Use of elastic constants based on ab initio computation in materials optimisation of austenitic stainless steels

Abstract

The use of ab initio quantum mechanics methods to compute elastic constants of austenitic stainless steels is reviewed. It is demonstrated that the elastic constants can be predicted accurately as a function of composition. This enables the use of materials optimisation techniques to develop new materials that are systematically adapted to specific components. After the design criteria and the target function to be optimised have been formulated, the optimum property combination can be searched for. The properties involved constitute a property space, where domains with active design criteria are identified. In the present paper, the domain where the stiffness is the controlling property is considered. Cost, weight and environmental impact minimisation is analysed. It turns out that for all three target functions, austenitic stainless steels with low chromium and nickel contents are preferred materials.

On examine l’utilisation des méthodes de mécanique quantique ab initio pour le calcul des constantes d’élasticité des aciers inoxydables austénitiques. On démontre que l’on peut prédire avec précision la constante d’élasticité en fonction de la composition. Ceci rend possible l’utilisation des techniques d’optimisation des matériaux dans le développement de nouveaux matériaux qui sont adaptés systématiquement à des composantes spécifiques. Après l’identification des critères de conception et de la fonction cible à optimiser, on peut chercher la combinaison optimale de propriétés. Les propriétés impliquées constituent un espace de propriété, où l’on identifie les domaines avec critères de conception actifs. Dans cet article, on considère le domaine où la rigidité est la propriété de contrôle. On analyse la minimisation du coût, du poids et de l’impact environnemental. En fin de compte, il se trouve que pour les trois fonctions cible, les aciers inoxydables austénitiques à faible teneur en chrome et en nickel sont les matériaux préférés.

Keywords:

• Elastic constant
• Austenitic stainless steel
• Ab initio
• Materials optimisation

Acknowledgements

We are grateful to L. Vitos for providing us with the numerical data of Ref. 91. Financial support from the European Union (project MACPLUS), as well as from the Swedish Government Agency of Innovation Systems VINNOVA, Swedish Industry and the Royal Institute of Technology (VINN Excellence Centre Hero-m), is gratefully acknowledged.