelvin  coupled 

with key experimentsʺ, CALPHAD, 35 (2011) 355‐366. 

[17]  J. Vřeštʹál, J. Štrof, J. Pavlů, ʺExtension of SGTE data for pure elements to zero kelvin 

temperature ‐ A case studyʺ, CALPHAD, 37 (2012) 37‐48. 

[18]  G.  Inden,  in:    Proc. CALPHAD V, Max  Planck  Institut  fuer  Eisenforschung, 

Duesseldorf, Germany, 1976, pp. 1‐13. 

[19]  M. Hillert, M.  Jarl,  ʺA model  for alloying  in  ferromagnetic metalsʺ, CALPHAD,  2 

(1978) 227‐238. 

[20]  M.  Hillert,  ʺA  solid‐solution model  for  inhomogeneous  systemsʺ,  Acta Metall.,  9 

(1961) 525‐535. 

[21]  M. Hillert,  ʺA  theory  of  nucleation  for  solid metallic  solutionsʺ,  Doctoral  Thesis, 

Massachusetts Insitute of Technology, 1956 

[22]  J.W.  Cahn,  J.E.  Hilliard,  ʺFree  energy  of  a  nonuniform  system.  I.  Interfacial  free 

energyʺ, J. Chem. Phys., 28 (1958) 258‐267. 

[23]  J.S. Rowlinson,  ʺTranslation of J. D. van der Waalsʹ ʺThe Thermodynamic Theory of 

Capillarity Under  the Hypothesis  of  a Continuous Variation  of Density  ʹʹʺ,  J.  Stat. 

Phys., 20 (1979) 197‐244. 

[24]  A.A. Wheeler, W.J. Boettinger, G.B. Mcfadden,  ʺPhase‐Field Model for Isothermal 

Phase‐Transitions in Binary‐Alloysʺ, Phys. Rev. A, 45 (1992) 7424‐7439. 

[25]  J.A. Warren, W.J. Boettinger, ʺPrediction of Dendritic Growth and Microsegregation 

Patterns in a Binary Alloy Using the Phase‐Field Methodʺ, Acta Metall. Mater., 43 

(1995) 689‐703. 

[26]  I. Steinbach, F. Pezzolla, B. Nestler, M. Seesselberg, R. Prieler, G.J. Schmitz, J.L.L. 

Rezende,  ʺA phase field concept for multiphase systemsʺ, Physica D, 94 (1996) 135‐

147. 

[27]  S.G. Kim, W.T. Kim, T. Suzuki,  ʺPhase‐field model for binary alloysʺ, Phys Rev E, 

60 (1999) 7186‐7197. 

[28]  K.S. Wu,  S.L. Chen,  F. Zhang, Y.A. Chang,  ʺIntegrating CALPHAD  into Phase 

Field Simulations  for Practical Applicationsʺ,  J. Phase Equilib. Diffus.,  30  (2009) 

571‐576. 

[29]  L.‐Q. Chen,  ʺPhase‐field models  for microstructure  evolutionʺ, Annu. Rev. Mater. 

Res., 32 (2002) 113‐140. 

[30]  N. Moelans, B. Blanpain, P. Wollants,  ʺAn  introduction to phase‐field modeling of 

microstructure evolutionʺ, CALPHAD, 32 (2008) 268‐294. 

[31]  T.  Kitashima,  ʺCoupling  of  the  phase‐field  and CALPHAD methods  for  predicting 

multicomponent,  solid‐state  phase  transformationsʺ,  Philos Mag,  88  (2008)  1615‐

1637. 

Page 73: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

BIBLIOGRAPHY

  59

[32]  http://web.access.rwth‐aachen.de/MICRESS/ 

[33]  http://www.thermocalc.com 

[34]  http://www.ctcms.nist.gov/fipy/ 

[35]  http://www.openphase.de/ 

[36]  G. Amberg, R. Tönhardt, W. Christian, ʺFinite element simulations using symbolic 

computingʺ, Math. Comput. Simulat., 49 (1999) 257‐274. 

