شماره مدرك
21011
شماره راهنما
18033
پديد آورنده
شهباز، سعيد
عنوان
مدلسازي ميدان فاز برهمكنش ميان ترك و استحاله فازي مارتنزيتي دو ورينته در آلياژ نيكل آلومينيوم
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
طراحي كاربردي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
سيزده، 87ص : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
استحاله فازي مارتنزيتي , روش ميدان فاز , ترك , آلياژ نيكل-آلومينيوم , ورينتهاي مارتنزيتي , روش المان محدود , آلياژهاي حافظهدار
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/13
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/02/13
كد ايرانداك
23210110
چكيده فارسي
استحاله فازي مارتنزيتي به عنوان يك تحول ساختاري مرتبه اول، نقشي حياتي در تعيين رفتار مكانيكي مواد پيشرفته و آلياژهاي حافظهدار از جمله نيكل آلومينيوم ايفا ميكند. اين استحاله كه با تغيير در شبكه كريستالي همراه است، منجر به ايجاد نانوساختارهاي پيچيدهاي مانند دوقلوييها شده كه مستقيماً بر خواص چقرمگي و مقاومت به شكست ماده تأثير ميگذارند. يكي از پيچيدهترين مسائل در اين حوزه، درك چگونگي تعامل ميان اين استحاله و پديده شكست است؛ چرا كه تمركز تنش در لبههاي ترك ميتواند محركي براي شروع استحاله فازي باشد و از سوي ديگر، تشكيل فازهاي جديد با تغيير در توزيع انرژي الاستيك، مسير و سرعت رشد ترك را دستخوش تغييرات جدي ميكند. هدف اصلي اين پژوهش، مدلسازي عددي و تحليل دقيق اين برهمكنش دوجانبه در آلياژ تككريستال نيكل-آلومينيوم با در نظر گرفتن دو ورينت مارتنزيتي است تا مكانيزمهاي بازدارنده شكست در مقياس نانو شناسايي شوند. در اين پژوهش از روش ميدان فاز به عنوان يك ابزار قدرتمند محاسباتي براي توصيف فصلمشتركهاي متحرك استفاده شده است. بر خلاف روشهاي كلاسيك كه نياز به رديابي صريح مرزها دارند، در اين رويكرد از پارامترهاي مشخصه براي تمايز ميان فازهاي مختلف و حالتهاي شكست بهره گرفته شده است. چارچوب ترموديناميكي اين مدل بر پايه نظريه پيوسته گينزبرگ-لاندا بنا نهاده شده است كه در آن دو معادله ميدان فاز غيرخطي براي توصيف همزمان دو ورينت مارتنزيتي و يك معادله ميدان فاز شكست با معادلات الاستيسيته كوپل شدهاند. نوآوري كليدي در اين مدلسازي، لحاظ كردن اثرات برهمكنش ورينتها با يكديگر در حضور يك ناپيوستگي يعني ترك است كه به درك بهتر پديده خودسازگاري در مواد تغيير شكلدهنده فازي كمك ميكند. فرآيند پيادهسازي عددي اين مدل پيچيده با استفاده از روش المان محدود در نرمافزار محاسباتي كامسول انجام گرفته است. جهت اطمينان از صحت مدل توسعهيافته، نتايج اوليه شبيهسازي در زمينههايي نظير محاسبه زواياي تعادلي فصل مشترك فازي و نحوه تشكيل ساختارهاي دوقلويي با دادههاي تحليلي و عددي موجود در ادبيات فن مورد مقايسه و اعتبارسنجي دقيق قرار گرفت كه انطباق بسيار بالايي را نشان داد. بخش قابل توجهي از اين تحقيق به واكاوي نتايج حاصل از شبيهسازيها در شرايط مختلف بارگذاري و دمايي اختصاص يافته است. تحليلهاي انجام شده در دماهاي مختلف نشان داد كه دما نقشي تعيينكننده در پايداري فازها و رقابت ميان انرژي شيميايي و انرژي الاستيك ايفا ميكند. نتايج حاكي از آن است كه در نزديكي نوك ترك، به دليل تمركز شديد تنشهاي كششي، جوانهزني ورينتهاي مارتنزيتي بهصورت ترجيحي رخ ميدهد. اين ناحيه استحالهيافته با جذب بخشي از انرژي مكانيكي صرف شده براي شكست، منجر به پديده چقرمگيافزايي ناشي از استحاله ميگردد. در واقع، تشكيل فاز مارتنزيت در اطراف ترك باعث بازتوزيع تنش و كاهش شدت آن در نوك ترك ميشود كه اين امر شروع پيشروي ترك را به تأخير مياندازد. همچنين در بارگذاريهاي دومحوره، مشاهده گرديد كه آرايش ورينتها و الگوي دوقلوييها نسبت به بارگذاري تكمحوره تغيير يافته و مسير انتشار ترك تمايل دارد از ميان مرزهاي فازي با انرژي كمتر عبور كند. در نهايت، يافتههاي اين پاياننامه اثبات ميكند كه برهمكنش ميان ميدان فاز ترك و پارامترهاي مشخصه استحاله فازي، يك مكانيزم كنترلي دقيق براي پيشبيني رفتار تخريبي مواد هوشمند فراهم ميآورد. نتايج نشان داد كه در دماهاي پايين، تشكيل ساختارهاي دوقلويي متناوب به دليل توزيع گستردهتر تنش، كارايي بيشتري در مهار ترك دارند. همچنين مشاهده شد كه در سطوح بالاي بارگذاري، ترك ميتواند به درون فازهاي مارتنزيت نفوذ كرده و مسير آن توسط چيدمان هندسي ورينتها هدايت شود. اين پژوهش ضمن ارائه يك مدل محاسباتي جامع براي سيستمهاي چندورينته، بينش جديدي درباره نقش نانوساختارهاي مارتنزيتي در بهبود چقرمگي شكست ارائه ميدهد كه ميتواند در طراحي متالورژيكي آلياژهاي پيشرفته با طول عمر بالاتر و مقاومت بيشتر در برابر شكستهاي ناگهاني مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي
