جلسه دفاع از پایان نامه اقای سعید شهباز
جلسه دفاع پاياننامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک-گرایش طراحی کاربردی
موضوع: مدلسازی میدان فاز برهمکنش میان ترک و استحاله فازی مارتنزیتی دو ورینته در آلیاژ نیکل آلومینیوم
دانشجو: سعید شهباز
استادان راهنما:دکتر مهدی جوانبخت - دکتر حسین جعفرزاده
استادان داور: دکتر محمدرضا فروزان - دکتر صالح اکبرزاده
استحاله فازی مارتنزیتی به عنوان یک تحول ساختاری مرتبه اول، نقشی حیاتی در تعیین رفتار مکانیکی مواد پیشرفته و آلیاژهای حافظهدار ایفا میکند. این استحاله که با تغییر در شبکه کریستالی همراه است، منجر به ایجاد نانوساختارهای پیچیدهای مانند دوقلوییها شده که مستقیماً بر خواص چقرمگی و مقاومت به شکست ماده تأثیر میگذارند. یکی از پیچیدهترین مسائل در این حوزه، درک چگونگی تعامل میان این استحاله و پدیده شکست است؛ چرا که تمرکز تنش در لبههای ترک میتواند محرکی برای شروع استحاله فازی باشد و از سوی دیگر، تشکیل فازهای جدید با تغییر در توزیع انرژی الاستیک، مسیر و سرعت رشد ترک را دستخوش تغییرات جدی میکند. هدف اصلی این پژوهش، مدلسازی عددی و تحلیل دقیق این برهمکنش دوجانبه در آلیاژ تککریستال نیکل-آلومینیوم با در نظر گرفتن دو ورینت مارتنزیتی است تا مکانیزمهای بازدارنده شکست در مقیاس نانو شناسایی شوند. در این پژوهش از روش میدان فاز به عنوان یک ابزار قدرتمند محاسباتی برای توصیف فصلمشترکهای متحرک استفاده شده است. بر خلاف روشهای کلاسیک که نیاز به ردیابی صریح مرزها دارند، در این رویکرد از پارامترهای مشخصه برای تمایز میان فازهای مختلف و حالتهای شکست بهره گرفته شده است. چارچوب ترمودینامیکی این مدل بر پایه نظریه پیوسته گینزبرگ-لاندا بنا نهاده شده است که در آن دو معادله میدان فاز غیرخطی برای توصیف همزمان دو ورینت مارتنزیتی و یک معادله میدان فاز شکست با معادلات الاستیسیته کوپل شدهاند. نوآوری کلیدی در این مدلسازی، لحاظ کردن اثرات برهمکنش ورینتها با یکدیگر در حضور یک ناپیوستگی یعنی ترک است که به درک بهتر پدیده خودسازگاری در مواد تغییر شکلدهنده فازی کمک میکند. فرآیند پیادهسازی عددی این مدل پیچیده با استفاده از روش المان محدود در نرمافزار محاسباتی کامسول انجام گرفته است. جهت اطمینان از صحت مدل توسعهیافته، نتایج اولیه شبیهسازی در زمینههایی نظیر محاسبه زوایای تعادلی فصل مشترک فازی و نحوه تشکیل ساختارهای دوقلویی با دادههای تحلیلی و عددی موجود در ادبیات فن مورد مقایسه و اعتبارسنجی دقیق قرار گرفت که انطباق بسیار بالایی را نشان داد. بخش قابل توجهی از این تحقیق به واکاوی نتایج حاصل از شبیهسازیها در شرایط مختلف بارگذاری و دمایی اختصاص یافته است. تحلیلهای انجام شده در دماهای مختلف نشان داد که دما نقشی تعیینکننده در پایداری فازها و رقابت میان انرژی شیمیایی و انرژی الاستیک ایفا میکند. نتایج حاکی از آن است که در نزدیکی نوک ترک، به دلیل تمرکز شدید تنشهای کششی، جوانهزنی ورینتهای مارتنزیتی بهصورت ترجیحی رخ میدهد. این ناحیه استحالهیافته با جذب بخشی از انرژی مکانیکی صرف شده برای شکست، منجر به پدیده چقرمگیافزایی ناشی از استحاله میگردد. در واقع، تشکیل فاز مارتنزیت در اطراف ترک باعث بازتوزیع تنش و کاهش شدت آن در نوک ترک میشود که این امر شروع پیشروی ترک را به تأخیر میاندازد. همچنین در بارگذاریهای دومحوره، مشاهده گردید که آرایش ورینتها و الگوی دوقلوییها نسبت به بارگذاری تکمحوره تغییر یافته و مسیر انتشار ترک تمایل دارد از میان مرزهای فازی با انرژی کمتر عبور کند. در نهایت، یافتههای این پایاننامه اثبات میکند که برهمکنش میان میدان فاز ترک و پارامترهای مشخصه استحاله فازی، یک مکانیزم کنترلی دقیق برای پیشبینی رفتار تخریبی مواد هوشمند فراهم میآورد. نتایج نشان داد که در دماهای پایین، تشکیل ساختارهای دوقلویی متناوب به دلیل توزیع گستردهتر تنش، کارایی بیشتری در مهار ترک دارند. همچنین مشاهده شد که در سطوح بالای بارگذاری، ترک میتواند به درون فازهای مارتنزیت نفوذ کرده و مسیر آن توسط چیدمان هندسی ورینتها هدایت شود. این پژوهش ضمن ارائه یک مدل محاسباتی جامع برای سیستمهای چندورینته، بینش جدیدی درباره نقش نانوساختارهای مارتنزیتی در بهبود چقرمگی شکست ارائه میدهد که میتواند در طراحی متالورژیکی آلیاژهای پیشرفته با طول عمر بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر شکستهای ناگهانی مورد استفاده قرار گیرد.
