Freie Enthalpie binärer metallischer Legierungsschmelzen: Molekulardynamik Simulationen für NixZr1-x

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Ermittlung der freien Enthalpie computermodellierter binärer metallischer Legierungsschmelzen auf Basis der Molekulardynamik vorgestellt. Dabei wird zunächst die Entropie und freie Enthalpie für geordnete intermetallische kristalline Phasen der Zusammensetzungen AxB1-x im Temperaturbereich von weit unterhalb ihres Schmelzpunktes bis zum Schmelzpunkt bestimmt. Mit Kenntnis der Schmelzwärme und der spezifischen Wärmekapazität der Schmelze wird dann die Entropie und freie Enthalpie der entsprechenden AxB1-x-Schmelze ermittelt. Weiter wird für die Bestimmung der freien Enthalpie der Schmelzen beliebiger Zusammensetzung AxB1-x ein Verfahren entwickelt, das -- ähnlich der elektrochemischen Messung der Aktivität von Legierungen -- die Reaktion des Systems auf äußere Hilfspotentiale ausnutzt. An einem Ni-Zr-Modell nach Hausleitner und Hafner [Physical Review B, 1992] werden die einzelnen Schritte dieses Verfahrens durchgeführt und so die freie Enthalpie und Entropie der NixZr1-x-Schmelzen ermittelt. Als Test der erhaltenen freien Enthalpie wird daraus die Liquiduskurve zwischen Schmelze und Zr-Kristall bestimmt. Sie zeigt sehr gute Übereinstimmung mit der aus entsprechenden Schichtpaketsimulationen erhaltenen Liquiduskurve. Die Konstruktion des Zr-reichen Teils des Ni-Zr-Phasendiagramms stimmt mit dem experimentellen Phasendiagramm vor allem hinsichtlich der eutektischen Zusammensetzungen ebenfalls sehr gut überein. Mit dem vorliegenden Verfahren lässt sich also die Ermittlung der freien Enthalpie MD-simulierter, dichter, binärer, metallischer Fluide durchführen.