مدل‌سازي و شبيه‌سازي رفتار سوپر الاستيك آلياژ حافظه‌دار NiTi

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

آلياژهاي حافظه‌دار به دليل خواص سوپرالاستيك و حافظه‌داري آن‌ها در صنايع مختلف كاربرد فراوان داشته و بسيار مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته‌اند. دما و كرنش استحاله مارتنزيتي، اصلي‌ترين عوامل تأثيرگذار بر خواص اين آلياژها هستند و از شبيه‌سازي به روش ديناميك مولكولي براي شناخت تأثير اين عوامل بر خواص اين آلياژ استفاده مي‌شود. ازين رو توسعه مدل‌هاي جديد و افزايش دقت آن‌ها در شبيه‌سازي مقياس اتمي اين آلياژ اهميت زيادي بر تحقيقات در اين زمينه دارد. به تازگي پتانسيل‌هاي اتمي داده‌محور جديدي معرفي شده‌اند كه با استفاده از شبكه عصبي مي‌توانند نتايج شبيه‌سازي را بهبود بخشند. با اين حال، تحقيقات كمي با بهره‌گيري از اين پتانسيل‌ها انجام شده و تأثير عوامل ريزساختاري بر حدود استحاله مارتنزيتي بررسي نشده است. بررسي خواص استحاله مكانيكي و دمايي فاز آستنيت مي‌تواند به اطمينان از اعتبار اين مدل‌هاي نوين كمك كند. از همين رو، در اين پژوهش با دو نگاه ظرفيت سنجي و بررسي عميق‌تر به مطالعه تأثير حضور مرزدانه در همسايگي چيدمان ايده‌آل ساختار آستنيتي پرداخته شده‌است. قدم اول در انجام اين پژوهش، ساخت نانوستون‌هايي مكعبي به عرض 2 نانومتر و ارتفاع‌هاي متفاوت به شكل 2 دانه‌اي است كه در مشخصه‌يابي خواص حرارتي و مكانيكي مورد استفاده قرار گرفته‌است. به منظور مطالعه اين خواص ابتدا نمونه‌هاي مختلف با هدف سنجش و مطابقت با تحقيقات پيشين تحت چرخه سرمايش و گرمايش قرار گرفته‌اند. پس از تطبيق دماهاي مرزي استحاله‌ي حرارتي با تحقيقات پيشين و در نتيجه راستي‌آزمايي مدل مورد استفاده حاصل شد. سپس به مطالعه بارگذاري مكانيكي در جهت [001] كريستالي در نمونه‌هاي دو دانه‌اي پرداخته شد. همانا نمونه‌هاي دو دانه‌اي مذكور با اعمال تنش به شكل عمود بر مرزدانه تحت استحاله‌ي كرنشي مارتنزيتي قرار گرفته و شرايط مرزي آن‌ها بررسي شده است. به علاوه در طول تغيير دما و اعمال كرنش، چيدمان اتمي توسط روش‌هاي تطبيق چندوجهي معين و تابع توزيع چگالي اتمي مورد بررسي قرار گرفته‌است كه نتايج به دست آمده، گوياي هماهنگي تغيير مسير استحاله كرنشي و وابستگي آن به اندازه دانه با نتايج تجربي است. اين تغيير در بازه اندازه دانه 16 تا 20 نانومتري صورت مي‌پذيرد. در نتيجه، دماهاي استحاله حرارتي آستنيت به مارتنزيت و بالعكس با اطمينان پذيري بالا نسبت به تحقيقات پيشين حل عددي و حجم محاسباتي به شدت كمتر به دست آمده است. در ادامه تنش و كرنش آغاز و پايان استحاله مكانيكي و مدول الاستيك فاز آستنيت به دست آمده و تأثير مستقل حداكثر فاصله از مرز بر نمودار تنش كرنش مورد بحث قرار گرفته است. در پايان با استفاده از آناليز عيوب وگنز-زيتس نمونه‌هاي موجود، ارتباط اين عيوب با يافته‌هاي پيشين كرنش پسماند چرخه هاي كرنشي بررسي شده است. نتايج برجسته اين پژوهش را مي‌توان به دوبخش تقسيم كرد.: 1-استفاده از مدل نانوستون دو دانه‌اي مي‌تواند با حجم محاسبات بسيار كمتر از شبيه‌سازي‌هاي پيشين به يافتن با دقت بالاي تأثير اندازه دانه بر دماي استحاله منجر شود. 2- تأثير اندازه دانه بر تغيير مكانيزم استحاله مكانيكي با موفقيت شبيه‌سازي شده و تطبيق آن با تحقيقات تجربي پيشين نشان از درستي نتايج به دست آمده دارد. 3- ديناميك مولكولي با استفاده از پتانسيل‌هاي بين اتمي داده‌محور دقت و توانايي بالايي در شبيه‌سازي اين مواد داشته و توسعه هرچه بيشتر اين مدل‌ها به كاهش قابل توجه حجم محاسبات و افزايش دقت و تعميم پذيري نتايج شبيه‌سازي ديناميك مولكولي منجر شود.

232785

شناسايي و انتخاب مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان