شماره راهنما :
1857 دكتري
عنوان :
ساخت و مشخصه يابي نانوكامپوزيت Mg/SiO2 و شبيه سازي رفتار مكانيكي آن به روش ديناميك مولكولي
گرايش تحصيلي :
مواد و متالورژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
چهارده، 113ص. : مصور (رنگي)، جدول، نمودار
استاد راهنما :
ابوذر طاهري زاده، علي مالكي
توصيفگر ها :
اكستروژن تجمعي , شبيه سازي ديناميك مولكولي , نانوسيليكاي آمورف , نانوسيليكاي كريستالي , نانوكريستال منيزيم , اثر اندازه دانه , نانوكامپوزيت
استاد داور :
امير لهراسبي، مسعود پنجه پور، بهزاد نيرومند
تاريخ ورود اطلاعات :
1400/11/09
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1400/11/09
چكيده فارسي :
منيزيم و آلياژهاي آن بهدليل چگالي كم و نسبت استحكام به وزن بالا، مورد توجه كاربردهاي مهندسي در زمينههاي گوناگون قرار گرفتهاند.
با اينحال انعطافپذيري و استحكام كم و همچنين قابليت كارپذيري سرد پايين منجر به محدود شدن كاربرد اين فلز شده است. در پژوهش
حاضر، ساخت و مشخصهيابي نانوكامپوزيت منيزيم/نانوسيليكا و تحليل رفتار مكانيكي آن و همچنين توجيه پديدهاي ديده شده در نتايج
آزمايشگاهي و توضيح مكانيزمهاي حاكم با استفاده از شبيهسازي ديناميك مولكولي انجام شده است. به اين منظور اثر افزودن پودر نانوسيليكا
با دو ساختار آمورف و كريستالي و همچنين درصد وزني فاز تقويت كننده در نانوكامپوزيت منيزيم/نانوسيليكا بررسي شد. در اين راستا ابتدا
نمونههايي از سيليكاي آمورف و كريستالي به روش تفجوشي پلاسمايي جرقهاي ساخته شد. سپس سختي و مدول تورفتگي سيليكاي
آمورف و كريستالي با استفاده از آزمون نانوسختي ارزيابي شد. سپس نانوكامپوزيت زمينه منيزيم با 25 / 0 ، 5 / 0 و 1 درصد وزني از نانوسيليكاي
آمورف و كريستالي با استفاده از فرايند اكستروژن تجمعي ) AE ( در دماي 300 درجه سانتيگراد ساخته شد. به طور مشابه نمونههاي شاهد
از منيزيم خالص تهيه شد. خواص مكانيكي تسمه نانوكامپوزيت ساخته شده با استفاده از آزمون فشار، پس از اكستروژن و پس از آنيل در
دماي 400 درجه سانتيگراد ارزيابي شد. در بخش شبيهسازي، رفتار مكانيكي سيليكاي آمورف و كريستالي در حين آزمون فشار و آزمون
نانوسختي بررسي شد. همچنين، اثر اندازه دانه روي خواص مكانيكي و مكانيزم تغيير شكل نانوكريستال منيزيم بررسي شد. سپس شبيهسازي
نانوكامپوزيت زمينه نانوكريستال منيزيم پس از افزودن نانوذرات سيليكاي آمورف و كريستالي با موقعيتهاي مختلف نسبت به مرزدانه در
حين آزمون فشار تك محوري انجام شد. نتايج بخش تجربي نشان داد كه نمونههاي سيليكاي كريستالي از سختي و مدول تورفتگي بالاتري
نسبت به سيليكاي آمورف برخوردار است. شبيهسازي ديناميك مولكولي آزمون نانوسختي نشان داد كه سيليكاي آمورف مدول تورفتگي
كمتر و كرنش الاستيك بالاتري نسبت به سيليكاي كريستالي دارد. نتايج آزمون فشار نشان داد كه هر دو ساختار داراي سه مرحله تغيير شكل
هستند. نتايج آزمون فشار روي نمونههايي از تسمه نانوكامپوزيت نشان داد كه تنش تسليم نمونه حاوي 5 / 0 درصد وزني از سيليكاي آمورف
تا 26 درصد پس از اكستروژن و 235 درصد پس از آنيل و همچنين استحكام فشاري نهايي تا 20 درصد، بدون كاهش در انعطافپذيري
نانوكامپوزيت نسبت به نمونه شاهد و بقيه نمونههاي كامپوزيتي است افزايش يافتهاند. علاوه بر اين، تجزيه و تحليل پراش پرتو ايكس، پراش
الكترونهاي بازگشتي ) EBSD ( و طيف سنجي پراش انرژي پرتوي ايكس ) EDS ( نشانداد كه تغييري در جهات صفحات پايه بين تسمههاي
منيزيم خالص و نانوكامپوزيت در امتداد جهت اكستروژن وجود ندارد. كاهش اندازه دانهها در اثر حضور نانوسيليكاي آمورف نسبت به
نمونههاي منيزيم خالص و منيزيم تقويت شده با نانوسيليكاي كريستالي و توزيع فاز تقويت كننده پس از فرايند اكستروژن تجمعي يكنواخت
بود. نتايج حاصل از شبيهسازي نشان داد كه تنش جريان بهينه براي نمونهاي با متوسط اندازه دانه 14 نانومتر بود. علاوه بر اين، دو مكانيزم
تغيير شكل متمايز با كاهش اندازه دانه وجود دارد. از طرف ديگر، براي نمونههاي نانوكامپوزيت با موقعيتهاي مختلف نانوذره سيليكاي
آمورف و كريستالي، مشاهده شد كه حضور نانوذره در محل اتصال سهگانه بين سه دانه تأثير اصلي بر استحكام نانوكامپوزيت دارد. استحكام
نهايي وكرنش شكست در هنگام استفاده از نانوذرات سيليكاي آمورف بيشتر از نانوكامپوزيت تقويت شده با نانوذرات سيليكاي كريستالي
بود. اين پژوهش پنجره تحقيقاتي جالبي را براي مطالعه تأثير ساير نانوذرات سراميكي آمورف بر خواص منيزيم و ساير فلزات و بهبود خواص
مكانيكي و فيزيكي و در نتيجه كاربردهاي آنها باز ميكند.
چكيده انگليسي :
