Skip to main content
SUPERVISOR
Masoud Panepour,Gholamreza Aryanpour
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) غلامرضا آریانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amin Salati
امین سلاطی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386
Nanocrystalline (NC) materials are referred to those polycrystalline materials having a crystallite (grain) size usually inferior to 100 nm. Thermodynamic properties of NC materials are essentially different from conventional coarse-grained materials (with the same chemical composition). As the grain size is inferior to 100 nm, the role of grain boundary is very important in the characterization of thermodynamic functions and thermal properties of NC materials. Therefore, traditional thermodynamics being applied for coarse-grained materials is not applicable for NC materials. In order to deal with the thermodynamics of NC materials, a dilated crystal model is proposed and equation of state (EOS) and quasiharmonic Debye approximation (QDA) methods are used to calculate thermal properties of the grain boundaries. In this study, QDA and EOS methods are used to calculate Gi free energy in NC Fe. Since the Gi free energy for Fe, predicted by EOS and QDA methods, have an inaccurate (especially at temperatures higher than the ambient temperature), a term called as ?G Excess is proposed to modify the results. Thus, the modified QDA (MQDA) and modified EOS (MEOS) methods are introduced. Thereafter, the change in Gi free energy for ?-Fe to ?-Fe phase transformation (?G ??? ) via the grain size is calculated by MQDA and MEOS methods. The results obtained by the two methods are also compared and discussed. Then, the critical grain size, at which ?G ??? = 0, can be estimated at different temperatures and it is found that the allotropic transformation temperature would increase with increasing grain size. Because of same prediction by MQDA and MEOS method, the MEOS method (instead of EOS method) is used to calculate the total Gi free energy of each phase (?-Zr or ?-Zr and ?-Ti or ?-Ti) in NC Zr and Ti. Thereupon, the change in the total Gi free energy for ? to ? phase transformation (?G ??? ) via the grain size is calculated by this method. Similar to polymorphic transformation in other NC materials, the estimated transformation temperature in NC Zr and Ti (???) is reduced with decreasing grain size. Moreover, to predict accurate thermodynamics properties, MD simulation is used for studying structure of grain boundary in NC Fe and the changes of quantitative parameters of grain boundaries (such as excess volume and grain boundary thickness) versus grain size and temperature is survived. These results are demonstrated that the quantitative parameters of grain boundaries are not related to grain size and these parameters is related to temperature. Finally, with quantitative parameters obtained by this structure study, the changes of allotropic transformation temperature are studied. Comparison with experimental results is shown that these outcomes have a better coincidence.
نانوکریستال‌ها دسته‌ای از مواد پلی‌کریستال هستند که اندازه دانه در آن‌ها کمتر از 100 نانومتر است. به دلیل کوچک شدن اندازه دانه‌ها در این مواد، کسر اتم‌های مربوط به مرزدانه‌ها در مقایسه با پلی‌کریستال‌های معمولی به شدت افزایش می‌یابد. این افزایش در کسر اتمی، سبب ایجاد خواص منحصر به فردی در این دسته از مواد می‌شود، به طوری که خواص مکانیکی، فیزیکی و ترمودینامیکی این مواد با پلی‌کریستال‌های معمولی متفاوت است. خواص ترمودینامیکی یکی از خواص مورد بحث در مواد نانوکریستال است که توجه محققان مختلفی را به خود جلب نموده است. بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد که ترمودینامیک کلاسیک، قابلیت توجیه رفتارهای ترمودینامیکی غیرمعمول موجود در نانوکریستال‌ها را ندارد. برای مثال، افزایش ظرفیت گرمایی ویژه و یا کاهش دمای ذوب و دمای استحاله‌های آلوتروپیک را نمی‌تواند پیش‌بینی نماید. در این تحقیق، برای مطالعه خواص ترمودینامیکی مواد نانوکریستال، دمای استحاله آلوتروپیک عناصر فلزی مورد بررسی قرار گرفت. به همین منظور از مدل کریستال منبسط شده برای بدست آوردن پارامترهای ترمودینامیکی مرزدانه استفاده گردید. سپس با استفاده از روش‌های معادله حالت ( EOS ) و تقریب دبای شبه‌هارمونیک ( QDA )، انرژی آزاد قسمت مرز بر حسب پارامتر حجم اضافی محاسبه شد. نتایج محاسبات نشان داد که روش‌های مذکور، در دماهای بالا (نزدیک به دمای انجام استحاله) دارای عدم دقت هستند. جهت رفع این مشکل، پارامتر اختلاف انرژی آزاد اضافی برای مرزدانه معرفی گردید و روش‌های مذکور اصلاح گردیدند. در ادامه با استفاده از این روش ها و فرضیات موجود برای قسمت مرز، تغییرات دمای استحاله در نانوکریستال آهن مبتنی بر روش‌های EOS و QDA بر حسب دما رسم و مورد مقایسه قرار گرفتند و مشخص گردید که نتایج حاصل از این روش‌ها از انطباق قابل قبولی برخوردار می‌باشند. سپس با استفاده از روش معادله حالت اصلاح شده، دمای استحاله آلوتروپیک در عناصر تیتانیوم و زیرکونیوم نیز بر حسب دما بررسی گردید و نتایج مشابه با نتایج حاصله از نانوکریستال آهن، بدست آمد. به دلیل عدم وجود تجهیزات آزمایشگاهی مناسب، از روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی برای تایید نتایج بدست آمده استفاده گردید. علاوه بر این، از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، برای بررسی ساختار مرزدانه در نانوکریستال آهن (جهت پیش‌بینی دقیق‌تر ترمودینامیکی) استفاده شد و تغییرات پارامترهای کمی مرز (مانند حجم اضافی و ضخامت مرز) بر حسب اندازه دانه و دما مطالعه شد. نتایج بدست آمده از بررسی ساختار مرز در نانوکریستال آهن نشان داد که مدل کریستال منبسط شده، مدل مناسبی برای مرزدانه در مواد نانوکریستال تعادلی است. در نهایت با استفاده از پارامترهای کمی مرز، فرضیات اولیه اصلاح شده و تغییرات دمای استحاله آلوتروپیک بر حسب دما رسم گردیدند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی