Skip to main content
SUPERVISOR
Mahdi Javanbakht,Saeed ZeiaeiRad
مهدی جوان بخت (استاد مشاور) سعید ضیائی راد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Saeed Talaei Pashiri
محمدسعید طلائی پاشیری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Effect of Grain Boundary on Mechanical Properties of Nano-Crystalline Iron Using Molecular Dynamics
In this thesis, grain boundary effects on nanoindentation of Fe bicrystal using molecular dynamic was investigated. Particularly, mechanical properties of iron bicrystal with ?5 grain boundary were calculated by molecular dynamic simulation of nanoindentation. The spherical shape indenter was used for nanoindentation. An embedded atom method interatomic potential for Fe was used for this simulation. Grain boundary effect was investigated by performing indentation simulation at different distances from the grain boundary. The effect of grain boundary on the elastic modulus, maximum shear stress and hardness of Fe bicrystal was investigated. Several load drops were detected from the obtained loading curves. These load drops are the result of the initiation of dislocation nucleation and so the transition from purely elastic to elastic- plastic deformation. The results also indicate that the maximum shear stress on the grain boundary is lower than its value far from the grain boundary. A brief dislocation reaction analysis is performed on some simulation snapshots. In addition, an algorithm was proposed and used for implementation of EAM force field on GPUs which is faster than its similar CPU codes. In the following, the grain boundary energy of symmetric and asymmetric iron bicrystals is calculated for ?3, ?9 boundaries with ?110? tilt axis and ?5 with 100 tilt axis using molecular dynamics simulations with the embedded-atom method potential. A modified method for creating grain boundary atomic structure is proposed that has sufficient accuracy and its computation cost will be considerably lower than the previously used methods. The effect of three parameters namely rigid body movement, overlapping distance, and reduction side is investigated and compared to previous studies and the optimal parameters are introduced which leads to a better performance in bicrystal modeling. Keywords : Symmetric and asymmetric grain boundary, Nano-indentation, Mechanical properties, Grain boundary energy, Molecular dynamics
اکثر مواد مهندسی مورد استفاده در عصر کنونی، مواد چند بلوری هستند. انرژی مرزدانه در تحرک مرزها نقش مهمی ایفا می نماید. مرزهای کم انرژی انطباقی (مرزهای با مقادیر سیگمای کم) مقاومت خوبی در برابر تشکیل ترک نشان می‌‌دهند. در حالی که جوانه زنی و رشد ترک از همان مراحل اولیه غالبا در مرزهای معمولی اتفاق می افتد. همچنین با استفاده از کنترل ریزساختار مرزدانه‌ها می‌توان رشد ترک خستگی را نیز کنترل نمود. انرژی مرزدانه یکی از پارامترهای موثر مرز است که بر رفتار مکانیکی ماده و همچنین در رشد دانه اثر گذار است. در این پایان نامه به بررسی انرژی مرزدانه‌‌های متقارن و غیر متقارن S3, S5, S9 در آهن با ساختار مرکز پر پرداخته شده است. از آنجایی که مرزدانه‌‌های با انرژی کمتر به عنوان مرز پایدار شناخته می‌‌شوند، جهت اطمینان از مدل سازی صحیح مرز، انرژی مرز به عنوان پارامتر کنترلی در ایجاد مدل مرز پایدار لحاظ گردید. روش مورد استفاده در این پایان نامه روش دینامیک مولکولی بوده است. پتانسیل مورد استفاده از نوع پتانسیل اتم جای دهی شده (EAM) است. روش جدیدی برای ایجاد مرز پایدار و کم انرژی نیز معرفی گردید که نسبت به روش های قبلی با تعداد کمتری شبیه سازی قادر به ایجاد مدل است. تأثیر سه پارامتر حرکت صلب دو کریستال نسبت به هم، فاصله همپوشانی و اثر مدل کاهش یافته راست یا چپ بررسی و با مطالعات قبلی مقایسه گردید و پارامترهای بهینه معرفی شدند. مشاهده شد که حداقل انرژی برای هر مرز دانه در اطراف یک پارامتر با همپوشانی خاص در هر CSL رخ می‌دهد و نیازی به جستجوی گستره وسیعی از پارامتر هم پوشانی برای ساختار مرز پایدار وجود ندارد. در ادامه با شبیه سازی نانوفروبرش با استفاده از روش دینامیک مولکولی بر روی مرزهای متقارن و نامتقارن S3, S5, S9 به بررسی خواص مکانیکی مانند تنش برشی ماکزیمم شروع نابجایی در ماده و مدول یانگ ماده پرداخته شد. اثر فاصله از مرز در این تحقیق بر روی این پارامتر‌ها با استفاده از فروبرش در فواصل مختلف از مرز مورد بررسی قرار گرفت. همچنین اثر مرز در فواصل مختلف بر روی نمودار نیرو-جابه‌جایی فرورونده بررسی گردید. اثرات افت نیرو بر روی نمودارها بررسی شد که این افت نیروها ناشی از شروع نابجایی در ماده و تغییر از ناحیه الاستیک به پلاستیک توصیف گردید. دو روش مختلف برای محاسبه ثابت های الاستیک و تنش برشی شروع تسلیم بررسی شد. در صورت استفاده از مقدار شعاع تماس محاسبه شده نسبت به زمانی که از مقدار عمق کلی فرورونده استفاده می شود، مقدار مدول یانگ تفاوت چندانی ندارد. نتایج نشان داد که تنش برشی شروع تسلیم در زیر فرورونده در حدود استحکام برشی ایده آل ماده است. همچنین نتایج نشان می دهد که حداکثر تنش برشی در مرز دانه کمتر از مقدار آن در فواصل دور از مرز دانه است. علت این امر ناشی از وجود مرزدانه به عنوان عیب و منشایی برای کمک به ایجاد نابجایی می‌باشد. تجزیه و تحلیل واکنش نابجایی ها به طور مختصر در برخی از گام های شبیه سازی انجام شد. عبور نابجایی از مرزدانه در حین شبیه سازی نانوفروبرش در برخی مرزدانه ها مشاهده شد. تعامل نابجایی با مرز نیز با استفاده از بررسی بردار برگرزهای رسیده به مرز انجام شد و همچنین ایجاد قفل‌‌نابجایی کوترل در اثر تعامل نابجایی‌‌های به وجود آمده با خود در حین فرایند نانوفروبرش بررسی گردید. در مرزهای نامتقارن فروبرش در هر دو سمت مرزدانه شبیه سازی گردید. کلمات کلیدی : مرزدانه متقارن و نامتقارن، نانوفروبرش، خواص مکانیکی، انرژی مرزدانه، دینامیک مولکولی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی