Skip to main content
SUPERVISOR
Masoud Panepour,Gholamreza Aryanpour
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) غلامرضا آريانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amin Salati
امين سلاطي

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.
نانوکريستال‌ها دسته‌اي از مواد پلي‌کريستال هستند که اندازه دانه در آن‌ها کمتر از 100 نانومتر است. به دليل کوچک شدن اندازه دانه‌ها در اين مواد، کسر اتم‌هاي مربوط به مرزدانه‌ها در مقايسه با پلي‌کريستال‌هاي معمولي به شدت افزايش مي‌يابد. اين افزايش در کسر اتمي، سبب ايجاد خواص منحصر به فردي در اين دسته از مواد مي‌شود، به طوري که خواص مکانيکي، فيزيکي و ترموديناميکي اين مواد با پلي‌کريستال‌هاي معمولي متفاوت است. خواص ترموديناميکي يکي از خواص مورد بحث در مواد نانوکريستال است که توجه محققان مختلفي را به خود جلب نموده است. بررسي‌هاي انجام شده نشان مي‌دهد که ترموديناميک کلاسيک، قابليت توجيه رفتارهاي ترموديناميکي غيرمعمول موجود در نانوکريستال‌ها را ندارد. براي مثال، افزايش ظرفيت گرمايي ويژه و يا کاهش دماي ذوب و دماي استحاله‌هاي آلوتروپيک را نمي‌تواند پيش‌بيني نمايد. در اين تحقيق، براي مطالعه خواص ترموديناميکي مواد نانوکريستال، دماي استحاله آلوتروپيک عناصر فلزي مورد بررسي قرار گرفت. به همين منظور از مدل کريستال منبسط شده براي بدست آوردن پارامترهاي ترموديناميکي مرزدانه استفاده گرديد. سپس با استفاده از روش‌هاي معادله حالت ( EOS ) و تقريب دباي شبه‌هارمونيک ( QDA )، انرژي آزاد قسمت مرز بر حسب پارامتر حجم اضافي محاسبه شد. نتايج محاسبات نشان داد که روش‌هاي مذکور، در دماهاي بالا (نزديک به دماي انجام استحاله) داراي عدم دقت هستند. جهت رفع اين مشکل، پارامتر اختلاف انرژي آزاد اضافي براي مرزدانه معرفي گرديد و روش‌هاي مذکور اصلاح گرديدند. در ادامه با استفاده از اين روش ها و فرضيات موجود براي قسمت مرز، تغييرات دماي استحاله در نانوکريستال آهن مبتني بر روش‌هاي EOS و QDA بر حسب دما رسم و مورد مقايسه قرار گرفتند و مشخص گرديد که نتايج حاصل از اين روش‌ها از انطباق قابل قبولي برخوردار مي‌باشند. سپس با استفاده از روش معادله حالت اصلاح شده، دماي استحاله آلوتروپيک در عناصر تيتانيوم و زيرکونيوم نيز بر حسب دما بررسي گرديد و نتايج مشابه با نتايج حاصله از نانوکريستال آهن، بدست آمد. به دليل عدم وجود تجهيزات آزمايشگاهي مناسب، از روش شبيه‌سازي ديناميک مولکولي براي تاييد نتايج بدست آمده استفاده گرديد. علاوه بر اين، از شبيه‌سازي ديناميک مولکولي، براي بررسي ساختار مرزدانه در نانوکريستال آهن (جهت پيش‌بيني دقيق‌تر ترموديناميکي) استفاده شد و تغييرات پارامترهاي کمي مرز (مانند حجم اضافي و ضخامت مرز) بر حسب اندازه دانه و دما مطالعه شد. نتايج بدست آمده از بررسي ساختار مرز در نانوکريستال آهن نشان داد که مدل کريستال منبسط شده، مدل مناسبي براي مرزدانه در مواد نانوکريستال تعادلي است. در نهايت با استفاده از پارامترهاي کمي مرز، فرضيات اوليه اصلاح شده و تغييرات دماي استحاله آلوتروپيک بر حسب دما رسم گرديدند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی