مدل‌سازي ميدان فاز برهم‌كنش ميان رشد ترك و استحاله فازي تتراگونال-مونو‌كلينيك در زيركونيا

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

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.

237413

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان