توصيفگر ها :
استحاله ي فازي , روش ميدان فاز , ابعاد نانو , فاز فشار بالا , شبيه سازي
چكيده فارسي :
در پژوهش حاضر، به شبيه سازي رفتار استحاله ي فازي فاز فشار بالا در ابعاد نانو پرداخته مي شود. استحاله ي فازي فاز فشار بالا- فاز فشار پايين نوعي استحاله ي مرتبه اول، بدون نفوذ، همراه با جابه جا شدن اتم ها نسبت به هم و از نوع استحاله ي فازي مارتنزيتي مي باشد. يافتن شرايطي براي توليد فازهاي فشار بالاي جديد و كاهش فشار استحاله ي فازي به سطحي كه از لحاظ صنعتي و اقتصادي معقول و امكان پذير باشد، دو چالش مهم در كشف فازهاي فشار بالاي جديد و تبديل آن ها به فناوري است. به منظور مدل سازي رفتار استحاله از روش ميدان فاز استفاده مي شود كه در آن انرژي سيستم توسط يك معادله ي سينتيك به نام گينزبرگ-لاندا در طول زمان كمينه مي شود، و انرژي شامل بخش هاي الاستيك، حرارتي، كريستالي و گراديان مي‌باشد. براي معرفي فازها از يك پارامتر متغير ميدان به نام پارامتر مشخصه، استفاده مي شود كه معادله گينزبرگ-لاندا براساس اين پارامتر بيان گرديده و با حل آن چگونگي تغيير اين پارامتر در طول زمان و مكان هاي مختلف و در واقع تحول فازها مشخص مي شود. همچنين، براي در نظر گرفتن لايه ي سطحي خارجي از يك پارامتر مشخصه ي ديگري نيز استفاده مي شود كه با استفاده از معادله ي سينتيك و رابطه ي انرژي به خصوصي اين لايه ي سطحي خارجي لحاظ مي گردد، به طوري كه در راستاي عمود بر صفحه ي مشترك فازي داخل اين ناحيه، خواص از گاز به جامد به صورت پيوسته تغيير مي كنند، يا به عبارت ديگر انرژي سطحي مرز تيز در طول اين ناحيه توزيع مي گردد. پارامترهاي مدل ميدان فاز براي استحاله ي فاز فشار بالا- فاز فشار پايين با استفاده از روابط ترموديناميكي شامل شرايط تعادل، پايداري فازي، فشارهاي بحراني و تعادل استخراج مي گردند. در ادامه، با در نظرگرفتن يك نانوساختار تك كريستال و دوكريستال به بررسي رفتار ساختار با لايه ي سطحي خارجي و بدون آن تحت فشار هيدرواستاتيك و همچنين شرايط مختلف بارگذاري هاي حرارتي، مكانيكي و تركيبي و نيز شرايط اوليه ي متفاوت براي فاز فشار پايين و فشار بالا پرداخته و سيستم معادلات كوپل ميدان فاز و الاستيسيته در نرم افزار كامسول و به روش المان محدود شبيه سازي مي گردد. بر اساس نتايج بدست آمده مشاهده مي شود كه اعمال كرنش غيرالاستيك برشي (نابجايي ها) در دوكريستاله ها، فشار استحاله ي فازي را به طور قابل توجهي كاهش مي دهد. مشاهده مي‌شود كه در مسائل فاز فشار بالا هنگامي كه فشار از يك مقداري (حدود 5 گيگاپاسكال) بالاتر مي رود، آثار لايه ي سطحي خارجي ناچيز مي شود. در ادامه مشخص گرديد كه كه از يك ابعادي كوچكتر، شرط مرزي بي اثر و از يك اندازه اي بزرگتر، شرط مرزي اثرگذار مي شود. همچنين نتايج نشان مي‌دهد كه وجود لايه ي سطحي خارجي كه اندازه اش با صفحه ي مشترك فازي قابل مقايسه است، خيلي تاثيرگذار و به صورت تقريبي تعيين كننده ي خواص مي باشد.
چكيده انگليسي :
The current research discusses the simulation of the phase transformation behavior of a high pressure phase at the nanoscale. High pressure phase-low pressure phase transformation is a first-order diffusionless transformation, during which atoms show relative displacement to each other. Finding the conditions for synthesizing novel high pressure phases and reducing the phase transformation pressure to reasonable and feasible levels from an industrial and economic point of view are two important challenges in discovering new pressure phases and converting them into technology. In order to model the transformation behavior, the phase field method is used, in which the energy of the system is minimized by a kinetic equation called Ginzberg-Landau over time, and the energy includes elastic, thermal, crystalline, and gradient parts. To introduce the phases, a field variable parameter called the order parameter is used, and the Ginzberg-Landau equation is expressed based on this parameter and by solving it, the evolution of the phases is determined. Also, another order parameter is used to consider the external surface layer, which allows for a continuous change in properties from gas to solid within the surface. In fact, the surface energy of the sharp boundary is distributed within the surface. The parameters of the phase field model for the high pressure phase-low pressure phase transformation are derived using thermodynamic relationships, including equilibrium conditions, phase stability, and equilibrium and critical pressures. In the following, by considering a single and bi-crystal nanostructure, the behavior of the structure with and without the external surface layer under hydrostatic pressure, as well as different thermal, mechanical, and combined loading conditions, and also different initial conditions for the low pressure and high pressure phases, the coupled system of phase field and elasticity equations is solved using the FEM and COMSOL software. Based on the obtained results, it can be seen that the application of inelastic shear strain (dislocations) in bicrystals significantly reduces the phase transformation pressure. It can be seen that in high-pressure phase problems when the pressure rises above a certain value (about 5 GPa), the effects of the external surface layer become negligible. In the following, it was found that the boundary condition becomes ineffective from a smaller dimension, and from a larger dimension, the boundary condition becomes effective. Also, the results show that the presence of the external surface layer, which is comparable in size to the interface, is very effective and approximately determines the properties.
