Skip to main content
SUPERVISOR
Masoud Panepour,Gholamreza Aryanpour
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) غلامرضا آريانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sayyed Ali Sabeti Varzane
سيدعلي ثابتي ورزنه

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Thermodynamic Study of Grain Growth in Nanocrystalline Structure of Metals with Atomistic Simulations
Thermodynamic Study of Grain Growth in Nanocrystalline Structure of Metals with Atomistic Simulations In recent years, the importance of nanocrystals has attracted the attention of many researchers. The reason is the unique properties of nanocrystals compared with conventional materials. The main origin of their excellent properties is the high fraction of grain boundaries and consequently high energy content. On the other hand, these materials have no proper stability even at room temperature and reduce their energy through grain growth. Therefore, thermodynamic study of the grain growth and research about how we can stop this process and stabilize the nanocrystals to keep their unique properties, are very important. In this research, for the study of grain growth process in nanocrystalline metals, the dilated crystal model was used to obtain grain boundary’s thermodynamic parameters. Then, the free energy of grain boundary was calculated versus excess volume for nanocrystalline Palladium, using Equation of State (EOS), Quasi-harmonic Debye Approximation (QDA) and Song’s models. Plotting of thermodynamic diagrams based on EOS and Song’s models showed that by reducing the grain size of Palladiumtoa critical value, the nanocrystal becomes metastable and the grain growth stops. But, based on QDA model, the stoppage of grain growth was impossible. To evaluate these results, Monte Carlo and molecular dynamics simulation methods were used. Results of both methods, confirmed the predictions of EOS and Song’s models and rejected the results of QDA model. Also, the study of temperature effect on the mentioned diagrams showed that by the increase of the temperature, the critical grain size is increased and the stoppage of grain growthis facilitated. Subsequent simulation results confirmed this procedure and showed that EOS model has more accurate predictions compared with Song’s model. Then, the critical temperatures of nanocrystalline Palladium for the stoppage of grain growth in each grain size was calculated using simulation. Also, comparing these results with the EOS results, a modified equation was proposed for the correlation of the critical excess volume and the critical grain size. To ensure the results obtained from the performed simulations, poly-crystal simulations also was carried out via two different methods and the results showed that Voronoi tessellation method for the generation of poly-crystals has no proper outcome suitable for grain growth simulations, but the results of melt growth method matches the previous results. Finally, the grain growth in poly-crystalline iron was simulated. The results showed that the Palladium’s obtained results are true for iron, too.
چکيده در سال هاي اخير اهميت موضوع نانوکريستال ها در حدي بوده است که توجه اغلب محققين را به خود جلب کرده است. علت اين امر خواص منحصر بفردي است که در نانوکريستال ها نسبت به مواد متعارف مشاهده مي شود. منشا اصلي ويژگي ها و خواص بسيار مناسب مواد نانوکريستال، وجود حجم بالاي مرز دانه در اين مواد و انرژي دروني بالاي حاصل از آن است. از طرف ديگر همين عامل باعث مي شود اين مواد پايداري خوبي حتي در دماهاي معمولي نداشته باشند و با رشد دانه، انرژي سيستم را کاهش دهند. به همين دليل، بررسي فرايند رشد دانه از منظر ترموديناميکي و تحقيق در مورد نحوه جلوگيري از اين فرايند و پايدارسازي نانوکريستال ها به منظور حفظ خواص منحصربفرد آن ها، از اهميت بالايي برخوردار است. در اين تحقيق، براي مطالعه فرايند رشد دانه در مواد نانوکريستال، از مدل کريستال منبسط شده براي بدست آوردن پارامترهاي ترموديناميکي مرزدانه استفاده گرديد. سپس با استفاده از روش‌هاي معادله حالت (EOS)، تقريب شبه‌هارمونيک دباي (QDA) و مدل سانگ، انرژي آزاد قسمت مرز دانه بر حسب پارامتر حجم اضافي محاسبه شد. با رسم نمودارها بر اساس مدل هاي EOS و سانگ مشخص شد که با کاهش زياد اندازه دانه و عبور از يک مقدار بحراني، نانوکريستال به يک حالت شبه پايدار مي رسد و رشد دانه متوقف مي گردد. اما بر اساس مدل QDA امکان توقف رشد دانه وجود نداشت. براي ارزيابي اين نتايج از روش هاي شبيه سازي اتمي مونت کارلو و ديناميک مولکولي استفاده گرديد. نتايج هر دو شبيه سازي، پيش بيني مدل هاي EOS و سانگ را تاييد و نتايج حاصل از مدل QDA را رد کردند. در ادامه، اثر دما بر منحني هاي مذکور مورد بررسي قرار گرفت و مشخص شد افزايش دما مقدار اندازه دانه بحراني را افزايش داده و توقف رشد دانه را تسهيل مي کند. نتايج شبيه سازي هاي بعدي نيز علاوه بر تاييد اين روند، نشان دادند مدل EOS پيش بيني هاي دقيق تري در مقايسه با مدل سانگ دارد. سپس به کمک شبيه سازي، دماهاي بحراني براي توقف رشد دانه در هر اندازه دانه در نانوکريستال پالاديم استخراج شد. همچنين با مقايسه اين نتايج با نتايج حاصل از مدل EOS، يک رابطه اصلاحي براي ارتباط بين پارامتر حجم اضافي بحراني و اندازه دانه بحراني ارائه گرديد. همچنين براي اطمينان از نتايج به دست آمده در شبيه سازي هاي انجام شده، شبيه سازي در پلي کريستال نيز با دو روش متفاوت صورت گرفت که نتايج نشان داد روش مفروش سازي ورونوي براي ساخت پلي کريستال، در مطالعات مربوط به رشد دانه نتايج درستي ارائه نمي دهد، در صورتي که روش رشد از حالت مذاب نتايجي منطبق با نتايج قبلي دارد. در نهايت، رشد دانه در پلي کريستال آهن شبيه سازي شده و مشخص گرديد نتايج به دست آمده در مورد پالاديم، براي آهن نيز صادق هستند. کلمات کليدي: فلزات نانوکريستال، ترموديناميک رشد دانه، مدل معادله حالت، مدل تقريب شبيه هارمونيک دباي، مدل سانگ، شبيه سازي مونت کارلو، شبيه سازي ديناميک مولکولي

ارتقاء امنیت وب با وف بومی