Thermal expansion in Fe-Ni alloys: A DFT study

Eisen-Nickel-Legierungen sind für ein ganz besonderes Verhalten ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur bekannt, das als Invar-Effekt bezeichnet wird. Wenn sie einem Temperaturgradienten innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs ausgesetzt sind, neigen diese Legierungen dazu, ihre Kristallgitterkonstante unverändert beizubehalten, im Gegensatz zu den meisten metallischen Legierungen, deren Gitter sich bei Erwärmung ausdehnt. Dieser Effekt findet in verschiedenen messtechnischen und hochpräzisen Anwendungen Verwendung. Eine exakte Theorie hinter diesem Effekt wird noch diskutiert. Diese Arbeit untersucht den Ursprung des Invar-Effekts in Eisen-Nickel-Legierungen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und eines Debye-Grüneisen-Modells. Die Dichtefunktionaltheorie wird für die Berechnung der elektronischen Struktur verwendet. Das Debye-Grüneisen-Modell wird zur Beschreibung der atomaren Schwingungen verwendet, die zur thermischen Gitterausdehnung führen. Sowohl die DFT- als auch die Debye-Grüneisen-Modell-Ergebnisse stimmen in angemessener Weise mit den vorhandenen experimentellen und theoretischen Daten zum Fe-Ni-Legierungssystem überein und zeigen, dass ein wesentlicher Beitrag zum Invar-Effekt von der magnetischen Ordnung und den damit verbundenen magnetischen Entropieeffekten stammt. Die berechneten Ergebnisse zum Koeffizienten der thermischen Gitterausdehnung wurden verwendet, um eine seit langem bestehende Diskrepanz hinsichtlich des Invar-Verhaltens von Fe30Ni70-Invar-Legierungen aufzulösen und die experimentellen Daten zu rationalisieren. Zusätzlich wurde der Elastizitätsmodul für die Legierung Fe 97 atm.% Ni 3 atm.% untersucht. Unter Verwendung einer Beziehung zwischen der Grüneisen-Konstante und der Poissonzahl wurde der Elastizitätsmodul berechnet.