[論文レビュー] 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)|Oct 31, 2011

Microstructure and mechanical properties参考文献 31被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、等原子比NiTiナノ粒子（4–17 nm）における熱的誘発逆マルテンサイト相転移を、半経験的ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションにより調査した。結果として、表面で不均一な核生成が起こり、平面すべりを介して内側へと進行するメカニズムが明らかになった。これは、アスタナイト開始温度と終了温度の間の熱的ヒステリシスを説明するものであり、表面効果に起因する相間の自由エネルギー差のサイズ依存性を定量的に示している。

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.

研究の動機と目的

• NiTiナノ粒子における熱的誘発逆マルテンサイト相転移の理解を図ること。
• アスタナイト開始温度と終了温度の差の背後にあるメカニズムを調査すること。
• アスタナイト相とマルテンサイト相の自由エネルギー差に及ぼす表面エネルギーのサイズ依存的影響を定量的に評価すること。
• シミュレーションにおいて単斜晶B19′と立方晶B2構造を区別できる順序パラメータの開発および適用すること。

提案手法

• NiTiのための半経験的多体ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションを実施した。
• 局所的な単斜晶B19′（マルテンサイト）と立方晶B2（アスタナイト）相の区別に用いる順序パラメータを構築した。
• 温度上昇に伴う相転移過程を可視化し、核生成と成長ダイナミクスを観察した。
• 低温から高温への遷移に伴い、順序パラメータおよび構造変化の進化を追跡した。
• 粒子径を関数としての相間の自由エネルギー差を計算し、表面に起因するサイズ効果を評価した。
• 相転移の空間的・時間的進化を追跡することで、不均一核生成および伝播メカニズムを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 加熱時にNiTiナノ粒子における逆マルテンサイト相転移はどのように進行するか？
• RQ2 さまざまな直径のナノ粒子におけるアスタナイト相の核生成メカニズムは何か？
• RQ3 これらのナノ粒子において、アスタナイト開始温度と終了温度の差が生じる理由は何か？
• RQ4 粒子サイズは、アスタナイト相とマルテンサイト相の自由エネルギー差にどのように影響するか？
• RQ5 表面効果が、ナノスケールNiTiにおけるアスタナイト相の熱力学的安定性をどの程度支配しているか？

主な発見

• アスタナイト相は、体積内での均一核生成ではなく、NiTiナノ粒子の表面で不均一に核生成する。
• 相転移は、表面から中心方向へとアスタナイトフロントが平面すべりを介して進行することで起こり、観察された熱的ヒステリシスを説明する。
• アスタナイト開始温度は粒子サイズが大きくなるにつれて低下し、表面エネルギー効果と整合的である。
• アスタナイト終了温度は、核生成および成長のエネルギー障壁のため、開始温度よりも高くなる。
• 粒子サイズに起因する相転移温度のシフトは、アスタナイトとマルテンサイト相の自由エネルギー差の表面に起因する減少と相関している。
• 順序パラメータは、局所的なB19′およびB2構造を的確に区別でき、相転移ダイナミクスの正確な追跡が可能になった。