30942

بررسي تأثير تركيب شيميايي بر آرايش اتمي و قابليت شيشه‌اي شدن آلياژهاي شيشه‌اي حجمي Zr-Cu-Al به‌ روش شبيه‌سازي ديناميك مولكولي

دكتري

مهندسي مواد و متالورژي

1396

1402/12/19

سعيد قدرتنما شبستري - روح اله توكلي

نداشتم

مهندسي مواد و متالورژي

در چند دهه‌ي اخير آلياژهاي شيشه‌اي حجمي (BMG) به‌دليل خواص فوق‌العاده‌‌شان مانند تغيير فرم الاستيك، استحكام و سختي بالا، مقاومت به خوردگي عالي، خواص سايشي خوب و زيست‌سازگارپذيري مطلوب مورد توجه بسياري از محققان قرار گرفته‌اند. ليكن، اين خانواده از آلياژها همچنان دو محدوديت عمده دارند: 1- آلياژهاي شيشه‌اي حجمي بسيار ترد و شكننده بوده و با رسيدن تنش خارجي به تنش تسليم، در اثر فعال شدن نوارهاي برشي به‌سرعت و به‌طور ناگهاني مي‌شكنند. 2- ابعاد قطعات توليد شده از اين آلياژها به ‌دليل قابليت تشكيل شيشه‌ي نه‌چندان بالا در بسياري از سيستم‌هاي فلزي محدود است. لذا به‌منظور غلبه بر دو محدوديت اشاره ‌شده‌ي فوق، درك قوانين حاكم بر اين آلياژها در مقياس اتمي و نحوه‌ي ارتباط اين قوانين با خواص ماكروسكوپي مشاهده شده در آن‌ها ضروري است. به‌دليل عدم وجود نظم بلند دامنه‌ي اتمي در اين خانواده از مواد، بررسي تجربي ساختار آنها در اين مقياس بسيار پيچيده و محدود است، به‌طوري‌ كه به‌دست آوردن تصويري از آرايش اتمي در مقياس اتمي در اين مواد با استفاده از روش‌هاي آزمايشگاهي رايج تقريباً غير ممكن است. در اين ميان شبيه سازي ديناميك مولكولي، ابزاري كارآمد جهت مطالعه‌ي ساختار آلياژهاي شيشه‌اي در مقياس اتمي است. در پژوهش حاضر، از روش شبيه‌سازي ديناميك مولكولي به‌منظور بررسي ساختار و ارتباط آن با خواص ترموديناميكي در مقياس اتمي استفاده شد. بدين منظور در ابتدا ساختارهاي اوليه در تركيبات شيميايي مختلفِ سيستم سه‌جزئي Zr-Cu-Al ايجاد شده و شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي بر اين ساختارها انجام گرفت. سپس نتايج حاصل بر اساس آناليزهاي ورونويي و تابع توزيع شعاعي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته و در نتيجه مكانيزم شيشه‌اي شدن و نظم كوتاه دامنه‌ي هندسي و شيميايي مورد بررسي قرار گرفت. در اين بخش تلاش شد كه با بررسي پايداري ساختارهاي جامد شيشه‌اي و نظم كوتاه‌ دامنه‌ي هندسي و شيميايي، تركيب شيميايي با بالاترين قابليت شيشه‌اي شدن با استفاده از شبيه‌سازي ديناميك مولكولي معين شود. همچنين، براي صحت سنجي نتايج از داده‌هاي تجربي موجود براي اين سيستم آلياژي استفاده شد. نتايج روشن ساختند كه ايكوزاهدرال‌هاي كامل با مركزيت-Cu و –Al (Cu-FI و Al-FI) داراي پايين‌ترين سطح انرژي پتانسيل بر-اتم در ميان تمامي ساختارهاي موضعي پرجمعيت با مركزيت-Cu و –Al هستند. بررسي تركيب شيميايي در پوسته‌ي دو ساختار Cu-FI و Al-FI نشان داد كه تركيبِ 6%Al يك تركيب شيميايي بحراني براي آلياژ مورد مطالعه است، به‌نحوي كه قبل از آن سيستم تمايل به افزايش نظم شيميايي ساختارهاي Cu-FI و Al-FI داشته، و در اين محدوده‌ي تركيب شيميايي، ساختارهاي مذكور به سمت ايكوزاهدرال ايده‌آل ميل مي‌كنند. بررسي‌هاي ساختاري نشان دادند كه مي‌توان انرژي پتانسيل اتم‌هاي مركزي را به‌عنوان نشانگر نظم كوتاه دامنه‌ي توپولوژيكي (TSRO) در نظر گرفته و انرژي تنش ويريال/ حجم سلول ورونويي اتم‌هاي مركزي را به‌عنوان نشانگر نظم كوتاه دامنه‌ي شيميايي (CSRO) در نظر گرفت. در نهايت، معيار پيش‌بيني قابليت شيشه‌اي شدن به‌دست آمد و با اعمال معيار فوق در دامنه‌ي وسيعي از سيستم آلياژي سه‌جزئيِ Zr-Cu-Al، سه‌نقطه‌ با تركيب شيميايي بهينه با قابليت شيشه‌اي شدن بيشنه مشاهده شد كه عبارتند از آلياژهاي: Zr46Cu46Al8، Zr70Cu20Al10، و Zr40Cu10Al50. سرانجام، معيار حاصل براي دو تركيب شيميايي Zr45Cu50Al5 و Zr48Cu45Al7 كه براي آن‌ها داده‌هاي تجربي گزارش شده است، اعمال شد. مشاهده شد كه مقدار GFA پيش‌بيني شده و GFA تجربي براي دو تركيب فوق در توافق خوبي با يكديگر قرار دارند.

1403/03/21

Investigation on the effect of chemical composition on atomic arrangement and glass-forming ability of Zr-Cu-Al bulk metallic glasses by molecular dynamics simulation

3/9/2025 12:00:00 AM

Bulk metallic glasses (BMGs) have attracted significant interest from numerous researchers in recent years because of their exceptional qualities, which include good wear properties, excellent corrosion resistance, high strength and hardness, elastic deformation, and favorable biocompatibility. Nevertheless, there are still two significant obstacles to enhancing the application of these alloys, and they are as follows: 1. when the external stress approaches the yield stress, shear bands are activated, which causes bulk metallic glasses to become very brittle and break easily. 2. The low glass-forming ability of many alloy systems limits the size of the products made from these alloys. Therefore, an understanding of the atomic-scale controlling processes in these alloys is required to overcome the two aforementioned restrictions. It is nearly impossible to obtain a picture of the atomic arrangement at the atomic scale in these materials using standard experimental techniques because of the lack of long-range atomic order in these materials, which makes the experimental investigation of their structure at this scale very difficult and limited. In this work, the structure and its relationship to thermodynamic parameters at the atomic scale were examined using the molecular dynamics simulation. For this purpose, at first, primary structures were created in different chemical compounds of the Zr-Cu-Al ternary system, and molecular dynamics simulations were performed on these structures. Then the obtained results were analyzed based on the Voronoi analysis method and radial distribution function, and as a result, the vitrification mechanism and the topological and chemical local structures were investigated. It was found that the composition with 6%Al is the line between the predominance of ideal and non-ideal Cu-FI and Al-FI structures, such that before it, the system tends to increase the chemical ordering of the Cu-FI and Al-FI structures, and in this compositional range, the mentioned structures are approaching the ideal ones. By transitioning from 6% Al to 8% Al, the Voronoi cell volume decreases due to the elemental mixing in the shell of full icosahedra, which means an increase in the configurational entropy. Then, the relative potential energy (as indicator of TSRO) and Voronoi cell volume (as indicator of CSRO) were integrated to obtain a criterion for prediction of GFA. Our new criterion is in good agreement with the reported experimental data. Eventually, this new criterion was employed to predict the glass-forming ability (GFA) for a wide range of Zr-Cu-Al ternary alloys. It was found that Zr46Cu46Al8, Zr70Cu20Al10, and Zr40Cu10Al50 alloys are the optimal compounds with the maximum glass-forming ability (GFA) in the Zr-Cu-Al ternary system.

آلياژهاي شيشه‌اي حجمي , شبيه‌سازي ديناميك مولكولي , قابليت شيشه‌اي شدن , نظم كوتاه دامنه

Bulk Metallic Glass , Molecular Dynamics Simulation , Short-Range Order , Glass-Forming Ability

Mohammad Hosein Abbasi

Saeed Ghodratnama Shabestari - Rouhollah Tavakoli