[论文解读] 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 39

一句话总结

本研究采用半经验势能的分子动力学模拟，研究等原子比NiTi纳米颗粒（4–17 nm）在热诱导下的逆马氏体（奥氏体）相变。研究揭示了奥氏体在表面异质形核，并通过平面滑移向内传播，解释了奥氏起始温度与终了温度之间的热滞回线现象，量化了由于表面效应导致的尺寸依赖性自由能差。

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.

研究动机与目标

• 理解热诱导下NiTi纳米颗粒的逆马氏体相变过程。
• 研究奥氏起始温度与终了温度差异的机理。
• 量化表面能对奥氏体与马氏体相之间自由能差的尺寸依赖性影响。
• 开发并应用一种序参量，以在模拟中区分单斜晶系B19′与立方晶系B2结构。

提出的方法

• 采用NiTi的半经验多体势能进行分子动力学模拟。
• 构建序参量以局部区分单斜晶系B19′（马氏体）与立方晶系B2（奥氏体）相。
• 通过温度升高的过程可视化相变过程，以观察形核与生长动力学。
• 模拟追踪了从低温到高温过程中序参量的演化及结构变化。
• 计算了作为粒子直径函数的相间自由能差，以评估表面引起的尺寸效应。
• 通过追踪相变过程的空间与时间演化，分析了异质形核与传播机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在加热过程中，NiTi纳米颗粒中的逆马氏体相变如何进行？
• RQ2 不同直径的纳米颗粒中，奥氏体相的形核机制是什么？
• RQ3 为何这些纳米颗粒的奥氏起始温度与终了温度存在差异？
• RQ4 颗粒尺寸如何影响奥氏体与马氏体相之间的自由能差？
• RQ5 表面效应在多大程度上主导了纳米尺度NiTi中奥氏体相的热力学稳定性？

主要发现

• 奥氏体相在NiTi纳米颗粒表面异质形核，而非在体相中均匀形核。
• 相变通过奥氏体前缘从表面到中心的平面滑移进行，解释了观测到的热滞回线现象。
• 奥氏起始温度随颗粒尺寸增大而降低，与表面能效应一致。
• 奥氏终了温度高于起始温度，这是由于形核与生长存在能垒所致。
• 相变温度的尺寸依赖性偏移与计算得到的表面引起的奥氏体与马氏体相间自由能差的降低相关。
• 序参量成功区分了局部的B19′与B2结构，实现了对相变动力学的精确追踪。