مدل‌سازي ميدان فاز برهم‌كنش ميان ترك و استحاله فازي مارتنزيتي دو ورينته در آلياژ نيكل آلومينيوم

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

استحاله فازي مارتنزيتي به عنوان يك تحول ساختاري مرتبه اول، نقشي حياتي در تعيين رفتار مكانيكي مواد پيشرفته و آلياژهاي حافظه‌دار از جمله نيكل آلومينيوم ايفا مي‌كند. اين استحاله كه با تغيير در شبكه كريستالي همراه است، منجر به ايجاد نانوساختارهاي پيچيده‌اي مانند دوقلويي‌ها شده كه مستقيماً بر خواص چقرمگي و مقاومت به شكست ماده تأثير مي‌گذارند. يكي از پيچيده‌ترين مسائل در اين حوزه، درك چگونگي تعامل ميان اين استحاله و پديده شكست است؛ چرا كه تمركز تنش در لبه‌هاي ترك مي‌تواند محركي براي شروع استحاله فازي باشد و از سوي ديگر، تشكيل فازهاي جديد با تغيير در توزيع انرژي الاستيك، مسير و سرعت رشد ترك را دستخوش تغييرات جدي مي‌كند. هدف اصلي اين پژوهش، مدل‌سازي عددي و تحليل دقيق اين برهم‌كنش دوجانبه در آلياژ تك‌كريستال نيكل-آلومينيوم با در نظر گرفتن دو ورينت مارتنزيتي است تا مكانيزم‌هاي بازدارنده شكست در مقياس نانو شناسايي شوند. در اين پژوهش از روش ميدان فاز به عنوان يك ابزار قدرتمند محاسباتي براي توصيف فصل‌مشترك‌هاي متحرك استفاده شده است. بر خلاف روش‌هاي كلاسيك كه نياز به رديابي صريح مرزها دارند، در اين رويكرد از پارامترهاي مشخصه براي تمايز ميان فازهاي مختلف و حالت‌هاي شكست بهره گرفته شده است. چارچوب ترموديناميكي اين مدل بر پايه نظريه پيوسته گينزبرگ-لاندا بنا نهاده شده است كه در آن دو معادله ميدان فاز غيرخطي براي توصيف هم‌زمان دو ورينت مارتنزيتي و يك معادله ميدان فاز شكست با معادلات الاستيسيته كوپل شده‌اند. نوآوري كليدي در اين مدل‌سازي، لحاظ كردن اثرات برهم‌كنش ورينت‌ها با يكديگر در حضور يك ناپيوستگي يعني ترك است كه به درك بهتر پديده خودسازگاري در مواد تغيير شكل‌دهنده فازي كمك مي‌كند. فرآيند پياده‌سازي عددي اين مدل پيچيده با استفاده از روش المان محدود در نرم‌افزار محاسباتي كامسول انجام گرفته است. جهت اطمينان از صحت مدل توسعه‌يافته، نتايج اوليه شبيه‌سازي در زمينه‌هايي نظير محاسبه زواياي تعادلي فصل مشترك فازي و نحوه تشكيل ساختارهاي دوقلويي با داده‌هاي تحليلي و عددي موجود در ادبيات فن مورد مقايسه و اعتبارسنجي دقيق قرار گرفت كه انطباق بسيار بالايي را نشان داد. بخش قابل توجهي از اين تحقيق به واكاوي نتايج حاصل از شبيه‌سازي‌ها در شرايط مختلف بارگذاري و دمايي اختصاص يافته است. تحليل‌هاي انجام شده در دماهاي مختلف نشان داد كه دما نقشي تعيين‌كننده در پايداري فازها و رقابت ميان انرژي شيميايي و انرژي الاستيك ايفا مي‌كند. نتايج حاكي از آن است كه در نزديكي نوك ترك، به دليل تمركز شديد تنش‌هاي كششي، جوانه‌زني ورينت‌هاي مارتنزيتي به‌صورت ترجيحي رخ مي‌دهد. اين ناحيه استحاله‌يافته با جذب بخشي از انرژي مكانيكي صرف شده براي شكست، منجر به پديده چقرمگي‌افزايي ناشي از استحاله مي‌گردد. در واقع، تشكيل فاز مارتنزيت در اطراف ترك باعث بازتوزيع تنش و كاهش شدت آن در نوك ترك مي‌شود كه اين امر شروع پيشروي ترك را به تأخير مي‌اندازد. همچنين در بارگذاري‌هاي دومحوره، مشاهده گرديد كه آرايش ورينت‌ها و الگوي دوقلويي‌ها نسبت به بارگذاري تك‌محوره تغيير يافته و مسير انتشار ترك تمايل دارد از ميان مرزهاي فازي با انرژي كمتر عبور كند. در نهايت، يافته‌هاي اين پايان‌نامه اثبات مي‌كند كه برهم‌كنش ميان ميدان فاز ترك و پارامترهاي مشخصه استحاله فازي، يك مكانيزم كنترلي دقيق براي پيش‌بيني رفتار تخريبي مواد هوشمند فراهم مي‌آورد. نتايج نشان داد كه در دماهاي پايين، تشكيل ساختارهاي دوقلويي متناوب به دليل توزيع گسترده‌تر تنش، كارايي بيشتري در مهار ترك دارند. همچنين مشاهده شد كه در سطوح بالاي بارگذاري، ترك مي‌تواند به درون فازهاي مارتنزيت نفوذ كرده و مسير آن توسط چيدمان هندسي ورينت‌ها هدايت شود. اين پژوهش ضمن ارائه يك مدل محاسباتي جامع براي سيستم‌هاي چندورينته، بينش جديدي درباره نقش نانوساختارهاي مارتنزيتي در بهبود چقرمگي شكست ارائه مي‌دهد كه مي‌تواند در طراحي متالورژيكي آلياژهاي پيشرفته با طول عمر بالاتر و مقاومت بيشتر در برابر شكست‌هاي ناگهاني مورد استفاده قرار گيرد.

237255

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان