شماره ركورد
34909
پديد آورنده
مجتبي ادائي خفري
عنوان
مدلسازي ميدان فاز فرآيند تبديل فاز مارتنزيتي آلياژ نايتينول با در نظر گرفتن اثرات بارگذاري چرخه¬اي و پياده¬سازي عددي آن
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك-طراحي كاربردي
سال تحصيل
1400
تاريخ دفاع
1405/02/05
استاد راهنما
طاهري بهروز فتح اله - اشرفي محمد جواد
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
تبديل فاز مارتنزيتي در آلياژهاي حافظهدار، بهويژه NiTi، به دليل ايجاد خواص منحصربهفردي همچون سوپرالاستيسيته و اثر حافظهداري، نقشي كليدي در كاربردهاي پيشرفته پزشكي و مهندسي دارد. مدلسازي دقيق اين پديده در مقياس نانو براي درك سازوكارهاي تشكيل ريزساختار و طراحي مواد با عملكرد مكانيكي بهبوديافته ضروري است. اين رساله يك مدل ميدان فازي سهبعدي و ترموديناميك سازگار براي تبديل فاز مارتنزيتي در آلياژ NiTi (كيوبيك↔مونوكلينيك) در مقياس نانو ارائه ميدهد. نوآوري اصلي اين پژوهش در رويكرد مبتني بر فيزيك آن براي مدلسازي تبديل فاز و تكامل نانودوقلوييها در اين آلياژ نهفته است. در اين مدل از توابع انرژي چندجملهاي تا درجه 5 بهره گرفته شده كه ضرايب آن بر اساس پارامترهاي فيزيكي معتبر و تابع انرژي تبديل فاز تعيين ميشوند. برخلاف مدلهاي متداول كه مبتني بر واسنجي با دادههاي ماكروسكوپي هستند، پارامترهاي فيزيكي در اين تحقيق به¬طور مستقيم از انرژي كرنشي تبديل فاز NiTi استخراج ميشوند. اين رويكرد، تحقق شرايط تعادل ترموديناميكي و صحت مسير تبديل فاز را تضمين مينمايد و امكان مطالعه پديدههايي نظير رشد جوانه مارتنزيتي، برهمكنش گونهها، رفتار سوپرالاستيك و اثر حافظهداري را در مقياس نانو فراهم ميكند. به منظور كاهش حجم محاسباتي ناشي از حل معادلات پيچيده، از رويكرد پارامتر مشخصه كاهشيافته در شبيهسازيهاي دوبعدي استفاده شده است كه در آن، سه پارامتر مشخصه معرف شش گونه مارتنزيتي ممكن ميباشند. با استفاده از روش اجزاي محدود مسائلي همچون تبديل فاز و رشد جوانه مارتنزيتي حل شدهاند. نتايج شبيهسازيها، رشد و تكامل ساختاري گونههاي مارتنزيتي را بهصورت الگوهاي نواري و جناغيشكل نشان ميدهند كه با مشاهدات تجربي كاملاً همخواني دارد. يافتهها همچنين تأييد ميكنند كه ناهمسانگردي الاستيك، عامل غالب در رشد ترجيحي گونهها و تشكيل اين ريزساختارهاي خاص است. افزون بر اين، اعمال نيروي محركه بالاتر منجر به افزايش رشد گونههاي غالب و ترجيحي ميگردد. در مقايسه با نتايج تحليلي و تجربي نتايج شبيه¬سازي براي¬ عرض، سرعت و انرژي فصل مشترك تطابق خوبي در حدود 2 درصد اختلاف وجود دارد. همچنين مدل ترموديناميكسازگار ارائهشده، تكامل ريزساختار NiTi در مقياس نانو را مطابق با نتايج تجربي پيش¬بيني مي¬كند كه اين امر براي طراحي كاربردي ريزساختارهايي با پايداري و عملكرد مكانيكي بهبوديافته حياتي است.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/26
عنوان به انگليسي
Phase-field modeling of martensitic phase transformation in NiTi shape memory alloys considering the effects of cyclic loading and its numerical implementation
تاريخ بهره برداري
4/26/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
مجتبي ادائي خفري
چكيده به لاتين
Martensitic phase transformation in shape memory alloys, particularly NiTi, plays a key role in advanced medical and engineering applications due to the unique properties it imparts, such as superelasticity and the shape memory effect. Accurate modeling of this phenomenon at the nanoscale is essential for understanding microstructure formation mechanisms and designing materials with improved mechanical performance. This dissertation presents a three-dimensional, thermodynamically consistent phase-field model for the martensitic transformation in NiTi alloys (cubic ↔ monoclinic) at the nanoscale. The primary novelty of this work lies in its physics-based approach to modeling the martensitic phase transformation and the evolution of nanotwins in NiTi. The model employs 2-3-4-5 polynomial energy functions, whose coefficients are determined based on physically meaningful parameters and the transformation strain energy function. In contrast to conventional models that are calibrated against macroscopic data, the physical parameters in this research are derived directly from the transformation strain energy landscape of NiTi. This approach ensures adherence to thermodynamic equilibrium conditions and the constancy of the transformation pathway, thereby enabling the study of phenomena such as martensitic nucleation and growth, variant interactions, superelastic behavior, and the shape memory effect at the nanoscale. To reduce the computational cost associated with solving these complex equations, a reduced-order parameter approach is utilized in two-dimensional simulations, wherein three order parameters represent the six possible martensitic variants. Problems such as phase transformation and martensitic nucleation growth have been solved using the finite element method (FEM). The simulation results reveal the growth and microstructural evolution of martensitic variants in banded and herringbone (self-accommodating) patterns, which are in excellent agreement with experimental observations. The findings further confirm that elastic anisotropy is the dominant factor governing preferential variant growth and the formation of these specific microstructures. Moreover, a higher driving force is shown to promote the growth of dominant and preferential variants. In comparison with analytical and experimental results, the simulation results for interface width, velocity, and energy exhibit good agreement, differing by approximately 2%. The thermodynamically consistent model presented herein predicts the microstructural evolution of NiTi at the nanoscale in agreement with experimental results, which is crucial for the practical design of microstructures with enhanced stability and mechanical performance. The thermodynamically consistent model presented herein accurately predicts the microstructural evolution of NiTi martensite at the nanoscale, which is crucial for the informed design of microstructures with enhanced stability and mechanical performance.
كليدواژه هاي فارسي
آلياژ حافظه¬دار نايتينول , روش ميدان فاز , تبديل فاز (استحاله) مارتنزيتي , ابعاد نانو , روش اجزاي محدود به كمك نرم¬افزار كامسول
كليدواژه هاي لاتين
Shape memory alloy Nitinol , Phase-field method , Martensitic transformations Phase transformation , Nanoscale , Finite element method using COMSOL software
Author
Mojtaba Adaei_Khafri
SuperVisor
Mohammad-Javad Ashrafi; Fathollah Taheri-Behrooz