Martensitic phase transformation, as a first-order structural transition, plays a vital role in determining the mechanical behavior of advanced materials and shape-memory alloys, including Nickel-Aluminum. This transformation, accompanied by crystallographic lattice reorganization, leads to the formation of complex nanostructures such as twins, which directly influence material toughness and fracture resistance. A complex issue in this field is understanding the interaction between this transformation and fracture; stress concentration at crack tips can trigger phase transformation, while new phase formation, by altering elastic energy distribution, significantly modifies crack propagation path and velocity. The primary objective of this research is to numerically model and accurately analyze this bidirectional interaction in single-crystal nickel-aluminum alloys, considering two martensitic variants, to identify nanoscale fracture-inhibiting mechanisms.
The phase-field method is used as a powerful computational tool for describing moving phase boundaries. Unlike classical methods requiring explicit boundary tracking, this approach employs order parameters to distinguish between different phases and fracture states. The model’s thermodynamic framework is based on Ginzburg-Landau continuum theory, where three nonlinear evolution equations are coupled with elasticity equations to simultaneously describe two martensitic variants and a fracture phase field. The key innovation in this modeling is incorporating variant interactions in the presence of a discontinuity—a crack—which aids in better understanding self-adaptive phenomena in phase-transforming materials. Numerical implementation of this complex model was performed using the finite element method in the COMSOL Multiphysics software. To ensure model accuracy, initial simulation results were rigorously compared and validated against existing analytical and numerical data in the literature, particularly in calculating equilibrium phase boundary angles and twin structure formation, showing excellent agreement.
A significant portion of this research analyzes simulation outcomes under various loading and temperature conditions. Analyses at different temperatures revealed that temperature plays a decisive role in phase stability and the competition between chemical and elastic energies. Results indicate that near the crack tip, due to intense tensile stress concentration, martensitic variants preferentially nucleate. This transformed region, by absorbing part of the mechanical energy expended for fracture, induces transformation-induced toughening. In effect, martensite formation around the crack redistributes stress and reduces its intensity at the crack tip, delaying crack propagation. Furthermore, under biaxial loading, it was observed that variant arrangement and twin patterns change compared to uniaxial loading, and the crack propagation path tends to follow lower-energy phase boundaries. Ultimately, the findings of this thesis demonstrate that the interaction between the crack phase field and phase transformation order parameters provides a precise control mechanism for predicting the failure behavior of smart materials. Results show that at low temperatures, periodic twin structures, due to broader stress distribution, are more efficient in crack arrest. Also, at high loading levels, cracks can penetrate into metastable phases, with their path guided by the geometric arrangement of variants. This research, by presenting a comprehensive computational model for multi-variant systems, offers new insights into the role of martensitic nanostructures in enhancing fracture toughness, which can be utilized in the metallurgical design of advanced alloys with higher lifespans and greater resistance to sudden fractures.
استاد راهنما
مهدي جوان بخت , حسين جعفرزاده
استاد داور
محمدرضا فروزان , صالح اكبرزاده