بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش تجزیه محلولهای جامد نیمهپایدار به کمک شبیهسازی دینامیک مولکولی بررسی شدهاست. برای شبیهسازی دینامیک مولکولی از تابع پتانسیل چندجسمی EAM بهره گرفته شد. نمونههای شبیهسازی برای آلیاژهای FeNiMo، FeNiTi و FeNiCu ساخته شدند و پس از حرارتدهی تا دمای معین، تحت گرمایش همدما قرار گرفتند و تفاوتهای رفتاری آنها بهلحاظ ساختاری در حین گرمایش همدما ارزیابی شد. جهت بررسی ویژگیهای ساختاری محلولهای جامد، منحنیهای MSD و RDF رسم گردید. نتایج بهدست آمده نشان میدهند که آرامسازی در دمای محیط، ساختار صلب BCC و تابع توزیع شعاعی را تغییر میدهد.
محلولهای جامد در آلیاژهای مورد بررسی، آهنگهای گرمایش متفاوتی دارند و پس از رسیدن به دمای موردنظر، برای کاهش انرژی سیستم، نیازمند آرامش میباشند. در اثر گرمایش همدما، نوسانات قابل توجهی مشاهده شد که تابع نوع محلول جامد است. پس از گرمایش همدما در محلولهای جامد مورد بررسی، خوشههای اتمی ظاهر شدند که نشاندهنده عدم حاکمیت آنتروپی وضعیتی و درنتیجه توزیع تصادفی اتمها هستند. بررسی کیفی خوشههای اتمی تشکیلشده، نشان داد که شکل خوشهها در آلیاژ FeNiCu متفاوت از دو آلیاژ FeNiMo و FeNiTi میباشد. بهنظر میرسد که خوشههای NiCu در امتداد صفحات خاص - 111 - bcc شکل میگیرند.
واژههای کلیدی: شبیهسازی کامپیوتری1، دینامیکمولکولی2، محلولهای جامد3، آلیاژهای مارتنزیتی4، پتانسیل 5 EAM
-1 مقدمه:
با توجه به توسعه روز افزون مواد نانوساختار و لزوم درک رفتار این مواد در مواردی که آزمایش با نبود تجهیزات محدود میشود، استفاده از روشهای شبیهسازی میتواند مفید واقع شود. در بین انواع مختلف شبیهسازی، دینامیک مولکولی جایگاه ویژهای به خود اختصاص دادهاست. در سالهای اخیر توجه ویژهای به کاربرد مواد در مقیاس نانو برای ساخت قطعات جدید معطوف شده-است. از طرفی تلاشهای زیادی برای کشف مشخصات فیزیکی و شیمیایی ویژه مواد در مقیاس نانو انجام شدهاست. بهدلیل مشکلات و هزینههای ویژه آزمایش در این مقیاس، ناگزیر باید به روشهای مدلسازی اتمی، از جمله دینامیک مولکولی و تهیه کدهای کامپیوتری برای شبیهسازی خواص مواد در این مقیاس روی آورد.
یکی از نیازهای اساسی صنایع پیشرفته، احتیاج به موادی با قابلیت اطمینان بالا از نظر استحکام و تافنس شکست میباشد. دراین راستا محققان زیادی آلیاژهای مختلفی را با استحکام بالا گسترش دادهاند؛ که در این میان تنها فولادهای ماراجینگ توانستهاند جایگاه مخصوص خود را کسب نمایند. مهمترین کاربرد این فولادها در صنایع نظامی، هوافضا، اجزاء الکترومکانیکی و غیره میباشد. این فولادها که متعلق به گروه آلیاژهای پایه آهن میباشند، ابتدا تحت استحالهی مارتنزیتی قرار گرفته و سپس پیرسازی یا رسوبسختی میشوند.نتایج تحقیقات قبلی نشان دادهاست که افزودن عناصری مثل تیتانیم، مولیبدن، آلومینیوم و منگنز به آلیاژهای مارتنزیتی آهن-نیکل، سبب ناپایداری محلول جامد و درنتیجه تجزیه این محلولها در دماهای پائین میگردد.
