شماره مدرك
21086
شماره راهنما
2486 دكتري
پديد آورنده
ورشابي، نيلوفر
عنوان
مدلسازي چندميدانفازي رشد دانه در فلزات نانوبلوري
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
طراحي كاربردي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
دوازده، 90ص: مصور، نمودار
توصيفگر ها
ميدان فاز , رشد دانه , حركت مرزدانه , مواد نانوبلوري
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/12
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/13
كد ايرانداك
23226664
چكيده فارسي
خواص مكانيكي مواد بلوري بهشدت تحت تأثير ساختار دانه قرار دارد و اين تأثير در حالت نانوبلوري اهميت ويژهاي پيدا ميكند. ريزساختار درون يك چندبلوري از طريق حركت مرزدانهها كه با كاهش انرژي آزاد كل سيستم همراه است، تكامل مييابد. بنابراين، تغيير در خواص مكانيكي با آغاز رشد دانه قابل انتظار است. مطالعهي رشد دانه در مواد نانوبلوري، كه در آن مرزدانه بخش قابل توجهي از حجم كل دانه را تشكيل ميدهد، بينشهاي جديدي در مورد ماهيت و خواص مرزدانهها فراهم ميآورد. در اين رساله، يك رويكرد محاسباتي نوين با تلفيق يك روش اجزاي محدود جهت تحليل تعادل ماكروسكوپي و يك روش ميدان فاز براي شبيهسازي تكامل ريزساختار توسعه داده شد. اين رويكرد، تبادل دادهي كارآمد دوطرفه و همزمان بين نقطههاي انتگرالگيري در روش اجزاي محدود و نقطههاي شبكه در روش ميدان فاز را امكانپذير ميسازد. همچنين، در اين راستا تأثير حجم آزاد اضافي مرزدانه در رفتار ترموديناميكي و حركت مرزدانهها بهطور صريح در مدل لحاظ گرديد. هدف از اين توسعه، ارائهي يك چارچوب محاسباتي براي بررسي ريزساختار و تكامل بافت در فلزات نانوبلوري و ايجاد يك نظريهي پديدارشناختي سازگار با ترموديناميك، بهمنظور توصيف دقيق رشد دانه و حركت مرزدانه در فلزات نانوبلوري بود. در اين راستا، يك مدل ساختاري سهبعدي براي شبيهسازي حركت مرزدانه، با در نظر گرفتن حجم آزاد اضافي يا انبساط مرزدانه، بر اساس قوانين ترموديناميكي توسعه داده شد. فرضيات حاكم بر نظريهي ساختاري شامل چشمپوشي كردن از نيروهاي اينرسي/حجمي، در نظر گرفتن فرآيند تحت شرايط همدما، ناديده گرفتن اثرات سطوح خارجي بر حركت مرزدانه، توسعهي معادلات ساختاري بر اساس اصول ترموديناميك و نظريهي تعادل نيروهاي ميكرو در هيأت مرجع و عدم در نظر گرفتن حجم آزاد اضافي مرزدانه بهعنوان يك فاز مجزا ميباشد. همچنين كرنش ويژهي ناشي از انبساط مرزدانه بهصورت همسانگرد فرض شده و مكانيزم نفوذ در ايجاد آن نقشي ندارد. علاوه بر اين، ضخامت مرزدانه مقداري ثابت در نظر گرفته شده و انرژي مرزدانه نيز بهصورت يك كميت اسكالر و مستقل از جهتگيري فرض ميشود. معادلات ساختاري مورد نياز ابتدا استخراج و سپس از طريق نگارش يك زيربرنامه در نرمافزار اجزاي محدود آباكوس پيادهسازي شدند. اين رويكرد، روش ميدان فاز براي مهاجرت مرزدانه تحت تنش را با محاسبات تعادل تنش در چارچوب روش اجزاي محدود تلفيق ميكند. درستي و دقت مدل پيشنهادي از طريق مقايسهي نتايج شبيهسازي با راهحلهاي تحليلي براي مرزدانهي دايرهاي در يك مدل دوبلوري مورد تأييد قرار گرفت. افزون بر آن، مدل توسعهيافته براي شبيهسازي دادههاي تجربي ديلاتومتري مس نانوبلوري بهكار گرفته شد كه نهتنها امكان كاليبراسيون دقيق مدل را فراهم كرد، بلكه درك بهتري از نقش حجم آزاد اضافي مرزدانه در فرآيند رشد دانه ارائه داد. شبيهسازيها نشان داد كه آزادسازي حجم آزاد اضافي مرزدانه در طول رشد دانه باعث ايجاد تنشها و كرنشهاي پسماند در ساختار نانوبلوري مس ميشود. هرچند اين مقادير اندك هستند، اما با كرنشهاي خطي ديدهشده در دادههاي تجربي قابل مقايسهاند. اين نتايج نقش كليدي حجم آزاد اضافي مرزدانه را در مهاجرت مرزدانه و تكامل ريزساختاري مواد نانوبلوري برجسته ميكنند و بينشهاي ارزشمندي را در مورد تأثيرات انبساط مرزدانه بر تكامل ريزساختار مواد نانوبلوري فراهم كرده و ميتوانند مبناي مهمي براي طراحي مواد با خواص مكانيكي بهينه باشند.
