journal article·2024-10Open access

High‐Throughput First‐Principles Calculations and Machine Learning of Grain Boundary Segregation in Metals

Daniel Scheiber, Vsevolod Razumovskiy, Oleg Peil, Lorenz Romaner

Advanced Engineering Materials· Volume 26· Issue 19

Abstract

The segregation of solute elements to defects in metals plays a fundamental role for microstructure evolution and the material performance. However, the available computational data are scattered and inconsistent due to the use of different simulation parameters and methods. A high‐throughput study is presented on grain boundary and surface segregation together with their effect on grain boundary embrittlement using a consistent first‐principles methodology. The data are evaluated for most technologically relevant metals including Al, Cu, Fe, Mg, Mo, Nb, Ni, Ta, Ti, and W with the majority of the elements from the periodic table treated as segregating elements. Trends among the solute elements are analyzed and explained in terms of phenomenological models and the computed data are compared to the available literature data. The computed first‐principles data are used for a machine learning investigation, showing the capabilities for extrapolation from first‐principles calculation to the whole periodic table of solutes. The present work allows for comprehensive screening of new alloys with improved interface properties.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Microstructure and mechanical properties · Advanced materials and composites · Advanced Materials Characterization Techniques

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Materials Center Leoben Forschung GmbH Roseggerstrasse 12 8700 Leoben Austria

Department of Materials Science Montanuniversität Leoben Franz‐Josef‐Straße 18 8700 Leoben Austria

Funding

Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft · Austrian Science Fund

References (100+)

Show source-provided references
1. 10.1016/j.commatsci.2023.11259610.1016/j.commatsci.2023.112596 ↗
2. 10.1007/s10853-011-5393-z10.1007/s10853-011-5393-z ↗
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49. 10.1016/S1359-6462(00)00521-210.1016/S1359-6462(00)00521-2 ↗
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53. 10.1016/S1359-6454(00)00382-710.1016/S1359-6454(00)00382-7 ↗
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58. 10.1016/j.commatsci.2015.10.00710.1016/j.commatsci.2015.10.007 ↗
59. 10.1016/j.commatsci.2006.02.01010.1016/j.commatsci.2006.02.010 ↗
60. 10.1103/PhysRevB.62.620810.1103/PhysRevB.62.6208 ↗
61. 10.1103/PhysRevB.60.714910.1103/PhysRevB.60.7149 ↗
62. 10.1103/PhysRevB.53.750410.1103/PhysRevB.53.7504 ↗
63. Zhou H. · Sci. China: Phys., Mech. Astron. · 2011 · 54 · 216
64. 10.1143/JPSJ.73.44110.1143/JPSJ.73.441 ↗
65. 10.2320/matertrans.M201210810.2320/matertrans.M2012108 ↗
66. 10.1007/s11661-010-0380-610.1007/s11661-010-0380-6 ↗
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70. 10.1103/PhysRevB.77.09411810.1103/PhysRevB.77.094118 ↗
71. 10.1103/PhysRevB.63.16541510.1103/PhysRevB.63.165415 ↗
72. 10.1088/0965-0393/21/7/07500910.1088/0965-0393/21/7/075009 ↗
73. 10.1016/j.scriptamat.2011.08.01410.1016/j.scriptamat.2011.08.014 ↗
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76. 10.1126/science.265.5170.37610.1126/science.265.5170.376 ↗
77. 10.1103/PhysRevB.77.16541310.1103/PhysRevB.77.165413 ↗
78. 10.1016/j.actamat.2020.06.00110.1016/j.actamat.2020.06.001 ↗
79. 10.1088/0953-8984/17/27/00610.1088/0953-8984/17/27/006 ↗
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83. 10.1038/s41467-021-26197-910.1038/s41467-021-26197-9 ↗
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98. 10.1016/0921-5093(89)90372-910.1016/0921-5093(89)90372-9 ↗
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