عنوان
مدل‌سازي چندميدان‌فازي رشد دانه در فلزات نانوبلوري
نويسنده اصلي
ورشابي، نيلوفر
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
مقطع تحصيلي
دكتري
چكيده
خواص مكانيكي مواد بلوري به‌شدت تحت تأثير ساختار دانه قرار دارد و اين تأثير در حالت نانوبلوري اهميت ويژه‌اي پيدا مي‌كند. ريزساختار درون يك چندبلوري از طريق حركت مرزدانه‌ها كه با كاهش انرژي آزاد كل سيستم همراه است، تكامل مي‌يابد. بنابراين، تغيير در خواص مكانيكي با آغاز رشد دانه قابل انتظار است. مطالعه‌ي رشد دانه در مواد نانوبلوري، كه در آن مرزدانه بخش قابل توجهي از حجم كل دانه را تشكيل مي‌دهد، بينش‌هاي جديدي در مورد ماهيت و خواص مرزدانه‌ها فراهم مي‌آورد. در اين رساله، يك رويكرد محاسباتي نوين با تلفيق يك روش اجزاي محدود جهت تحليل تعادل ماكروسكوپي و يك روش ميدان فاز براي شبيه‌سازي تكامل ريزساختار توسعه داده شد. اين رويكرد، تبادل داده‌ي كارآمد دوطرفه و هم‌زمان بين نقطه‌هاي انتگرال‌گيري در روش اجزاي محدود و نقطه‌هاي شبكه در روش ميدان فاز را امكان‌پذير مي‌سازد. همچنين، در اين راستا تأثير حجم آزاد اضافي مرزدانه در رفتار ترموديناميكي و حركت مرزدانه‌ها به‌طور صريح در مدل لحاظ گرديد. هدف از اين توسعه، ارائه‌ي يك چارچوب محاسباتي براي بررسي ريزساختار و تكامل بافت در فلزات نانوبلوري و ايجاد يك نظريه‌ي پديدارشناختي سازگار با ترموديناميك، به‌منظور توصيف دقيق رشد دانه و حركت مرزدانه در فلزات نانوبلوري بود. در اين راستا، يك مدل ساختاري سه‌بعدي براي شبيه‌سازي حركت مرزدانه، با در نظر گرفتن حجم آزاد اضافي يا انبساط مرزدانه، بر اساس قوانين ترموديناميكي توسعه داده شد. فرضيات حاكم بر نظريه‌ي ساختاري شامل چشم‌پوشي كردن از نيروهاي اينرسي/حجمي، در نظر گرفتن فرآيند تحت شرايط همدما، ناديده گرفتن اثرات سطوح خارجي بر حركت مرزدانه، توسعه‌ي معادلات ساختاري بر اساس اصول ترموديناميك و نظريه‌ي تعادل نيروهاي ميكرو در هيأت مرجع و عدم در نظر گرفتن حجم آزاد اضافي مرزدانه به‌عنوان يك فاز مجزا مي‌باشد. همچنين كرنش ويژه‌ي ناشي از انبساط مرزدانه به‌صورت همسانگرد فرض شده و مكانيزم نفوذ در ايجاد آن نقشي ندارد. علاوه بر اين، ضخامت مرزدانه مقداري ثابت در نظر گرفته شده و انرژي مرزدانه نيز به‌صورت يك كميت اسكالر و مستقل از جهت‌گيري فرض مي‌شود. معادلات ساختاري مورد نياز ابتدا استخراج و سپس از طريق نگارش يك زيربرنامه در نرم‌افزار اجزاي محدود آباكوس پياده‌سازي شدند. اين رويكرد، روش ميدان فاز براي مهاجرت مرزدانه تحت تنش را با محاسبات تعادل تنش در چارچوب روش اجزاي محدود تلفيق مي‌كند. درستي و دقت مدل پيشنهادي از طريق مقايسه‌ي نتايج شبيه‌سازي با راه‌حل‌هاي تحليلي براي مرزدانه‌ي دايره‌اي در يك مدل دوبلوري مورد تأييد قرار گرفت. افزون بر آن، مدل توسعه‌يافته براي شبيه‌سازي داده‌هاي تجربي ديلاتومتري مس نانوبلوري به‌كار گرفته شد كه نه‌تنها امكان كاليبراسيون دقيق مدل را فراهم كرد، بلكه درك بهتري از نقش حجم آزاد اضافي مرزدانه در فرآيند رشد دانه ارائه داد. شبيه‌سازي‌ها نشان داد كه آزادسازي حجم آزاد اضافي مرزدانه در طول رشد دانه باعث ايجاد تنش‌ها و كرنش‌هاي پسماند در ساختار نانوبلوري مس مي‌شود. هرچند اين مقادير اندك هستند، اما با كرنش‌هاي خطي ديده‌شده در داده‌هاي تجربي قابل مقايسه‌اند. اين نتايج نقش كليدي حجم آزاد اضافي مرزدانه را در مهاجرت مرزدانه و تكامل ريزساختاري مواد نانوبلوري برجسته مي‌كنند و بينش‌هاي ارزشمندي را در مورد تأثيرات انبساط مرزدانه بر تكامل ريزساختار مواد نانوبلوري فراهم كرده و مي‌توانند مبناي مهمي براي طراحي مواد با خواص مكانيكي بهينه باشند.
شماره ركورد
237608
گرايش رشته تحصيلي
طراحي كاربردي
دانشكده
مهندسي مكانيك
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان