بررسی ترمودینامیکی فرایند رشد دانه در فلزات نانوساختار با حضور عناصر افزودنی بوسیله شبیه سازی دینامیک مولکولی

امروزه مواد نانوکریستال به دلیل خواص ویژه و منحصربه فردشان مورد توجه محققین واقع شده اند. در این گروه از مواد کسر بالایی از اتم ها نسبت به مواد پلی کریستال درشت دانه در مرزهای دانه واقع شده اند و به این دلیل که مرزدانه انرژی بیشتری نسبت به ساختار درون دانه دارد، در این دسته از مواد انرژی ناشی از مرزدانه بسیار بالا بوده و تمایل بسیار شدیدی به رشد دانه از خود نشان می دهند. با رشد دانه ها و خارج شدن آن ها از ابعاد نانومتری خواص مطلوب این مواد از بین می رود. از طرفی میزان بالای مرزدانه در این مواد باعث می شود که از تأثیرات و خواص مرزدانه در رفتار ترمودینامیکی مواد نانوساختار نتوان چشم پوشی کرد و به همین دلیل مدل هایی برای توصیف رفتار ترمودینامیکی مواد نانوکریستال ارائه شده است. برای بررسی فرایند رشد دانه ها در این دسته از مواد و یافتن روش هایی برای پایداری دانه های مواد نانوکریستال در برابر رشد باید از این مدل ها استفاده نمود. مدل eos، مدل qda و مدل song مدل های ترمودینامیکی طراحی شده برای توصیف رفتار ترمودینامیکی فلزات نانوساختار به صورت خالص می باشند. این مدل ها نشان می دهند که در زیر اندازه دانه ای که به آن اندازه دانه بحرانی گفته می شود تمایل به رشد دانه در ساختار از بین می رود. بنابراین یکی از روش های جلوگیری از رشد دانه ها در مواد نانوکریستال و حفظ خواص ویژه آن ها و فراهم آوردن امکان به کارگیری آن ها در مقاصد کاربردی، کوچک کردن ابعاد دانه های آن ها تا زیر اندازه دانه بحرانی است. اما از آن جا که اندازه دانه بحرانی معمولاً بسیار کوچک است، یافتن روش هایی برای افزایش اندازه دانه بحرانی ضروری به نظر می رسد. یکی از این روش ها استفاده از اتم های عنصر ثانویه در ساختار فلز خالص، و کاهش انرژی مرزهای دانه توسط آن ها می باشد. از بین مدل های ارائه شده تنها مدل سانگ با اعمال تغییراتی ادعا می کند که قادر به پیش بینی رفتار ترمودینامیکی آلیاژهای فلزی در مقیاس نانومتری است. اما بررسی دقیقی روی قابلیت این مدل برای پیش بینی صحیح رفتار ترمودینامیکی آلیاژها در مقیاس نانو انجام نگرفته است. در این تحقیق با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی سعی در بررسی و ارزیابی توانایی این مدل در پیش بینی اندازه دانه بحرانی در آلیاژ آلومینیم-منیزیم می باشد. با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی در آلیاژ فوق رفتار نفوذی منیزیم و آلومینیم بررسی و همچنین با توجه به تغییرات حاصل در انرژی ساختار آلومینیم با اندازه دانه نانومتری در اثر ورود اتم های منیزیم به آن، تأثیر ورود این اتم ها بر رشد دانه آلومینیم مطالعه شده و اندازه دانه بحرانی محاسبه گردید. نتایج نشان می دهد که اتم های منیزیم پس از ورود به ساختارآلومینیم به سمت مرزهای دانه رفته و با کاهش انرژی مرزدانه امکان پایداری دانه ها در برابر رشد را فراهم می نمایند. به علاوه با برقراری پیوندهای قوی در ساختار آلومینیم و نیز کاهش ضریب نفوذ اتم های آلومینیم فرایند رشد دانه را کنترل می کنند. پس از مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی و اندازه دانه بحرانی محاسبه شده توسط آن با محاسبات انجام گرفته توسط مدل سانگ دیده می شود این مدل در پیش بینی رفتار آلیاژها در مقیاس نانو توانایی چندانی ندارد. پس از آن با انجام شبیه سازی روی آلیاژ مس-زیرکنیم مشاهده شد که نتایج بدست آمده با نتایج حاصل از شبیه سازی آلیاژ آلومینیم-منیزیم مطابقت دارد. نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی نشان داد که با انتخاب صحیح عنصر دوم می توان اندازه دانه بحرانی را در دماهای مختلف افزایش د