شماره مدرك
21053
شماره راهنما
18060
پديد آورنده
انتشاري، بهزاد
عنوان
مدلسازي ميدان فاز برهمكنش ميان رشد ترك و استحاله فازي تتراگونال-مونوكلينيك در زيركونيا
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
طراحي كاربردي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
چهارده، 93ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
روش ميدان فاز , زيركونيا , استحاله فازي تتراگونال- مونوكلينيك , مكانيك شكست , چقرمگي ناشي از استحاله , معادلات گينزبرگ-لاندا
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/29
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/02/29
كد ايرانداك
23219363
چكيده فارسي
تعامل ميان استحاله فازي و رشد ترك يكي از پيچيدهترين و در عين حال كليديترين پديدهها در تعيين خواص مكانيكي مواد پيشرفته، بهويژه سراميكهاي زيركونيا است. در اين پاياننامه، برهمكنش ميان رشد ترك و استحاله فازي تتراگونال- مونوكلينيك در نانوساختارهاي زيركونيا با استفاده از يك مدل عددي پيشرفته مبتني بر روش ميدان فاز مورد مطالعه قرار گرفته است. اهميت اين پژوهش در درك عميق مكانيزم چقرمگي ناشي از استحاله نهفته است كه عامل اصلي مقاومت بالاي زيركونيا در برابر شكست در كاربردهاي حساس صنعتي و پزشكي نظير ايمپلنتهاي دنداني و قطعات مربوط به هوافضا محسوب ميشود. در بخش اول پژوهش، مباني نظري استحاله فازي و مكانيك شكست بررسي شده است. استحاله فازي تتراگونال- مونوكلينيك در زيركونيا، از نوع استحاله فازي مرتبه اول و فاقد نفوذ اتمي است كه با تغيير حجم قابل توجهي (حدود 4 تا 5 درصد) همراه ميباشد. اين تغيير حجم منجر به ايجاد ميدانهاي تنش داخلي ميشود كه ميتواند بر مسير و نرخ رشد ترك اثرگذار باشد. روش ميدان فاز به دليل ماهيت پيوسته و عدم نياز به رديابي صريح مرزهاي متحرك مانند نوك ترك يا فصلمشتركهاي فازي، ابزاري قدرتمند براي شبيهسازي همزمان اين دو پديده فراهم آورده است. در اين پژوهش، چارچوب نظري با تكيه بر تعريف تابع انرژي آزاد هلمهولتز كل توسعه يافته است كه شامل مؤلفههاي انرژي شيميايي (ترموديناميكي)، انرژي الاستيك (ناشي از كرنشهاي تغيير شكل و استحاله)، انرژي گراديان (براي توصيف انرژي سطحي مرزها) و انرژي شكست است. معادلات حاكم بر سيستم با استفاده از فرمولبندي گينزبرگ-لاندا استخراج شده و به صورت يك دستگاه معادلات ديفرانسيل جفتشده حل شدهاند. در اين مدل، يك پارامتر مشخصه براي توصيف وضعيت فازي و پارامتر ديگري براي توصيف ميدان ترك تعريف شده است. يافتههاي حاصل از شبيهسازيهاي عددي در چندين حالت مختلف تحليل شده است. نتايج نشان داد كه تمركز تنش در نوك ترك به عنوان نيروي محركهاي براي آغاز استحاله فازي عمل ميكند. تشكيل فاز مونوكلينيك در اطراف نوك ترك به دليل انبساط حجمي، تنشهاي فشاري بازگشتي ايجاد كرده كه با كاهش شدت تنش در نوك ترك، مانع از پيشروي سريع آن شده و منجر به افزايش چقرمگي ظاهري ماده ميگردد. شبيهسازي عبور ترك از ميان ريزساختارهاي استحاله يافته نشان داد كه مرزهاي ميان ورينتهاي مونوكلينيك به دليل ناپيوستگي در ميدان كرنش، به عنوان مسيرهاي كمانرژي عمل كرده و باعث انحراف ترك از مسير مستقيم ميشوند. در بارگذاري با نرخ بالا، رقابتي ميان سرعت رشد ترك و نرخ تكامل استحاله فازي مشاهده شد. در مواردي كه سرعت ترك بسيار زياد است، ماده فرصت كافي براي سازماندهي ريزساختارهاي دوقلويي منظم را نداشته و ترك پيش از تكميل فرآيند استحاله مهاركننده، از ناحيه عبور ميكند، همچنين استفاده از توزيعهاي تصادفي اوليه براي پارامتر مشخصه، امكان شبيهسازي عيوب نقطهاي و مراكز جوانه زني متعدد را فراهم كرد كه دقت مدل را در پيشبيني رفتارهاي ميكروسكوپي بهبود بخشيد. در نهايت، اين پاياننامه ثابت ميكند كه مدل ميدان فاز به كار گرفته شده به خوبي قادر است پديدههاي پيچيدهاي چون هستهزايي فاز جديد در نوك ترك، تشكيل نوارهاي دوقلويي و برهمكنش پويا ميان ميدانهاي تنش و تغيير فاز را بازسازي كند. نتايج اين تحقيق نه تنها به درك بنيادي مكانيزمهاي شكست در سراميكها كمك ميكند، بلكه بستري محاسباتي براي طراحي و بهينهسازي نسل جديدي از مواد هوشمند و مقاوم با ريزساختارهاي مهندسي شده فراهم ميآورد.