چكيده انگليسي
The mechanical properties of crystalline materials are profoundly influenced by their grain structure, a factor that gains particular significance in nanocrystalline materials. The microstructure within a polycrystalline material evolves through the movement of grain boundaries, which is accompanied by a reduction in the system’s total free energy. Consequently, a change in mechanical properties is anticipated with the onset of grain growth. The study of grain growth in nanocrystalline materials, where grain boundaries constitute a substantial portion of the total grain volume, offers novel insights into the nature and properties of these boundaries. In this study, a novel computational approach was developed by integrating a finite element method (FEM) for macroscopic equilibrium analysis with a phase-field method to simulate microstructure evolution. This approach enables efficient, bidirectional, and simultaneous data exchange between integration points in the FEM and grid points in the phase-field method. Furthermore, the influence of excess grain boundary free volume on the thermodynamic behavior and grain boundary migration was explicitly incorporated into the model. The objective of this development was to provide a computational framework for investigating microstructure and texture evolution in nanocrystalline metals and to establish a thermodynamically consistent phenomenological theory for accurately describing grain growth and grain boundary migration in these materials. To this end, a 3D structural model was developed to simulate grain boundary migration, considering the excess grain boundary free volume or expansion, based on thermodynamic principles. The assumptions governing the structural theory include neglecting inertial and body forces, considering the process under isothermal conditions, ignoring the effects of external surfaces on grain-boundary migration, formulating the constitutive equations based on thermodynamic principles and the theory of microforce balance in the reference configuration, and not treating the excess free volume of the grain boundary as a separate phase. In addition, the eigenstrain associated with grain-boundary expansion is assumed to be isotropic, and diffusion mechanisms are assumed to play no role in its generation. Furthermore, the grain-boundary thickness is considered constant, and the grain-boundary energy is assumed to be a scalar quantity independent of orientation. The requisite structural equations were first derived and subsequently implemented by writing a user subroutine within the Abaqus finite element software. This approach couples the phase-field method for grain boundary migration under stress with stress equilibrium computations within the FEM framework. The accuracy and validity of the proposed model were confirmed by comparing simulation results with analytical solutions for a circular grain boundary in a bi-crystal model. Additionally, the developed model was employed to simulate experimental data from dilatometry of nanocrystalline copper. This not only allowed for precise model calibration but also provided a better understanding of the role of excess grain boundary free volume in the grain growth process. Simulations indicated that the release of excess grain boundary free volume during grain growth induces residual stresses and strains in the nanocrystalline copper structure. Although these values are small, they are comparable to the linear strains observed in the experimental data. These results highlight the pivotal role of excess grain boundary free volume in grain boundary migration and the microstructural evolution of nanocrystalline materials, offering valuable insights into the effects of grain boundary expansion on microstructure evolution and serving as a crucial foundation for designing materials with optimized mechanical properties.
استاد راهنما
محمد سيلاني , محمد جعفري گلويك
استاد مشاور
مصطفي جمشيديان
استاد داور
حسين جعفرزاده , محمد آرام فرد , مهدي جوان بخت , كوروش حسن پور