Luận văn: Mô phỏng nguyên tử ảnh hưởng pha tạp Mg lên Nhôm - ĐH Purdue

Tổng hợp mẫu luận văn thạc sĩ chất lượng cao theo chuẩn học thuật. Hướng dẫn chi tiết cách trình bày, cấu trúc đề tài và phương pháp nghiên cứu.

• Tác giả: Amirreza Kazemi
• Người hướng dẫn: Dr. Shengfeng Yang
• Trường học: Purdue University
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: ATOMISTIC STUDY OF THE EFFECT OF MAGNESIUM DOPANTS ON NANOCRYSTALLINE ALUMINIUM
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Indianapolis

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sỹ Al Mg và cấu trúc nhôm nano

Luận văn thạc sỹ Al-Mg của tác giả Amirreza Kazemi tại Đại học Purdue nghiên cứu sâu về vật liệu hợp kim nhôm nano. Nhôm tinh thể nano sở hữu độ bền vượt trội so với nhôm hạt thô truyền thống. Tuy nhiên, tính ổn định nhiệt và cơ học của cấu trúc nano thường bị suy giảm khi chịu lực kéo hoặc trượt. Sự dịch chuyển của ranh giới hạt dẫn đến hiện tượng lớn hạt không mong muốn. Để giải quyết thách thức này, giải pháp pha tạp Magie (Mg) vào nền nhôm tinh thể nano được đề xuất và phân tích chi tiết. Nghiên cứu tập trung vào mô hình hợp kim Al-5at.%Mg ở cấp độ nguyên tử. Các mô phỏng số làm sáng tỏ cơ chế cản trở trượt ranh giới hạt của nguyên tử Magie. Đề tài mở ra hướng tiếp cận mới trong thiết kế vật liệu nano nhẹ với độ bền cao và khả năng chống biến dạng vượt trội cho ngành cơ khí chế tạo hiện đại.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu hợp kim nhôm tinh thể nano

Vật liệu kim loại kích thước hạt nano thu hút sự chú ý lớn trong kỹ thuật hiện đại. Cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện (FCC) của nhôm đem lại nhiều ưu điểm cơ học. Tuy nhiên, kích thước hạt nhỏ hơn 100 nm làm tăng mật độ ranh giới hạt. Mật độ ranh giới hạt cao tạo ra nhiều trạng thái năng lượng không ổn định. Ranh giới hạt dễ dàng trượt và dịch chuyển khi chịu ứng suất tác động. Hiện tượng này làm suy giảm đáng kể giới hạn bền và độ dẻo của cấu trúc. Do đó, việc nghiên cứu ổn định ranh giới hạt nhôm trở thành bài toán khoa học cấp thiết. Pha tạp nguyên tử hợp kim là phương pháp hiệu quả nhất để giải quyết vấn đề này.

1.2. Vai trò của phụ gia Magie đối với mạng nhôm

Magie đóng vai trò then chốt trong việc tăng cường cơ tính cho nhôm tinh thể nano. Kích thước nguyên tử Magie lớn hơn nguyên tử nhôm nguyên chất. Khi pha tạp vào cấu trúc, các nguyên tử Magie có xu hướng khuếch tán đến ranh giới hạt. Sự phân tách của Magie tại ranh giới hạt giúp làm giảm năng lượng tự do bề mặt. Đồng thời, các nguyên tử Magie tạo ra hiệu ứng ghim giữ chuyển động ranh giới hạt. Nhờ đó, vật liệu ngăn chặn hiệu quả hiện tượng phát triển kích thước hạt khi chịu lực. Hợp kim Al-5at.%Mg thể hiện sự cải thiện rõ rệt về ứng suất chảy và độ bền kéo so với nhôm nguyên chất trong suốt quá trình thử nghiệm cơ tính.

II. Phân tích vấn đề trong luận văn thạc sỹ Al Mg mô phỏng nguyên tử

Phân tích cơ chế biến dạng ở cấp độ nguyên tử đặt ra nhiều thách thức lớn trong nghiên cứu khoa học vật liệu. Ở kích thước nano, quy luật Hall-Petch truyền thống có thể bị đảo ngược do sự chiếm ưu thế của hiện tượng trượt ranh giới hạt. Nhôm nguyên chất tinh thể nano dễ bị suy giảm độ bền nghiêm trọng khi xuất hiện các khuyết tật mạng và chuyển dịch ranh giới hạt. Khi chịu ứng suất cắt hoặc kéo nén, các hạt tinh thể nhôm trượt lên nhau gây biến dạng vĩnh viễn. Việc thêm tạp chất Magie vào cấu trúc mạng đòi hỏi đánh giá chính xác vị trí phân bố của từng nguyên tử. Cấu trúc song tinh bicrystal như mô hình Sigma 3 và Sigma 5 thể hiện sự khác biệt rõ nét về năng lượng liên kết và khả năng dịch chuyển ranh giới hạt. Nếu không kiểm soát tốt tốc độ biến dạng và nồng độ pha tạp, vật liệu khó đạt được cơ tính tối ưu.