Magnesium and its alloys have been considered for engineering applications in various fields due to their low density and high strength to weight ratio. However, low ductility and strength as well as poor cold workability, have limited its usage. In the present study, the manufacturing and characterization of Mg/nanosilica nanocomposite and the analysis of its mechanical behavior as well as the explanation of the phenomena seen in the laboratory results and the governing mechanisms, were performed using MD simulations. For this purpose, the effect of adding nanosilica powder with both amorphous and crystalline structures as well as the effect of weight percentages of the reinforcement phase in the Mg/nanosilica nanocomposite, was investigated. In this regard, first bulk samples of amorphous and crystalline silica were made by spark plasma sintering method, then the hardness and modulus of indentation of amorphous and crystalline silica were measured using nanoindentation test. Furthermore, Mg matrix nanocomposite with 0.25, 0.5 and 1%wt. of amorphous and crystalline nanosilica was prepared using the accumulative extrusion (AE) process at 300°C. Similarly, monolithic samples were prepared from pure Mg. The mechanical properties of the nanocomposite strips were evaluated using the cold compression test after extrusion and after the annealing process at 400°C. The mechanical behavior of amorphous and crystalline silica was investigated during the compression test and nanoindentation test by simulation. Also, the effect of grain size on the mechanical properties and deformation mechanism of Mg nanocrystals was investigated. Then, the Mg nanocrystal matrix nanocomposite was simulated after adding amorphous and crystalline silica nanoparticles with different positions relative to the grain boundary during the uniaxial compression test. Experimental results showed that crystalline silica samples had a higher hardness and indentation modulus than amorphous silica. MD simulation of nanoindentation test showed that amorphous silica has a lower indentation modulus and a higher elastic strain than crystalline silica. The compression test results showed that both structures have three stages of deformation. The results of the compression test on samples of nanocomposite strips showed that the yield strength of the sample contains 0.5%wt. of amorphous silica was increased up to 26% after extrusion and 235% after annealing. The ultimate compressive strength increased up to 20% without reducing the ductility of the nanocomposite compared to the monolithic sample and the other nanocomposite samples. In addition, X-ray diffraction, EBSD and EDS analysis showed that there was an insignificant difference in the orientation of the basal planes of pure magnesium and the nanocomposite strips along the extrusion direction. It resulted in reducing the grain size due to the uniform distribution of amorphous silica nanoparticles after the AE process compared to the samples of pure magnesium and magnesium reinforced by crystalline silica nanoparticles. The simulation results showed that the sample with an average grain size of 14 nm had the optimum mean flow stress. In addition, there are two distinct deformation mechanisms with the decrease in the grain size. On the other hand, for nanocomposite samples with different positions of amorphous and crystalline silica nanoparticles in the matrix, it was observed that the presence of nanoparticles at the triple junction between three grains has a superior effect on the strength of the nanocomposite. The ultimate strength and fracture strain when using amorphous silica nanoparticles are higher than nanocomposites reinforced with crystalline silica nanoparticles. This investigation opens a fascinating research window to study the effect of other amorphous ceramic nanoparticles on magnesium and other metals and to improve their mechanical and physical properties and, as a result, their applications.
استاد راهنما :
ابوذر طاهري زاده، علي مالكي
استاد داور :
امير لهراسبي، مسعود پنجه پور، بهزاد نيرومند