Skip to main content
SUPERVISOR
Masoud Panepour,Gholamreza Aryanpour
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) غلامرضا آریانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sayyed Ali Sabeti Varzane
سیدعلی ثابتی 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.
در سال های اخیر اهمیت موضوع نانوکریستال ها در حدی بوده است که توجه اغلب محققین را به خود جلب کرده است. علت این امر خواص منحصر بفردی است که در نانوکریستال ها نسبت به مواد متعارف مشاهده می شود. منشا اصلی ویژگی ها و خواص بسیار مناسب مواد نانوکریستال، وجود حجم بالای مرز دانه در این مواد و انرژی درونی بالای حاصل از آن است. از طرف دیگر همین عامل باعث می شود این مواد پایداری خوبی حتی در دماهای معمولی نداشته باشند و با رشد دانه، انرژی سیستم را کاهش دهند. به همین دلیل، بررسی فرایند رشد دانه از منظر ترمودینامیکی و تحقیق در مورد نحوه جلوگیری از این فرایند و پایدارسازی نانوکریستال ها به منظور حفظ خواص منحصربفرد آن ها، از اهمیت بالایی برخوردار است. در این تحقیق، برای مطالعه فرایند رشد دانه در مواد نانوکریستال، از مدل کریستال منبسط شده برای بدست آوردن پارامترهای ترمودینامیکی مرزدانه استفاده گردید. سپس با استفاده از روش‌های معادله حالت (EOS)، تقریب شبه‌هارمونیک دبای (QDA) و مدل سانگ، انرژی آزاد قسمت مرز دانه بر حسب پارامتر حجم اضافی محاسبه شد. با رسم نمودارها بر اساس مدل های EOS و سانگ مشخص شد که با کاهش زیاد اندازه دانه و عبور از یک مقدار بحرانی، نانوکریستال به یک حالت شبه پایدار می رسد و رشد دانه متوقف می گردد. اما بر اساس مدل QDA امکان توقف رشد دانه وجود نداشت. برای ارزیابی این نتایج از روش های شبیه سازی اتمی مونت کارلو و دینامیک مولکولی استفاده گردید. نتایج هر دو شبیه سازی، پیش بینی مدل های EOS و سانگ را تایید و نتایج حاصل از مدل QDA را رد کردند. در ادامه، اثر دما بر منحنی های مذکور مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد افزایش دما مقدار اندازه دانه بحرانی را افزایش داده و توقف رشد دانه را تسهیل می کند. نتایج شبیه سازی های بعدی نیز علاوه بر تایید این روند، نشان دادند مدل EOS پیش بینی های دقیق تری در مقایسه با مدل سانگ دارد. سپس به کمک شبیه سازی، دماهای بحرانی برای توقف رشد دانه در هر اندازه دانه در نانوکریستال پالادیم استخراج شد. همچنین با مقایسه این نتایج با نتایج حاصل از مدل EOS، یک رابطه اصلاحی برای ارتباط بین پارامتر حجم اضافی بحرانی و اندازه دانه بحرانی ارائه گردید. همچنین برای اطمینان از نتایج به دست آمده در شبیه سازی های انجام شده، شبیه سازی در پلی کریستال نیز با دو روش متفاوت صورت گرفت که نتایج نشان داد روش مفروش سازی ورونوی برای ساخت پلی کریستال، در مطالعات مربوط به رشد دانه نتایج درستی ارائه نمی دهد، در صورتی که روش رشد از حالت مذاب نتایجی منطبق با نتایج قبلی دارد. در نهایت، رشد دانه در پلی کریستال آهن شبیه سازی شده و مشخص گردید نتایج به دست آمده در مورد پالادیم، برای آهن نیز صادق هستند. کلمات کلیدی: فلزات نانوکریستال، ترمودینامیک رشد دانه، مدل معادله حالت، مدل تقریب شبیه هارمونیک دبای، مدل سانگ، شبیه سازی مونت کارلو، شبیه سازی دینامیک مولکولی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی