Thermodynamische Eigenschaften von NiTiHf: Cluster Entwicklung und Monte-Carlo Simulation

Thomas Dengg

Thermodynamische Eigenschaften von NiTiHf: Cluster Entwicklung und Monte-Carlo Simulation

Translated title of the contribution: Thermodynamic properties of NiTiHf: Cluster expansion and Monte-Carlo simulations

Thomas Dengg

Chair of Structural and Functional Ceramics (410)

Research output: Thesis › Diploma Thesis

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Abstract

Alloys consisting of Nickel and Titanium, show the so called shape memory effect, based on a diffusion-less, martensitic transformation. Compounds showing this effect have found applications, ranging from medical technology to space engineering. By alloying the system with Hafnium, the transition temperature of the martensitic transformation can be raised. In this work the transition behaviour of the system Nickel – Titanium – Hafnium within its high temperature phase is studied, using ab-initio methods. Goal is the calculation of the systems free energy with respect to temperature and composition of the alloy. Based on a cluster expansion method (CE), the groundstate formation energy of the alloy with respect to the systems configuration has been calculated. To study the temperature dependence of the system, Monte Carlo (MC) simulations based on the CE are performed. The applied MC code is part of the ATAT (Alloy Theoretic Automated Toolkit) toolkit. Convergence tests for the parameters of the MC simulations are performed. Using the converged parameters, MC simulations for the groundstate configurations at different temperatures are done. Using the thermodynamic data obtained from MC calculations, selected regions of the phase diagram for grondstate configurations are predicted.

Translated title of the contribution	Thermodynamic properties of NiTiHf: Cluster expansion and Monte-Carlo simulations
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Supervisors/Advisors	Supancic, Peter Hans, Supervisor (internal) Spitaler, Jürgen, Co-Supervisor (internal)
Award date	28 Jun 2013
Publication status	Published - 2013

Bibliographical note

embargoed until null

Keywords

shape memory effect
ab-initio simulation
Monte Carlo
cluster expansion
Nickel-Titanium alloy
Hafnium

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Cite this

@phdthesis{f7a20c6762134da2a18616dc69c127dc,

title = "Thermodynamische Eigenschaften von NiTiHf: Cluster Entwicklung und Monte-Carlo Simulation",

abstract = "Legierungen, bestehend aus Nickel und Titan, zeigen den sogenannten Formged{\"a}chtniseffekt, dem eine diffusionslose, martensitische Umwandlung zugrunde liegt. Diese Werkstoffe finden bereits Anwendung in Bereichen der Raumfahrt und Medizintechnik. Durch Zulegieren des Elements Hafnium kann die Umwandlungstemperatur erh{\"o}ht werden. In dieser Arbeit wird das Umwandlungsverhalten innerhalb der Hochtemperaturphase des Systems Nickel – Titan – Hafnium, mittels Ab-Initio Methoden theoretisch untersucht. Ziel ist die Berechnung der freien Energie des Legierungssystems als Funktion der Temperatur und der Konzentration der Bestandteile. Im Vorfeld wurde eine Cluster Expansion (CE) durchgef{\"u}hrt, welche die Bildungsenergien des Systems als Funktion der Konfiguration am absoluten Temperaturnullpunkt beschreibt. Zur Untersuchung der Temperaturabh{\"a}ngigkeit der freien Energie, wird aufbauend auf die CE eine Monte Carlo Simulation (MC) durchgef{\"u}hrt. Der verwendete MC Code emc2 ist Teil des Programmpaketes ATAT (Alloy Theoretic Automated Toolkit). Zun{\"a}chst werden die Modellparameter der MC Simulation durch Konvergenztests ermittelt. Danach werden Berechnungen f{\"u}r die aus der CE erhaltenen Grundzust{\"a}nde bei schrittweiser Erh{\"o}hung der Temperatur durchgef{\"u}hrt. Aus den mittels der MC Simulation erhaltenen thermodynamischen Daten, wurden ausgew{\"a}hlte Bereiche des Phasendiagramms f{\"u}r die Grundzustandskonfigurationen vorhergesagt.",

keywords = "Formged{\"a}chtnis Effekt, Ab-Initio Simulation, Monte Carlo, Cluster Expansion, Nickel–Titan Legierung, Hafnium, shape memory effect, ab-initio simulation, Monte Carlo, cluster expansion, Nickel-Titanium alloy, Hafnium",

author = "Thomas Dengg",

note = "gesperrt bis null",

year = "2013",

language = "Deutsch",

type = "Diploma Thesis",

}

TY - THES

T1 - Thermodynamische Eigenschaften von NiTiHf: Cluster Entwicklung und Monte-Carlo Simulation

