دفاع پایاننامه کارشناسی ارشد مکانیک طراحی کاربردی اقای بهزاد انتشاری
دفاع پایاننامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی
دانشجو: بهزاد انتشاری
موضوع پایاننامه: مدلسازی میدان فاز برهمکنش میان رشد ترک و استحاله فازی تتراگونال-مونوکلینیک در زیرکونیا
استادان راهنما: دکتر حسین جعفرزاده - دکتر مهدی جوانبخت
استادان داور: دکتر مهدی سلمانی تهرانی - دکتر صالح اکبرزاده
زمان و مکان: دوشنبه 20 بهمنماه 1404- ساعت 14- اتاق سمینار شاکرین گیربکس 1
تعامل میان استحاله فازی و رشد ترک یکی از پیچیدهترین و در عین حال کلیدیترین پدیدهها در تعیین خواص مکانیکی مواد پیشرفته، بهویژه سرامیکهای زیرکونیا است. در این پایاننامه، برهمکنش میان رشد ترک و استحاله فازی تتراگونال- مونوکلینیک در نانوساختارهای زیرکونیا با استفاده از یک مدل عددی پیشرفته مبتنی بر روش میدان فاز مورد مطالعه قرار گرفته است. اهمیت این پژوهش در درک عمیق مکانیزم چقرمگی ناشی از استحاله نهفته است که عامل اصلی مقاومت بالای زیرکونیا در برابر شکست در کاربردهای حساس صنعتی و پزشکی نظیر ایمپلنتهای دندانی و قطعات مربوط به هوافضا محسوب میشود. در بخش اول پژوهش، مبانی نظری استحاله فازی و مکانیک شکست بررسی شده است. استحاله فازی تتراگونال- مونوکلینیک در زیرکونیا، از نوع استحاله فازی مرتبه اول و فاقد نفوذ اتمی است که با تغییر حجم قابل توجهی (حدود ۴ تا ۵ درصد) همراه میباشد. این تغییر حجم منجر به ایجاد میدانهای تنش داخلی میشود که میتواند بر مسیر و نرخ رشد ترک اثرگذار باشد. روش میدان فاز به دلیل ماهیت پیوسته و عدم نیاز به ردیابی صریح مرزهای متحرک مانند نوک ترک یا فصلمشترکهای فازی، ابزاری قدرتمند برای شبیهسازی همزمان این دو پدیده فراهم آورده است. در این پژوهش، چارچوب نظری با تکیه بر تعریف تابع انرژی آزاد هلمهولتز کل توسعه یافته است که شامل مؤلفههای انرژی شیمیایی (ترمودینامیکی)، انرژی الاستیک (ناشی از کرنشهای تغییر شکل و استحاله)، انرژی گرادیان (برای توصیف انرژی سطحی مرزها) و انرژی شکست است. معادلات حاکم بر سیستم با استفاده از فرمولبندی گینزبرگ-لاندا استخراج شده و به صورت یک دستگاه معادلات دیفرانسیل جفتشده حل شدهاند. در این مدل، یک پارامتر مشخصه برای توصیف وضعیت فازی و پارامتر دیگری برای توصیف میدان ترک تعریف شده است. یافتههای حاصل از شبیهسازیهای عددی در چندین حالت مختلف تحلیل شده است. نتایج نشان داد که تمرکز تنش در نوک ترک به عنوان نیروی محرکهای برای آغاز استحاله فازی عمل میکند. تشکیل فاز مونوکلینیک در اطراف نوک ترک به دلیل انبساط حجمی، تنشهای فشاری بازگشتی ایجاد کرده که با کاهش شدت تنش در نوک ترک، مانع از پیشروی سریع آن شده و منجر به افزایش چقرمگی ظاهری ماده میگردد. شبیهسازی عبور ترک از میان ریزساختارهای استحاله یافته نشان داد که مرزهای میان ورینتهای مونوکلینیک به دلیل ناپیوستگی در میدان کرنش، به عنوان مسیرهای کمانرژی عمل کرده و باعث انحراف ترک از مسیر مستقیم میشوند. در بارگذاری با نرخ بالا، رقابتی میان سرعت رشد ترک و نرخ تکامل استحاله فازی مشاهده شد. در مواردی که سرعت ترک بسیار زیاد است، ماده فرصت کافی برای سازماندهی ریزساختارهای دوقلویی منظم را نداشته و ترک پیش از تکمیل فرآیند استحاله مهارکننده، از ناحیه عبور میکند، همچنین استفاده از توزیعهای تصادفی اولیه برای پارامتر مشخصه، امکان شبیهسازی عیوب نقطهای و مراکز جوانه زنی متعدد را فراهم کرد که دقت مدل را در پیشبینی رفتارهای میکروسکوپی بهبود بخشید. در نهایت، این پایاننامه ثابت میکند که مدل میدان فاز به کار گرفته شده به خوبی قادر است پدیدههای پیچیدهای چون هستهزایی فاز جدید در نوک ترک، تشکیل نوارهای دوقلویی و برهمکنش پویا میان میدانهای تنش و تغییر فاز را بازسازی کند. نتایج این تحقیق نه تنها به درک بنیادی مکانیزمهای شکست در سرامیکها کمک میکند، بلکه بستری محاسباتی برای طراحی و بهینهسازی نسل جدیدی از مواد هوشمند و مقاوم با ریزساختارهای مهندسی شده فراهم میآورد.
واژگان کلیدی: روش میدان فاز، زیرکونیا، استحاله فازی تتراگونال- مونوکلینیک، مکانیک شکست، چقرمگی ناشی از استحاله، معادلات گینزبرگ-لاندا