[37]  http://www.pdesolutions.com/ 

[38]  L.Q. Chen,  J.  Shen,  ʺApplications of  semi‐implicit Fourier‐spectral method  to phase 

field equationsʺ, Comput. Phys. Commun., 108 (1998) 147‐158. 

[39]  Q.  Chen,  N.  Ma,  K.S.  Wu,  Y.Z.  Wang,  ʺQuantitative  phase  field  modeling  of 

diffusion‐controlled  precipitate  growth  and  dissolution  in Ti‐Al‐Vʺ,  Scr. Mater.,  50 

(2004) 471‐476. 

[40]  M. Hillert, L. Hoglund, ʺMobility of alpha/gamma phase interfaces in Fe alloysʺ, Scr. 

Mater., 54 (2006) 1259‐1263. 

[41]  X.M.  Bai,  M.  Li,  ʺCalculation  of  solid‐liquid  interfacial  free  energy:  A  classical 

nucleation theory based approachʺ, J. Chem. Phys., 124 (2006). 

[42]  E.A.  Marquis,  J.M.  Hyde,  ʺApplications  of  atom‐probe  tomography  to  the 

characterisation of solute behavioursʺ, Mat. Sci. Eng., R, 69 (2010) 37‐62. 

[43]  M.K. Miller,  J.M. Hyde, M.G. Hetherington, A.  Cerezo, G.D.W.  Smith,  C.M. 

Elliott, ʺSpinodal decomposition in Fe‐Cr alloys: experimental study at the atomic level 

and comparison with computer models. I. Introduction and methodologyʺ, Acta Metall. 

Mater., 43 (1995) 3385‐3401. 

[44]  J.M. Hyde, M.K. Miller, M.G. Hetherington, A.  Cerezo, G.D.W.  Smith,  C.M. 

Elliott, ʺSpinodal decomposition in Fe‐Cr alloys: experimental study at the atomic level 

and comparison with computer models. II. Development of domain size and composition 

amplitudeʺ, Acta Metall. Mater., 43 (1995) 3403‐3413. 

[45]  J.M. Hyde, M.K. Miller, M.G. Hetherington, A.  Cerezo, G.D.W.  Smith,  C.M. 

Elliott, ʺSpinodal decomposition in Fe‐Cr alloys: experimental study at the atomic level 

and comparison with computer models ‐ III. Development of morphologyʺ, Acta Metall. 

Mater., 43 (1995) 3415‐3426. 

[46]  J.M. Hyde, M.K. Miller, A. Cerezo, G.D.W. Smith, ʺA study of the effect of ageing 

temperature on phase separation in Fe‐45%Cr alloysʺ, Appl. Surf. Sci., 87‐88 (1995) 

311‐317. 

[47]  J.M. Hyde, A. Cerezo, M.G. Hetherington, M.K. Miller, G.D.W. Smith,  ʺThree‐

dimensional  characterization  and modelling  of  spinodally decomposed  iron‐chromium 

alloysʺ, Surf. Sci., 266 (1992) 370‐377. 

[48]  M.K. Miller, J.M. Hyde, A. Cerezo, G.D.W. Smith, ʺComparison of low temperature 

decomposition  in Fe‐Cr and duplex stainless  steelsʺ, Appl. Surf. Sci.,  87‐88  (1995) 

323‐328. 

[49]  A.T. Dinsdale, ʺSGTE data for pure elementsʺ, CALPHAD, 15 (1991) 317‐425. 

Page 74: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

BIBLIOGRAPHY

  60

[50]  J.O.  Andersson,  B.  Sundman,  ʺThermodynamic  properties  of  the  Cr‐Fe  systemʺ, 

CALPHAD, 11 (1987) 83‐92. 