چكيده انگليسي
The interaction between phase transformation and crack growth constitutes one of the most complex yet pivotal phenomena determining the mechanical properties of advanced materials, particularly zirconia ceramics. In this thesis, the Interaction between crack propagation and the tetragonal-monoclinic (t-m) phase transformation in zirconia nanostructures is investigated using an advanced numerical model based on the phase-field method. The significance of this research lies in providing a deep understanding of the transformation toughening mechanism, which is the primary factor behind zirconia’s high fracture resistance in critical industrial and medical applications, such as dental implants and aerospace components. The first section of this study reviews the theoretical foundations of phase transformation and fracture mechanics. The t-m transformation in zirconia is a first-order, diffusionless transition accompanied by a significant volume change (approximately 4% to 5%). This volumetric expansion induces internal stress fields that can significantly influence the crack path and growth rate. The phase-field method, due to its continuous nature and the elimination of the need to explicitly track moving boundaries such as crack tips or phase interfaces provides a powerful tool for the simultaneous simulation of these two phenomena. The methodology of this research is founded on the definition of a total Helmholtz free energy functional, comprising chemical (thermodynamic) energy, elastic energy (arising from deformation and transformation strains), gradient energy (describing interfacial surface energy), and fracture energy. The governing equations are derived using the Ginzburg-Landau formulation and solved as a system of coupled differential equations. In this model, distinct order parameters are defined to describe the phase state and the crack field, respectively. The findings from numerical simulations were analyzed across several scenarios. Results indicated that stress concentration at the crack tip acts as a driving force for the initiation of phase transformation. The formation of the monoclinic phase around the crack tip, due to volumetric expansion, generates compressive back-stresses. These stresses reduce the stress intensity factor at the crack tip, hindering its rapid propagation and leading to an increase in the material’s apparent toughness. Simulations of crack propagation through transformed microstructures revealed that the boundaries between monoclinic variants, due to strain field discontinuities, act as low-energy paths, causing crack deflection from the straight trajectory. Under high strain rate loading, a competition was observed between crack growth speed and the phase transformation evolution rate. In cases where the crack velocity is excessively high, the material lacks sufficient time to organize regular self-accommodating twinned structures, allowing the crack to pass through the region before the completion of the shielding transformation process. Furthermore, the incorporation of random distributions for the order parameter enabled the simulation of point defects and multiple nucleation sites, thereby improving the model’s accuracy in predicting microscopic behaviors. Ultimately, this thesis demonstrates that the employed phase-field model is fully capable of reconstructing complex phenomena such as new phase nucleation at the crack tip, the formation of twin bands, and the dynamic interplay between stress fields and phase change. The results of this research not only contribute to the fundamental understanding of fracture mechanisms in ceramics but also provide a computational framework for the design and optimization of a new generation of smart and resistant materials with engineered microstructures.
استاد راهنما
حسين جعفرزاده , مهدي جوان بخت
استاد داور
مهدي سلماني تهراني , صالح اكبرزاده