بررسی اشاعه ترک در نانوکریستال آهن- نیتروژن به روش شبیهسازی دینامیک مولکولی

نویسندگان

1 استادیار، مهندسی مواد، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

2 مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

چکیده

در سالهای اخیر فوالدهای نیتروژن دار به دلیل داشتن خواص خوبی از استحکام و انعطاف پذیری مورد توجه محققان و متخصصان صنعتی قرار گرفته است. شناسایی خواص مکانیکی فوالدهای نیتروژن دار به منظور استفاده از این آلیاژها با قابلیت اطمینان باال در تجهیزات مختلف از اهمیت باالیی برخوردار است. در این میان توانایی مقاومت ماده در برابر اشاعه ترک، از پارامترهای مهم به شمار می رود. هدف از این پژوهش، شبیهسازی اشاعه ترک در نانوکریستال آلیاژی آهن-نیتروژن میباشد. امروزه علوم نانو و شبیهسازیهای رایانهای در مقیاس مولکولی، به یکی از پرطرفدارترین موضوعهای موردمطالعه در دنیا مبدل شده است. یکی از روشهای عددی در ابعاد نانومتری، روش شبیهسازی دینامیک مولکولی است، که معینترین روشِ حل سیستمهای مولکولی از بین روشهای موجود است. در تحقیق حاضر، سیستم کریستالی آهن-نیتروژن با اعمال تابع پتانسیل تصحیحشده اتم محاط شده )MEAM )و پارامترهای مربوط به آلیاژ آهن-نیتروژن شبیهسازی میشود. ریزساختار و همچنین مسیر رشد ترک در نانوکریستال مورد مطالعه، تحت بارگذاری کششی با مقدار سرعت ps /Å 8.0 در دمای 300K مورد بررسی و تحلیل قرار میگیرد. نتایج نشان میدهد که با افزایش کرنش و در نتیجه ایجاد تنش در نمونه ها، تغییر شکل پالستیک از نوک ترک به دلیل ایجاد تمرکز تنش در آن شروع می گردد. با افزایش بیشتر تنش حفره هایی در ساختار جوانه زده و به سمت ناحیه پیشروی رشد ترک اولیه اشاعه پیدا میکند. سرعت رشد ترک با افزایش طول ترک افزایش مییابد مقادیر تنش در هر سه جهت کریستالی ابتدا دارای رفتار غیرخطی و سپس رفتار خطی میباشند که ناشی از تغییر جهت رشد ترک در طول زمان شبیهسازی میباشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Crack Propagation in nanocrystalline Iron-Nitrogen via Molecular Dynamics Simulation

نویسندگان [English]

  • Roghayeh Mohammadzadeh 1
  • Naiyer Razmara 2
1 Department of Material Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Recently, nitrogen alloyed steels have attracted the attention of researchers and industrial specialists due to their combination of strength and elongation. The identification of mechanical properties of nitrogen alloyed steels is very important for using these alloys with high reliability in various applications. Meanwhile, the resistance of material to crack propagation is one of the important parameters. Nowadays, nanoscience and computer simulations at nanoscale are noticed as the most studied subjects in the world. Molecular Dynamics Simulation (MDS) is one of the numerical methods at nanoscale which is the most deterministic method among available methods for the solution of molecular systems. The aim of this study is to simulate the crack propagation in Iron-Nitrogen nanocrystalline. In this regard, IronNitrogen nanocrystalline is modeled by applying Modified Embedded Atom Method (MEAM) interatomic potential using the related parameters for Iron-Nitrogen alloy. The microstructure of crack growth in nanocrystalline with dimension 100 40 3 A A A   are investigated under tensile loading with velocity magnitude of 0.8 Å /ps at temperature of 300K. The results show that crack velocity increases with the increase in crack length. The increase in the peak of radial distribution function curve during different time steps is as a result of change in the positions of particles during crack propagation. Also, the results indicates that the magnitudes of stress at three crystal directions has firstly nonlinear behavior and then changes to linear one which is due to the change of direction of crack growth during simulation time steps. Also, the track-growth direction and the track opening are investigated under simulation conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Molecular Dynamics Simulation
  • Crack propagation
  • nanocrystalline
  • Iron-Nitrogen

 

[1]

H. E. Boyer, Case Hardening of Steel, ASM International, 1987.

[2]

D. Pye, Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing, ASM Internationa, 2003.

[3]

J. Davis, Surface Hardening of Steels, 2002: ASM international.

[4]

J. AKBARDOOST, S. MOHAJERANI and A. TORABI, "Investigation of fracture trajectory in blunt V-notched specimens under mixed," Modares Mechanical Engineering, vol. 16, no. 3, pp. 161-172, 2016 (In Persian).

[5]

S. R. Kazemi and M. Shakouri, "Effects of the speed of applying loads on the growth of inclined crack in plates," Modares Mechanical Engineering, vol. 17, no. 1, pp. 403-412, 2017(in Persian).

[6]

. S. Wong, P. Bold and M. Brown, "A branch criterion for shallow angled rolling contact fatigue cracks in rails," Wear, vol. 191, pp. 45-53, 1996.

[7]

. E. Kabo, "Material defects in rolling contact fatigue-influence of overloads and defect clusters," International Journal of Fatigue, vol. 24, p. 887–894, 2002.

[8]

S. Beretta, M. Boniardi, M. Carboni and H. Desimon, "Mode II fatigue failures at rail butt-welds," Engineering Failure Analysis, vol. 12, pp. 157-165, 2004.

[9]

D. Farkas, . M. Willemann and B. Hyde, "Atomistic mechanisms of fatigue in nanocrystalline metals," Phys, rev, lett, vol. 94, p. 165, 2005.

[10]

T. Tang, S. Kim and M. F. Horstemeyer, "Fatigue Crack Grows in Magnesium Single Crystals under Cyclic Loading: Molecular Dynamics Simulation," Computational Materials Science, vol. 48, pp. 426-439, 2010.

[11]

V. S. Deshpande, A. Needleman and E. Vander Giesseen, "A Discrete Dislocation Analysis of Near-threshold Fatigue Crack Growth," Acta Mater,, vol. 49, p. 3189, 2001.

[12]

H. Inoue , Y. Akahoshi and S. Harada , "Molecular Dynamics Simulation on Facture Mechanisms of NAno-Scale Polycrystal Under Static and Cyclic Loading," Mater. Sci. Res. Int., vol. 1, p. 95, 1995.

[13]

M. Allen and D. Tildesley, Computer Simulations of Liquids, Oxford: University Press, 1997.

[14]

S. Plimpton, "Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics," Journal of Computational Physics, vol. 117, no. 1, pp. 1-19, 1995.

[15]

M.I. Baskes, "Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities," PHYSICAL REVIEW B, vol. 46, p. 2727, 1992.

[16]

B. Lee, T. Lee and S. Kim, "A modified embedded-atom method interatomic potential for the Fe–N system: A comparative study with the Fe–C system," Acta Materialia, vol. 54, no. 17, p. 4597–4607, 2006.