[51]  U. Thiedemann, M. Roesner‐Kuhn, D.M. Matson, G. Kuppermann, K. Drewes, 

M.C.  Flemings,  M.G.  Frohberg,  ʺMixing  enthalpy  measurements  in  the  liquid 

ternary system iron‐nickel‐chromium and its binariesʺ, Steel Res., 69 (1998) 3‐7. 

[52]  I.A. Pavars, B.A. Baum, P.V. Gelʹd, ʺThermophysical and thermodynamic properties 

of liquid alloys of iron and chromiumʺ, High Temp., 8 (1970) 67‐71. 

[53]  B.‐J.  Lee,  ʺRevision  of  thermodynamic  descriptions  of  the  Fe‐Cr  and  Fe‐Ni  liquid 

phasesʺ, CALPHAD, 17 (1993) 251‐268. 

[54]  P. Olsson,  I.A. Abrikosov, L. Vitos,  J. Wallenius,  ʺAb  initio  formation energies of 

Fe‐Cr alloysʺ, J. Nucl. Mater., 321 (2003) 84‐90. 

[55]  I.  Mirebeau,  M.  Hennion,  G.  Parette,  ʺFirst  measurement  of  short‐range‐order 

inversion as a  function of  concentration  in a  transition alloyʺ, Phys. Rev.  Lett.,  53 

(1984) 687‐690. 

[56]  H. Okamoto, Cr‐Fe, in: H. Baker (Ed.) ASM Handbook: Volume 3: Alloy Phase 

Diagrams, ASM International, Materials Park, OH, 1991. 

[57]  I. Mirebeau, G. Parette,  ʺNeutron study of  the short range order  inversion  in Fe(1‐

x)Cr(x)ʺ, Physical Review B, 82 (2010). 

[58]  G. Bonny, D. Terentyev, L. Malerba, ʺOn the ʹ miscibility gap of Fe‐Cr alloysʺ, Scr. Mater., 59 (2008) 1193‐1196. 

[59]  H. Kuwano, Y. Hamaguchi, ʺMossbauer study of iron‐chromium alloys irradiated by 

energetic protonsʺ, J. Nucl. Mater., 155‐157 (1988) 1071‐1074. 

[60]  N.P. Filippova, V.A. Shabashov, A.L. Nikolaev,  ʺMossbauer study of  irradiation‐

accelerated short‐range ordering  in binary Fe‐Cr alloysʺ, Phys. Met. Metallogr., 90 

(2000) 145‐152. 

[61]  S.M. Dubiel, G.  Inden,  ʺOn  the miscibility gap  in  the Fe‐Cr  system: a moessbauer 

study on long term annealed alloysʺ, Z. Metallkd., 78 (1987) 544‐549. 

[62]  H.  Kuwano,  ʺMoessbauer  effect  study  on  the miscibility  gap  of  the  iron‐chromium 

binary systemʺ, Trans. Jpn. Inst. Met., 26 (1985) 473‐481. 

[63]  W. Xiong, K. Grönhagen, J. Ågren, M. Selleby, J. Odqvist, Q. Chen, ʺInvestigation 

of  spinodal  decomposition  in  Fe‐Cr  alloys:  CALPHAD  modeling  and  phase  field 

simulationʺ, Solid State Phenom., 172‐174 (2011) 1060‐1065. 

[64]  G.  Bonny,  R.C.  Pasianot,  L. Malerba,  A.  Caro,  P.  Olsson, M.Y.  Lavrentiev, 

ʺNumerical  prediction  of  thermodynamic  properties  of  iron‐chromium  alloys  using 

semi‐empirical cohesive models: The state of the artʺ, J. Nucl. Mater., 385 (2009) 268‐

277. 

[65]  W. Xiong, H. Zhang, L. Vitos, M.  Selleby,  ʺMagnetic phase digram  of  the Fe‐Ni 

systemʺ, Acta Mater., 59 (2011) 521‐530. 