برایناساس، تحقیقات زیادی در زمینه ریزساختار و رفتار پیرسختی آلیاژهای سهتائیFe-Ni-Ti،Fe-Ni-Mo، Fe-Ni-Mn و غیره صورت گرفتهاست. انجام عملیات پیرسازی بر روی آلیاژهای آنیل محلولی ابتدا سبب تجزیه محلول به خوشههای غنی از - Ni,Ti - ، - Ni,Mo - و - Ni,Mn - میشود. در ادامه عملیات، خوشهها رشد کرده و به رسوبات فاز ثانوی از نوع Ni3Mo ,Ni3Ti و NiMn تبدیل میشوند. تحقیقات مشابهی نیز در مورد آلیاژهای Fe-Cu گزارش شدهاست که در آن نیز ابتدا مناطق غنی از Cu شکل گرفته و با رشد خود به ذرات مس خالص تبدیل میشوند. در پژوهش حاضر، مراحل اولیه تجزیه محلولهای جامد و فرایند تشکیل خوشهها در آلیاژهای ماراجینگ تحت بررسی قرار میگیرد. هدف اصلی، بررسی ریزساختار آنیل محلول شده در محلولهای جامد نیمهپایدار، تاثیر زمان پیرسازی کوتاهمدت بر ریزساختار آنها، نمایش اندرکنشهای اتمی و تجمع احتمالی آنها در مراحل اولیه پیرسازی به روش دینامیک مولکولی میباشد.
-2 روش شبیهسازی اتمی
الف - توابع
تابع پتانسیل بیناتمی1
مهمترین نکته در شبیهسازی انرژی پتانسیل است. انتخاب یک تابع پتانسیل خاص در یک میدان نیرو معمولا بهمنظور افزایش سرعت محاسبات یا کارائی آن انجام میشود. بهجز در مورد سیستمهای بسیار ساده، انرژی پتانسیل معمولا تابعی پیچیده و چندبعدی از مختصات است. در این شبیهسازی از تابع پتانسیل چندجسمی - $0 استفاده شدهاست - 2384- :1980Andersen 2393، 25 :2009Bonny، . - 1312-1325 :2006Cacciamani در پتانسیلهای - $0، انرژی یک اتم با رابطه زیر بیان میشود:که انرژی نهائی اتم i، انرژی جاسازی - تابعی از دانسیته الکترونی اتم - ، پتانسیل جفتی و فاصله بین اتمهای i و j میباشد.
تابع توزیع شعاعی2
تابع توزیع شعاعی مهمترین ویژگی ساختاری مواد است. این تابع بیانگر احتمال یافتن یک مولکول در فاصلهی خاص از یک مولکول مرکزی اختیاری است که با g - r - نمایش داده میشود - r فاصلهی بین مولکولی است - . تابع توزیع شعاعی معیار ارزشمندی برای توصیف ساختار سیستمها میباشد. در یک بلور، تابع توزیع شعاعی دارای بینهایت پیکهای تیز است که فاصله و ارتفاع آنها ویژگی مشخصه ساختار شبکهای بلور است. در این پژوهش تابع توزیع شعاعی، بهجهت آنالیز ساختاری سیستم، از نرمافزار لمپس رسم و بررسی گردیدهاست - . - 4
ب - مراحل شبیهسازی
ابتدا محلول جامد تصادفی با ساختار BCC شبیهسازی شد که عناصر Mo,Ni و غیره بهطور تصادفی در این محلول جای گرفته-اند. عناصر مذکور از نوع عناصر آلیاژی جانشین میباشند و در مکانهای شبکه کریستالی آهن جای میگیرند. آلیاژهای مورد بررسی و درصد اتمی عناصر آلیاژی موجود در هر کدام از محلولهای جامد که مطابق با ترکیبات تجربی میباشد، در جدول1 گزارش شدهاست.
