بررسی ترمودینامیکی فرایند رشد دانه در فلزات نانو ساختار با حضور عناصرافزودنی بوسیله شبیه سازی دینامیک مولکولی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Nowadays, there is a great interest in nano crystalline materials due to their unique properties. Since grain boundaries have very high energy, there is a huge tendency to grain growth for nano materials which will deteriorate their desirable properties. There are several types of models for describing thermodynamic behavior of nano crystalline materials. These models including Song, QAD and EOS models are used to investigate about grain growth of nano materials, finding methods to prevent further grain growth. These models indicate that under a critical grain size, grain growth tendency is stopped. Therefore, decreasing the grain size below critical size is one of the methods for preventing from grain growth of nano materials. As a result, particular properties of nano materials are preserved for practical goals. However, finding a way to increase critical grain size is necessary due to its very small size. One of these methods is utilizing secondary element atoms in the pure metal structure and decreasing the grain boundaries energy. Among all proposed models, only Song’s model claims that by applying some changing, it can predict thermodynamic behaviour of metal alloys in nanometer scale. On the other hand, no precise investigation has been done to evaluate capability of this model for predicting thermodynamic behaviour of metal alloys in nano scale still now. Thus, the aim of this project was to evaluate the capability of Song’s model for predicting critical grain size of Al-Mg alloy by using molecular dynamic simulation. In addition, penetration behaviour of Mg and Al was investigated by using this simulation. Moreover, effect of entering Mg atoms on Al grain growth was studied by considering energy changing of the nano structure Al and critical grain size was calculated. The results indicated that Mg atoms move to grain boundaries after entering Al structure. As a result of decreasing grain boundaries energy, grain stability against growing was provided. Furthermore, Mg atoms control grain growth phenomena by creating strong bonds in Al structure and decreasing diffusion coefficient of Al atoms. Comparing molecular dynamic simulation results and its calculated critical grain size with those calculated by Song’s model, it can be seen that this model do not show good ability in prediction of alloy behaviour in nano scale. Simulation of Cu-Zr alloy system showed that results were compatible with Al-Mg simulation results. In general, molecular dynamic simulation results indicated that proper selection of secondary element could help to increase critical grain size at different temperature. Keywords: nano structure materials, grain growth, additive element, molecular dynamic simulation, Song’s model.

امروزه مواد نانوکریستال به دلیل خواص ویژه و منحصربه فردشان مورد توجه محققین واقع شده اند. در این گروه از مواد کسر بالایی از اتم ها نسبت به مواد پلی کریستال درشت دانه در مرزهای دانه واقع شده اند و به این دلیل که مرزدانه انرژی بیشتری نسبت به ساختار درون دانه دارد، در این دسته از مواد انرژی ناشی از مرزدانه بسیار بالا بوده و تمایل بسیار شدیدی به رشد دانه از خود نشان می دهند. با رشد دانه ها و خارج شدن آن ها از ابعاد نانومتری خواص مطلوب این مواد از بین می رود. از طرفی میزان بالای مرزدانه در این مواد باعث می شود که از تأثیرات و خواص مرزدانه در رفتار ترمودینامیکی مواد نانوساختار نتوان چشم پوشی کرد و به همین دلیل مدل هایی برای توصیف رفتار ترمودینامیکی مواد نانوکریستال ارائه شده است. برای بررسی فرایند رشد دانه ها در این دسته از مواد و یافتن روش هایی برای پایداری دانه های مواد نانوکریستال در برابر رشد باید از این مدل ها استفاده نمود. مدل EOS، مدل QDA و مدل Song مدل های ترمودینامیکی طراحی شده برای توصیف رفتار ترمودینامیکی فلزات نانوساختار به صورت خالص می باشند. این مدل ها نشان می دهند که در زیر اندازه دانه ای که به آن اندازه دانه بحرانی گفته می شود تمایل به رشد دانه در ساختار از بین می رود. بنابراین یکی از روش های جلوگیری از رشد دانه ها در مواد نانوکریستال و حفظ خواص ویژه آن ها و فراهم آوردن امکان به کارگیری آن ها در مقاصد کاربردی، کوچک کردن ابعاد دانه های آن ها تا زیر اندازه دانه بحرانی است. اما از آن جا که اندازه دانه بحرانی معمولاً بسیار کوچک است، یافتن روش هایی برای افزایش اندازه دانه بحرانی ضروری به نظر می رسد. یکی از این روش ها استفاده از اتم های عنصر ثانویه در ساختار فلز خالص، و کاهش انرژی مرزهای دانه توسط آن ها می باشد. از بین مدل های ارائه شده تنها مدل سانگ با اعمال تغییراتی ادعا می کند که قادر به پیش بینی رفتار ترمودینامیکی آلیاژهای فلزی در مقیاس نانومتری است. اما بررسی دقیقی روی قابلیت این مدل برای پیش بینی صحیح رفتار ترمودینامیکی آلیاژها در مقیاس نانو انجام نگرفته است. در این تحقیق با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی سعی در بررسی و ارزیابی توانایی این مدل در پیش بینی اندازه دانه بحرانی در آلیاژ آلومینیم-منیزیم می باشد. با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی در آلیاژ فوق رفتار نفوذی منیزیم و آلومینیم بررسی و همچنین با توجه به تغییرات حاصل در انرژی ساختار آلومینیم با اندازه دانه نانومتری در اثر ورود اتم های منیزیم به آن، تأثیر ورود این اتم ها بر رشد دانه آلومینیم مطالعه شده و اندازه دانه بحرانی محاسبه گردید. نتایج نشان می دهد که اتم های منیزیم پس از ورود به ساختارآلومینیم به سمت مرزهای دانه رفته و با کاهش انرژی مرزدانه امکان پایداری دانه ها در برابر رشد را فراهم می نمایند. به علاوه با برقراری پیوندهای قوی در ساختار آلومینیم و نیز کاهش ضریب نفوذ اتم های آلومینیم فرایند رشد دانه را کنترل می کنند. پس از مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی و اندازه دانه بحرانی محاسبه شده توسط آن با محاسبات انجام گرفته توسط مدل سانگ دیده می شود این مدل در پیش بینی رفتار آلیاژها در مقیاس نانو توانایی چندانی ندارد. پس از آن با انجام شبیه سازی روی آلیاژ مس-زیرکنیم مشاهده شد که نتایج بدست آمده با نتایج حاصل از شبیه سازی آلیاژ آلومینیم-منیزیم مطابقت دارد. نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی نشان داد که با انتخاب صحیح عنصر دوم می توان اندازه دانه بحرانی را در دماهای مختلف افزایش داد. کلمات کلیدی: موادنانوساختار، رشد دانه، عنصر افزودنی، شبیه سازی دینامیک مولکولی، مدل سانگ.