[66]  J.  Tomiska,  ʺThe  system  Fe‐Ni‐Cr:  Revision  of  the  thermodynamic  descriptionʺ,  J. 

Alloys Compd., 379 (2004) 176‐187. 

Page 75: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

BIBLIOGRAPHY

  61

[67]  L. Karmazin,  ʺLattice parameter  studies of  structure  changes  of Ni‐Cr  alloys  in  the 

region of Ni2Crʺ, Mater. Sci. Eng., 54 (1982) 247‐256. 

[68]  E.Z. Vintaikin, G.G. Urushadze,  ʺOrdering of nickel‐chromium alloysʺ,  Fiz. Met. 

Metalloved., 27 (1969) 895‐903. 

[69]  E.R.  Jette, V.H. Nordstrom, B. Queneau,  F.  Frank,  ʺX‐ray  studies on  the nickel‐

chromium systemʺ, Trans. AIME, 111 (1934) 361‐371. 

[70]  H.G. Baer, ʺSuperstructure and K‐state in nickel chromium alloys, Ueberstruktur und 

K‐Zustand im System Nickel‐Chromʺ, Z. Metallkd., 49 (1958) 614‐622. 

[71]  E.Z.  Vintaikin,  G.G.  Urushadze,  ʺNeutron‐diffraction  study  of  atom  ordering  in 

nickel‐chromium alloysʺ, Ukr. Biokhim. Zh., 15 (1970) 133‐135. 

[72]  M. Rahaman, A.V. Ruban, Ab  initio Monte Carlo study of the Cr‐Ni system, 2010 

(unpublished work) 

[73]  P. Nash,  ʺThe Cr‐Ni  (chromium‐nickel)  systemʺ,  Bull.  Alloy  Phase Diagram,  7 

(1986) 466‐476, 507‐508. 

[74]  J.  Tomiska,  K.  Kopecky,  M.S.  Belegratis,  C.  Myers,  ʺThermodynamic  mixing 

functions  and  phase  equilibria  in  the Nickel‐Chromium  system  by  high‐temperature 

knudsen cell mass spectrometryʺ, Metall. Mater. Trans. A, 26 (1995) 259‐265. 

[75]  P.E.A. Turchi, L. Kaufman, Z.K. Liu, ʺModeling of Ni‐Cr‐Mo based alloys: Part II ‐ 

Kineticsʺ, CALPHAD, 31 (2007) 237‐248. 

[76]  P.E.A. Turchi, L. Kaufman, Z.K. Liu,  ʺModeling of Ni‐Cr‐Mo based alloys: Part I ‐ 

phase stabilityʺ, CALPHAD, 30 (2006) 70‐87. 

[77]  K.S. Chan, Y.M. Pan, Y.D. Lee, ʺComputation of Ni‐Cr phase diagram via a combined 

first‐principles  quantum  mechanical  and  CALPHAD  approachʺ,  Metall.  Mater. 

Trans. A, 37A (2006) 2039‐2050. 

[78]  B.J. Lee, ʺOn the Stability of Cr Carbidesʺ, CALPHAD, 16 (1992) 121‐149. 

[79]  G.I. Batalin, V.P. Kurach, V.S. Sudavtsova, ʺEnthalpies of mixing of molten alloys of 

the nickel‐chromium systemʺ, Ukr. Khim. Zh. (Russ. Ed.), 49 (1983) 547‐548. 

[80]  M. Hirabayashi, M.  Koiwa,  K.  Tannaka,  T.  Tadaki,  T.  Saburi,  S. Nenno, H. 

Nishiyama,  ʺAn experimental study on  the ordered alloy Ni2Crʺ, Trans.  Jpn.  Inst. 

Met., 10 (1969) 365‐371. 

[81]  P. Korzhavyi, ab initio calculation on enthalpy of formation of the CrNi2 phase, 2010 

(unpublished work) 

[82]  A. Arya, G.K. Dey, V.K. Vasudevan, S. Banerjee,  ʺEffect of chromium addition on 

the  ordering  behaviour  of Ni‐Mo  alloy:  experimental  results  vs.  electronic  structure 

calculationsʺ, Acta Mater., 50 (2002) 3301‐3315. 

[83]  Y. Wang, C. Woodward, S.H. Zhou, Z.K. Liu, L.Q. Chen,  ʺStructural stability of 

Ni‐Mo compounds from first‐principles calculationsʺ, Scr. Mater., 52 (2005) 17‐20. 

[84]  M.  Hillert,  Q.  Caian,  ʺA  reassessment  of  the  Cr‐Fe‐Ni  systemʺ, Metall. Mater. 

Trans. A, 21 (1990) 1673‐1680. 

Page 76: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

BIBLIOGRAPHY

  62

[85]  S.  Hertzman,  B.  Sundman,  ʺA  thermodynamic  analysis  of  the  Fe‐Cr‐Ni  systemʺ, 

Scand. J. Metall., 14 (1985) 94‐102. 

[86]  B.‐J. Lee, ʺA thermodynamic evaluation of the Fe‐Cr‐Ni systemʺ, J. Korean Inst. Met. 

Mater., 31 (1993) 480‐489. 

[87]  S. Hertzman, Private communication, 2010 (unpublished work) 

[88]  B. Hattersley, W. Hume‐Rothery, ʺConstitution of certain austenitic steelsʺ, J. Iron 

Steel Inst., 204 (1966) 683‐701. 

[89]  A.J. Cook, B.R. Brown, ʺConstitution of iron‐nickel‐chromium alloys at 550‐800 Cʺ, J. 

Iron Steel Inst., 171 (1952) 345‐353. 

[90]  W.P. Rees, B.D. Burns, A.J. Cook,  ʺConstitution of  iron‐nickel‐chromium alloys at 

650 to 800 Cʺ, J. Iron Steel Inst., 162 (1949) 325‐336. 

[91]  P.  Schafmeister,  R.  Ergang,  ʺDas  Zustandschaubild  Fe‐Ni‐Crʺ,  Arch. 

Eisenhüttenwes., 12 (1939) 459‐464. 

[92]  K.J. Tauer, R.J. Weiss, ʺMagnetic Second‐Order Transitionsʺ, Phys. Rev., 100 (1955) 

1223‐1224. 

[93]  G. Inden, ʺThermodynamics of Orderingʺ, Scand. J. Metall., 20 (1991) 112‐120. 

[94]  S.  Hertzman,  B.  Sundman,  ʺA  thermodynamic  analysis  of  the  Fe‐Cr  systemʺ, 

CALPHAD, 6 (1982) 67‐80. 

[95]  R.J.  Weiss,  K.J.  Tauer,  A  metallurgical  side  rule  for  determining  magnetic 

properties of 3d transition alloys, in:  Theory of Alloy Phases, Cleveland, Ohio, 

1956, pp. 290‐300. 

[96]  G. Inden, ʺThe role of magnetism in the calculation of phase diagramsʺ, Physica B+C, 

103 (1981) 82‐100. 

[97]  J.O. Andersson,  ʺThermodynamic properties of chromiumʺ,  Int.  J. Thermophys., 6 

(1985) 411‐419. 

[98]  K. Fukamichi, H. Saito, ʺCr‐Based Magnetically Insensitive Invar‐Type Alloysʺ, Sci. 

Rep. Res. Tohoku A, 26 (1977) 299‐332. 

[99]  C.S. Tian, D. Qian, D. Wu, R.H. He, Y.Z. Wu, W.X. Tang, L.F. Yin, Y.S. Shi, G.S. 

Dong, X.F. Jin, X.M. Jiang, F.Q. Liu, H.J. Qian, K. Sun, L.M. Wang, G. Rossi, Z.Q. 

