Skip to main content
SUPERVISOR
Mohsen Esfahanian,Saeed ZeiaeiRad
محسن اصفهانیان (استاد مشاور) سعید ضیائی راد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohamad saeed Talaei pashiri
محمدسعید طلائی پاشیری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Extraction of Grain and Grain Boundary Parameters in Polycrystals by Molecular Dynamics
Nanocrystalline materials are single or multi-phase polycrystalline solids with a grain size of a few nanometers (1nm=10 ?9 m), typically less than 100 nm. These materials have properties vastly different from the conventional coarse-grained material which makes them a perfect candidate as raw materials used in vehicle and aero industries. In such materials a grain boundary is the interface between two grains . These boundaries are the cause of decrease in the electrical and thermal conductivity and elastic constant of the material. In nanocrystalline materials, the existence of very fine grain sizes and consequent high density of interfaces are the reason to a variety of properties that are different and often considerably improved in comparison with those of conventional coarse-grained materials. These may include increased strength/hardness, enhanced diffusivity, improved ductility, toughness, reduced density, reduced elastic modulus, higher electrical resistivity, increased specific heat, higher coefficient of thermal expansion, lower thermal conductivity, and superior soft magnetic properties. In this study, the mechanical properties of iron single crystal with body-centered cubic structure and nanocrystalline iron were investigated by using molecular dynamics method. In order to obtain results in a reasonable period of time with a large number of atoms, a molecular dynamic package has been used, which is executable on the Graphical Processing Units. Embedded-Atom Method (EAM) interatomic potential models were utilized as a typical force field for dense materials to simulate the properties of iron. Elastic constants of iron single crystal at different temperatures are obtained employing Nose-Hoover integration method. The elastic constants in non-zero temperature were calculated using fluctuation formulas which are functions of potential energy, as well as the momentum of the particles in the system. The results have shown good agreement with the existing experimental results. Next the Young's modulus of polycrystalline iron was predicted based on results obtained from iron single crystal model. In addition, the coefficients of linear thermal expansion in different temperatures were also calculated for iron single crystal. Afterward, computational investigations on nanoindentation of bcc iron using a spherical indenter were performed. Also additional indentation simulations were performed on the grain boundaries and the calculated Young's modulus of both grain and grain boundaries were in reasonable agreement with the experimental data. The model of nanocrystalline was generated using the Voronoi tessellation method. The model consists of three grains and about 100,000 atoms. In this model, the grains having a random crystallographic orientation are arbitrarily placed within a cube. With Voronoi tesselation, one can make a random nanocrystalline sample with a grain boundary structure similar to what is expected in polycrystalline materials. Obtained results implied that the strength of grain boundary is weaker than that of grain regarding the results of the indentation process. The effect of grain size on the elastic properties of nanocrystalline alpha-iron is also reported. Softening of the elastic properties is observed for grain sizes ranging from 8 nm down to 6 nm. The decrease in the Young’s modulus with decreasing grain size is in agreement with experimental data and matches an analytical model based on the rule of mixtures for composite materials. Keywords: Nanocrystalline material, Molecular Dynamics, Iron, GPGPU, Elastic Modulus, Nanoindentation.
مواد نانو کریستال حاوی کریستال‌هایی با اندازه دانه هایی در مقیاس نانو(از 1 نانومتر تا 100 نانومتر) می‌باشند. محل اتصال دو یا چند دانه در مواد پلی کریستال را مرزدانه می گویند. خواص بسیار زیادی از مواد پلی‌کریستالی تحت اثر همین مرزدانه‌ها است. چیدمان‌های اتمی در مرزدانه‌ها می‌تواند باعث ایجاد خواص متفاوتی مانند خواص الکتریکی یا خواص ترمودینامیکی، خواص استحکامی شوند. در این پایان نامه به بررسی خواص مکانیکی مانندثوابت الاستیک نانوکریستال آهن توسط روش دینامیک مولکولی پرداخته شده است. به منظور بدست آوردن نتایج در زمان منطقی از برنامه ی دینامیک مولکولی‌که قابلیت اجرا بر روی پردازشگر گرافیکی را داشته باشد استفاده شده‌است. ابتدا ثوابت الاستیک تک‌کریستال آهن در دما‌های مختلف بررسی و با نتایج موجود مقایسه گردید. همچنین با استفاده از نانوفروبرش در ماده ثابت الاستیک ماده در یک دما بدست آمد و نتایج با قسمت قبلی مقایسه شد. در ادامه با استفاده از این ضرایب مدول یانگ پلی کریستال آهن پیش‌بینی گردید که با خطای 9 درصد نتایج با یکدیگر هم‌خوانی داشت. با مدل نمودن نانو‌کریستال به روش ورونوی، ثوابت الاستیک در دو اندازه بررسی‌ شد. با کاهش اندازه کریستال ثوابت الاستیک کاهش یافت که علت این امر افزایش کسر حجمی مرزدانه در ماده می‌باشد هم‌چنین نتایج به دست آمده با نتایج موجود مقایسه گردید. در ادامه با استفاده از تست نانوفروبرش بر مرزدانه و دانه نیز مشاهده شد که مرزدانه همان‌طور که مورد انتظار بود، استحکام کمتری نسبت به دانه دارد. واژه‌های کلیدی: نانوکریستال، آهن، دینامیک مولکولی، ثوابت الاستیک، نانوفروبرش

ارتقاء امنیت وب با وف بومی