[논문 리뷰] Simulation of the thermally induced austenitic phase transition in NiTi nanoparticles : Simulation of phase transitions in NiTi nanoparticles

Daniel Mutter, P. Nielaba|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 31.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 31인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 등원자성 NiTi 나노입자(4–17 nm)에서 열적으로 유도된 역마르텐사이트(오스테나이트) 상전이를 연구하기 위해 반경험적 퍼텐셜을 사용한 분자동역학 시뮬레이션을 수행한다. 표면에서 비균일한 핵형성과 평면 슬라이딩을 통한 내부로의 전파가 관찰되어 오스테나이트 시작 온도와 종료 온도 사이의 열적 히스테리시스를 설명하며, 표면 효과로 인한 크기 의존성 자유 에너지 차이를 정량화한다.

ABSTRACT

The reverse martensitic (“austenitic”) transformation upon heating of equiatomic nickel-titanium nanoparticles with diameters between 4 and 17 nm is analyzed by means of molecular-dynamics simulations with a semi-empirical model potential. After constructing an appropriate order parameter to distinguish locally between the monoclinic B19′ at low and the cubic B2 structure at high temperatures, the process of the phase transition is visualized. This shows a heterogeneous nucleation of austenite at the surface of the particles, which propagates to the interior by plane sliding, explaining a difference in austenite start and end temperatures. Their absolute values and dependence on particle diameter are obtained and related to calculations of the surface induced size dependence of the difference in free energy between austenite and martensite.

연구 동기 및 목표

• 열적으로 유도된 NiTi 나노입자에서의 역마르텐사이트 전이를 이해하기 위해.
• 오스테나이트 시작 온도와 종료 온도 사이의 차이를 유도하는 메커니즘을 조사하기 위해.
• 표면 에너지의 크기 의존성 영향을 오스테나이트와 마르텐사이트 상 사이의 자유 에너지 차이에 정량화하기 위해.
• 모델링 및 적용된 질서 매개변수를 통해 시뮬레이션에서 단세포 B19′과 체심입방정육 B2 구조를 구분하기 위해.

제안 방법

• NiTi에 대한 반경험적 다체계 퍼텐셜을 사용하여 분자동역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 국소적으로 단세포 B19′(마르텐사이트)와 체심입방정육 B2(오스테나이트) 상을 구분하기 위해 질서 매개변수를 구성하였다.
• 온도 상승 과정을 통해 상전이 과정을 시각화하여 핵형성 및 성장 역학을 관찰하였다.
• 낮은 온도에서 높은 온도로의 변화 동안 질서 매개변수의 변화와 구조적 변화의 진화를 추적하였다.
• 입자 지름에 따른 상 사이의 자유 에너지 차이를 계산하여 표면 유도 크기 효과를 평가하였다.
• 상전이의 공간적·시간적 진화를 추적함으로써 비균일 핵형성 및 전파 메커니즘을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가열 시 NiTi 나노입자에서 역마르텐사이트 전이가 어떻게 진행되는가?
• RQ2 다양한 지름을 가진 나노입자에서 오스테나이트 상의 핵형성 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이러한 나노입자에서 오스테나이트 시작 온도와 종료 온도 사이에 차이가 나는 이유는 무엇인가?
• RQ4 입자 크기가 오스테나이트와 마르텐사이트 상 사이의 자유 에너지 차이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 표면 효과가 나노스케일 NiTi에서 오스테나이트 상의 열역학적 안정성에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 오스테나이트 상은 나노입자의 부피 내부에서 균일하게 핵형성이 이루어지는 것이 아니라 표면에서 비균일하게 핵형성된다.
• 전이 과정은 표면에서 시작하여 중심으로 향해 오스테나이트 전면이 평면 슬라이딩 방식으로 전파되며, 관측된 열적 히스테리시스를 설명한다.
• 오스테나이트 시작 온도는 입자 크가 증가함에 따라 감소하며, 표면 에너지 효과와 일치한다.
• 오스테나이트 종료 온도는 핵형성 및 성장의 에너지 장벽으로 인해 시작 온도보다 높다.
• 변환 온도의 크기 의존적 이동은 오스테나이트와 마르텐사이트 사이의 자유 에너지 차이에 표면 유도 감소가 반영된 것으로 관련이 있다.
• 질서 매개변수는 국소적인 B19′ 및 B2 구조를 성공적으로 구분하여 상전이 역학의 정확한 추적을 가능하게 하였다.