توصيفگر ها :
آلياژ حافظه دار , سوپرالاستيسيته , ديناميك مولكولي , پتانسيل بين اتمي شبكه عصبي , اندازه دانه , نانوكريستال
چكيده فارسي :
آلياژهاي حافظهدار به دليل خواص سوپرالاستيك و حافظهداري آنها در صنايع مختلف كاربرد فراوان داشته و بسيار مورد تحقيق و بررسي قرار گرفتهاند. دما و كرنش استحاله مارتنزيتي، اصليترين عوامل تأثيرگذار بر خواص اين آلياژها هستند و از شبيهسازي به روش ديناميك مولكولي براي شناخت تأثير اين عوامل بر خواص اين آلياژ استفاده ميشود. ازين رو توسعه مدلهاي جديد و افزايش دقت آنها در شبيهسازي مقياس اتمي اين آلياژ اهميت زيادي بر تحقيقات در اين زمينه دارد. به تازگي پتانسيلهاي اتمي دادهمحور جديدي معرفي شدهاند كه با استفاده از شبكه عصبي ميتوانند نتايج شبيهسازي را بهبود بخشند. با اين حال، تحقيقات كمي با بهرهگيري از اين پتانسيلها انجام شده و تأثير عوامل ريزساختاري بر حدود استحاله مارتنزيتي بررسي نشده است. بررسي خواص استحاله مكانيكي و دمايي فاز آستنيت ميتواند به اطمينان از اعتبار اين مدلهاي نوين كمك كند. از همين رو، در اين پژوهش با دو نگاه ظرفيت سنجي و بررسي عميقتر به مطالعه تأثير حضور مرزدانه در همسايگي چيدمان ايدهآل ساختار آستنيتي پرداخته شدهاست. قدم اول در انجام اين پژوهش، ساخت نانوستونهايي مكعبي به عرض 2 نانومتر و ارتفاعهاي متفاوت به شكل 2 دانهاي است كه در مشخصهيابي خواص حرارتي و مكانيكي مورد استفاده قرار گرفتهاست. به منظور مطالعه اين خواص ابتدا نمونههاي مختلف با هدف سنجش و مطابقت با تحقيقات پيشين تحت چرخه سرمايش و گرمايش قرار گرفتهاند. پس از تطبيق دماهاي مرزي استحالهي حرارتي با تحقيقات پيشين و در نتيجه راستيآزمايي مدل مورد استفاده حاصل شد. سپس به مطالعه بارگذاري مكانيكي در جهت [001] كريستالي در نمونههاي دو دانهاي پرداخته شد. همانا نمونههاي دو دانهاي مذكور با اعمال تنش به شكل عمود بر مرزدانه تحت استحالهي كرنشي مارتنزيتي قرار گرفته و شرايط مرزي آنها بررسي شده است. به علاوه در طول تغيير دما و اعمال كرنش، چيدمان اتمي توسط روشهاي تطبيق چندوجهي معين و تابع توزيع چگالي اتمي مورد بررسي قرار گرفتهاست كه نتايج به دست آمده، گوياي هماهنگي تغيير مسير استحاله كرنشي و وابستگي آن به اندازه دانه با نتايج تجربي است. اين تغيير در بازه اندازه دانه 16 تا 20 نانومتري صورت ميپذيرد. در نتيجه، دماهاي استحاله حرارتي آستنيت به مارتنزيت و بالعكس با اطمينان پذيري بالا نسبت به تحقيقات پيشين حل عددي و حجم محاسباتي به شدت كمتر به دست آمده است. در ادامه تنش و كرنش آغاز و پايان استحاله مكانيكي و مدول الاستيك فاز آستنيت به دست آمده و تأثير مستقل حداكثر فاصله از مرز بر نمودار تنش كرنش مورد بحث قرار گرفته است. در پايان با استفاده از آناليز عيوب وگنز-زيتس نمونههاي موجود، ارتباط اين عيوب با يافتههاي پيشين كرنش پسماند چرخه هاي كرنشي بررسي شده است. نتايج برجسته اين پژوهش را ميتوان به دوبخش تقسيم كرد.: 1-استفاده از مدل نانوستون دو دانهاي ميتواند با حجم محاسبات بسيار كمتر از شبيهسازيهاي پيشين به يافتن با دقت بالاي تأثير اندازه دانه بر دماي استحاله منجر شود. 2- تأثير اندازه دانه بر تغيير مكانيزم استحاله مكانيكي با موفقيت شبيهسازي شده و تطبيق آن با تحقيقات تجربي پيشين نشان از درستي نتايج به دست آمده دارد. 3- ديناميك مولكولي با استفاده از پتانسيلهاي بين اتمي دادهمحور دقت و توانايي بالايي در شبيهسازي اين مواد داشته و توسعه هرچه بيشتر اين مدلها به كاهش قابل توجه حجم محاسبات و افزايش دقت و تعميم پذيري نتايج شبيهسازي ديناميك مولكولي منجر شود.
چكيده انگليسي :
Shape memory alloys are widely used in various industries due to their superelastic and shape-memory properties, and they have been the subject of extensively researched. The temperature and strain of martensitic transformation are key factors influencing these alloys' properties, and molecular dynamics simulations help understand their effects. Consequently, improving the accuracy of new models for atomic-scale simulations is essential for advancing research in this field. Recently, new data-driven atomic potentials that leverage neural networks have been introduced to enhance simulation results. Despite the potential applications, few studies have explored the effects of microstructural factors on martensitic transformation boundaries. Studying the mechanical and thermal transformation properties of the austenite phase can help validate these models. This research examines the influence of grain boundaries in proximity to the ideal arrangement of austenitic structures, using both capacity evaluation and in-depth analysis. The first step involved the creating cubic nanopillars (2 nm wide with varying heights) in a bi-crystal form, which were used for characterizing thermal and mechanical properties. Various samples underwent cooling and heating cycles to compare with previous studies, and the temperatures at which thermal transformations occurred were validated. Subsequently, mechanical loading was applied along the [001] crystalline direction of the bi-crystal samples, inducing martensitic shear transformation and allowing for an examining of their boundary conditions. The atomic arrangement during temperature changes and strain was analyzed using multivariate fitting and atomic density distribution methods. The results showed a correlation between the transformation path and grain size, in agreement with experimental findings, within the grain size range of 6 to 30 nm. As a result, the thermal transformation temperatures from austenite to martensite and vice versa were obtained with high reliability and significantly lower computational cost compared to previous studies. Additionally, the stress and strain at the start and end of the mechanical transformation, were also determined, along with the elastic modulus of austenite. The effect of maximum distance from the boundary on the stress-strain curve was also discussed. Finally, by analyzing defects using the Wigner-Seitz defect analysis method, the relationship between these defects and previous findings on residual strain in strain cycles was examined. The main conclusions are as follows: a) The bi-crystal nanopillar model provides highly accurate results on the effect of grain size on transformation temperature, all while maintaining a significantly lower computational cost than prior simulations. b) The effect of grain size on the transformation mechanism was successfully simulated, with results matching previous experimental findings. c) Molecular dynamics simulations using data-driven interatomic potentials demonstrate both high accuracy and capability, and further development will reduce computational effort while increasing accuracy and generalizability.