AU - Dengg, Thomas

N1 - gesperrt bis null

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Legierungen, bestehend aus Nickel und Titan, zeigen den sogenannten Formgedächtniseffekt, dem eine diffusionslose, martensitische Umwandlung zugrunde liegt. Diese Werkstoffe finden bereits Anwendung in Bereichen der Raumfahrt und Medizintechnik. Durch Zulegieren des Elements Hafnium kann die Umwandlungstemperatur erhöht werden. In dieser Arbeit wird das Umwandlungsverhalten innerhalb der Hochtemperaturphase des Systems Nickel – Titan – Hafnium, mittels Ab-Initio Methoden theoretisch untersucht. Ziel ist die Berechnung der freien Energie des Legierungssystems als Funktion der Temperatur und der Konzentration der Bestandteile. Im Vorfeld wurde eine Cluster Expansion (CE) durchgeführt, welche die Bildungsenergien des Systems als Funktion der Konfiguration am absoluten Temperaturnullpunkt beschreibt. Zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der freien Energie, wird aufbauend auf die CE eine Monte Carlo Simulation (MC) durchgeführt. Der verwendete MC Code emc2 ist Teil des Programmpaketes ATAT (Alloy Theoretic Automated Toolkit). Zunächst werden die Modellparameter der MC Simulation durch Konvergenztests ermittelt. Danach werden Berechnungen für die aus der CE erhaltenen Grundzustände bei schrittweiser Erhöhung der Temperatur durchgeführt. Aus den mittels der MC Simulation erhaltenen thermodynamischen Daten, wurden ausgewählte Bereiche des Phasendiagramms für die Grundzustandskonfigurationen vorhergesagt.

AB - Legierungen, bestehend aus Nickel und Titan, zeigen den sogenannten Formgedächtniseffekt, dem eine diffusionslose, martensitische Umwandlung zugrunde liegt. Diese Werkstoffe finden bereits Anwendung in Bereichen der Raumfahrt und Medizintechnik. Durch Zulegieren des Elements Hafnium kann die Umwandlungstemperatur erhöht werden. In dieser Arbeit wird das Umwandlungsverhalten innerhalb der Hochtemperaturphase des Systems Nickel – Titan – Hafnium, mittels Ab-Initio Methoden theoretisch untersucht. Ziel ist die Berechnung der freien Energie des Legierungssystems als Funktion der Temperatur und der Konzentration der Bestandteile. Im Vorfeld wurde eine Cluster Expansion (CE) durchgeführt, welche die Bildungsenergien des Systems als Funktion der Konfiguration am absoluten Temperaturnullpunkt beschreibt. Zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der freien Energie, wird aufbauend auf die CE eine Monte Carlo Simulation (MC) durchgeführt. Der verwendete MC Code emc2 ist Teil des Programmpaketes ATAT (Alloy Theoretic Automated Toolkit). Zunächst werden die Modellparameter der MC Simulation durch Konvergenztests ermittelt. Danach werden Berechnungen für die aus der CE erhaltenen Grundzustände bei schrittweiser Erhöhung der Temperatur durchgeführt. Aus den mittels der MC Simulation erhaltenen thermodynamischen Daten, wurden ausgewählte Bereiche des Phasendiagramms für die Grundzustandskonfigurationen vorhergesagt.

KW - Formgedächtnis Effekt

KW - Ab-Initio Simulation

KW - Monte Carlo

KW - Cluster Expansion

KW - Nickel–Titan Legierung

KW - Hafnium

KW - shape memory effect

KW - ab-initio simulation

KW - Monte Carlo

KW - cluster expansion

KW - Nickel-Titanium alloy

KW - Hafnium

M3 - Diplomarbeit

ER -