بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از شبیهسازی رایانهای، به بررسی پاسخ نانوذره مس در برابر نانوفروروندهای با خواص مشابه ساختار الماس، پرداخته شده است. ساختار مس بر روی زیر لایهای از سیلیسیوم قرار داده شد تا تاثیر زیر لایه موجب افزایش دقت محاسبات شود. سپس نانوفرورونده در راستای محور z وارد ساختار گردید. پتانسیل بهکار رفته برای اندرکنش بین اتمهای مس، روش اتم جاسازی شده است. استفاده از این پتانسیل، روش پذیرفته شدهای برای شبیه سازی نانوساختارهای FCC است.
هدف اصلی این پژوهش بررسی ارتباط بین تغییر شکل پلاستیک با تغییرات نیرو و همچنین جوانهزنی و رشد نابهجاییها است. از خروجیهای این شبیهسازی برای رسم نمودارهای نیرو بر حسب جابهجایی و محاسبهی خواص مکانیکی نانوذره مس استفاده شد. نتایج بهدست آمده نشان داد که در هنگام تغییر شکل پلاستیک، نیروی لازم برای نفوذ نانوفرورنده، کاهش چشم گیر و ناگهانی پیدا میکند. همچنین با تغییر شکل پلاستیک در اثر ورود نانوفرورونده، در سطح مشترک نانوفرورونده و نانو ذره مس، نابهجاییها شروع به جوانه زنی میکنند.
رشد نابه جاییها در صفحههای - 111 - است. مهمترین دستآورد این مقاله محاسبه مدول یانگ، سختی و سفتی نانوذره مس به کمک شبیه سازی است که به ترتیب، 128 گیگاپاسکال، 13/2 گیگاپاسکال و 1/3181 میکرو نیوتون بر آنگستروم، بهدست آمد. نتایج بدست آمده با داده های تجربی مطابقت مطلوبی دارد که نشان دهنده ی صحت شبیه سازی و محاسبات می باشد.
مقدمه
امروزه فرآیند فروروندگی، برای سختی سنجی سطحی کاربرد فراوان پیدا کرده است. این روش در ابعاد بالا قابل اطمینان می باشد اما در ابعاد نانو به دلیل شعاع زیاد فرورونده و تاثیر آن نمی توان نتایج مورد نظر را بدست آورد، به همین علت استفاده از نانوفرورونده ها پیشنهاد می شود. در این مقاله به بررسی نانوفروروندگی در نانو ذره مس پرداخته شده است. روش انجام پژوهش به وسیلهی شبیهسازی دینامیک مولکولی به کمک نرمافزار LAMMPS است. علت استفاده از شبیهسازی، عدم وجود ابزار مناسب برای بررسی دقیق رفتار نابهجاییها و محدودیت شعاع نانوفرورونده در حالت عملی است.
از دیگر مزایای استفاده از شبیه سازی، عدم وجود پارامترهای مخرب است که باعث کاهش دقت نتایج، در آزمایش های تجربی می شود. از جمله ی این موارد می توان به اکسید شدن سطح جسم، تغییر شکل پلاستیک نانو فرورونده در طی آزمایش و تاثیر زیر لایه اشاره کرد. در فرآیند شبیه سازی، نانوفرورونده کروی با رفتاری مشابه ساختار الماس وارد نانوذره مس میشود و تا مرحلهی تغییر شکل پلاستیک پیش میرود و پس از تغییر شکل از ساختار خارج میشود.
هدف اصلی این مقاله محاسبهی خواص مکانیکی نانو ذره مس و بررسی رشد و جوانهزنی نابهجاییها در حین تغییر شکل پلاستیک در اثر فرو رفتن نانوفرورونده است. از خروجیهای شبیهسازی برای رسم نمودار نیرو بر حسب جابهجایی نانوفرورونده استفاده شده است. بررسی این نمودار نشان داد که در هنگام تغییر شکل پلاستیک، نیرو بهصورت ناگهانی افت میکند، از مطابقت این نمودار با معادلات موجود، می توان به خواص مکانیکی نانوذره مس از قبیل مدول یانگ و سختی، دست یافت. این نمودار با نمودارهای بهدست آمده از روشهای تجربی، مطابقت دارد که نشان دهنده ی صحت شبیه سازی می باشد.
مبانی نظری پژوهش
از سال 1990 با پیدایش سیستمهای محاسبهگر قدرتمندتر، شبیهسازیهای رایانهای که نیاز به حجم عظیمی از پردازش بودند، مورد استقبال قرار گرفتند. از جمله روشهای شبیهسازی ذرات اتمی، میتوان به دینامیک مولکولی اشاره کرد. نحوه کار این روش به گونهای است که سرعت و مکان اولیه اتمها، برای سیستم تعریف میشود. سپس سیستم با محاسبهی تغییر پتانسیل، نیروی بین اتمها را بهدست میآورد. با محاسبه ی نیرو، با استفاده از معادله حرکت نیوتون، شتاب ذرات بهدست میآید. در آخر، با داشتن شتاب ذرات، سرعت و مکان جدید ذرات در فاصلهی زمانی بعدی مشخص میگردد. با تکرار این مراحل میتوان رفتار یک ذره را بررسی کرد.
هدف اصلی در این پژوهش، بررسی رفتار مکانیکی ساختار مس خالص در اثر ورود جسم صلب خارجی درون ساختار آن است که به فرآیند نانوفروروندگی موسوم است. معمولا از فرآیند فروروندگی برای محاسبهی سختی در مقیاس بالا و از فرآیند نانوفروروندگی برای محاسبه سختی در مقیاس میکروسکوپی مانند مرزدانه استفاده میشود. پس از انجام آزمون فروروندگی، به کمک نمودار نیرو بر حسب جابهجایی فرورونده، میتوان خواص مکانیکی ساختار مورد نظر را بررسی نمود. حین نفوذ فرورونده در نمونه، بار اعمالی و جابهجایی به صورت مداوم در یک سیکل بارگذاری/ باربرداری، ثبت می شوند. بار بیشینه و جابهجایی مربوطه، از عمق فرورفتگی محاسبه میشود. سختی - H - از رابطهی شمارهی 1 به دست میآید.