Qiu, J. Shi, ʺBody‐centered‐cubic Ni and its magnetic propertiesʺ, Phys. Rev. Lett., 94 

(2005) 137210‐137211. 

[100]  C. Sadron, ʺFerromagnetic moments of elements and the periodic systemʺ, Ann. phys., 

17 (1932) 371‐452. 

[101]  V. Marian,  ʺCurie points of ferromagnetism and absolute saturation of some alloys of 

nickelʺ, Ann. phys., 7 (1937) 459‐527. 

[102]  M.J. Besnus, Y. Gottehrer, G. Munschy,  ʺMagnetic properties of nickel‐chromium 

alloysʺ, Phys. Status Solidi B, 49 (1972) 597‐607. 

[103]  H. Tange, T. Yonei, M. Goto, ʺForced Volume Magnetostriction of Ni‐Cr Alloysʺ, J. 

Phys. Soc. Jpn., 50 (1981) 454‐460. 

Page 77: Thermodynamic and Kinetic Investigation of the Fe-Cr - DiVA Portal

BIBLIOGRAPHY

  63

[104]  M.A. Simpson, T.F. Smith, ʺThermodynamic studies and magnetic ordering of nickel‐

chromium alloys close to the critical compositionʺ, Aust. J. Phys., 35 (1982) 307‐319. 

[105]  C.‐P.  Chin,  S.  Hertzman,  B.  Sundman,  ʺAn  evaluation  of  the  composition 

dependence of the magnetic order‐disorder transition in Cr‐Fe‐Co‐Ni alloysʺ, TRITA‐

MAC‐0203, KTH, (1987). 

[106]  J.W. Cahn, ʺFree energy of a nonuniform system. II. Thermodynamic basisʺ, J. Chem. 

Phys., 30 (1959) 1121‐1124. 

[107]  J.W. Cahn,  J.E. Hilliard,  ʺFree  energy of a nonuniform  system.  III. nucleation  in a 

two‐component incopressible fluidʺ, J. Chem. Phys., 31 (1959) 688‐699. 

[108]  K. Binder,  ʺNucleation Barriers, Spinodals, and the Ginzburg Criterionʺ, Phys. Rev. 

A, 29 (1984) 341‐349. 

[109]  J. Odqvist, J. Zhou, W. Xiong, P. Hedström, M. Thuvander, M. Selleby, J. Ågren, 

in:    International  Conference  on  3D  Materials  Science,  Seven  Springs, 

Pennsylvania, 2012, pp. Accepted for publication. 

[110]  J.S.  Langer, M.  Bar‐on,  H.D. Miller,  ʺNew  Computational Method  in  Theory  of 

Spinodal Decompositionʺ, Phys. Rev. A, 11 (1975) 1417‐1429. 

[111]  B.  Jönsson,  ʺAssessment of  the Mobilities of Cr, Fe and Ni  in bcc Cr‐Fe‐Ni Alloysʺ, 

ISIJ Int., 35 (1995) 1415‐1421. 

[112]  K.A.  Grönhagen,  ʺPhase‐field  modeling  of  surface‐energy  driven  processʺ,  PhD 

Thesis, 2009 

[113]  T. Ujihara, K. Osamura,  ʺThe excess free energy due to the composition gradient for 

ferromagnetic alloysʺ, Acta Mater., 47 (1999) 3041‐3048. 

[114]  S.S.  Brenner, M.K. Miller, W.A.  Soffa,  ʺSpinodal  decomposition  of  iron‐32  at.% 

chromium at 470oCʺ, Scr. Metall., 16 (1982) 831‐836. 

[115]  A.  Cerezo,  J.M.  Hyde,  M.K.  Miller,  S.C.  Petts,  R.P.  Setna,  G.D.W.  Smith, 

ʺAtomistic modelling  of  diffusional  phase  transformationsʺ,  Philos.  Trans.  R.  Soc. 

London, A, 341 (1992) 313‐326.