2.1. Hiện tượng dịch chuyển ranh giới hạt dưới ứng suất cắt

Dưới tác động của tải trọng cắt, ranh giới hạt trong nhôm đa tinh thể di chuyển nhanh chóng. Chuyển động này kích hoạt sự tái cấu trúc mạng tinh thể và làm suy giảm ứng suất dòng chảy. Trong mô hình nhôm nguyên chất không pha tạp, ranh giới hạt di chuyển tự do mà không gặp chướng ngại vật cản trở. Quá trình dịch chuyển liên tục dẫn đến sự kết tụ hạt và làm mất cấu trúc nano nguyên bản. Hiện tượng này làm vật liệu mất dần các đặc tính cơ học vượt trội ban đầu. Sự mất ổn định vi cấu trúc là nguyên nhân cốt lõi gây hư hỏng vật liệu khi làm việc trong điều kiện ứng suất cắt cao kéo dài.

2.2. So sánh ứng xử cơ học giữa các mô hình bicrystal Sigma 3 và Sigma 5

Nghiên cứu so sánh chi tiết giữa hai cấu trúc song tinh Sigma 3 và Sigma 5 nhằm làm rõ ảnh hưởng của góc nghiêng ranh giới hạt. Mô hình bicrystal Sigma 3 sở hữu cấu trúc nguyên tử sắp xếp chặt chẽ và đối xứng cao hơn. Do đó, mô hình Sigma 3 đạt giới hạn bền và ứng suất dòng chảy vượt trội so với Sigma 5 khi chưa pha tạp. Khi chịu tải trọng trượt, các nguyên tử tại ranh giới hạt Sigma 5 di chuyển dễ dàng hơn nhiều. Việc bổ sung các nguyên tử Magie vào ranh giới hạt tạo ra rào cản thế năng đáng kể. Tạp chất Magie làm giảm tốc độ dịch chuyển của cả hai loại ranh giới hạt, giúp ổn định cấu trúc tổng thể.

III. Phương pháp nghiên cứu luận văn thạc sỹ Al Mg bằng mô phỏng MD

Phương pháp mô phỏng số đóng vai trò nền tảng trong toàn bộ nghiên cứu luận văn thạc sỹ Al-Mg. Tác giả kết hợp linh hoạt giữa phương pháp Động lực học phân tử (MD) và mô phỏng lai Monte Carlo/Động lực học phân tử (Hybrid MC/MD). Cấu trúc vi mô đa tinh thể được xây dựng thông qua thuật toán phân vùng Voronoi Tessellation chính xác. Các nguyên tử Magie được phân bố vào các vị trí thế năng tối ưu tại ranh giới hạt bằng phương pháp mô phỏng MC. Sau đó, hệ thống được thả lỏng hoàn toàn để đạt trạng thái cân bằng nhiệt động học trước khi đặt tải. Kỹ thuật phân tích lân cận chung (Common Neighbor Analysis - CNA) được sử dụng để nhận diện các dạng cấu trúc FCC, HCP và khuyết tật ranh giới hạt. Quá trình thử nghiệm kéo nén và cắt trượt được thực hiện ở các tốc độ biến dạng khác nhau nhằm thu thập đường cong ứng suất biến dạng chi tiết.

3.1. Ứng dụng mô phỏng động lực học phân tử và Hybrid MC MD

Mô phỏng động lực học phân tử (MD) cho phép theo dõi trực tiếp quỹ đạo di chuyển của từng nguyên tử theo thời gian. Tuy nhiên, việc tìm kiếm cấu hình phân bố nguyên tử tạp chất ở trạng thái năng lượng thấp đòi hỏi thời gian tính toán rất lớn. Giải pháp mô phỏng lai Hybrid MC/MD kết hợp ưu thế của cả hai phương pháp tính toán. Thuật toán Monte Carlo thực hiện hoán đổi vị trí nguyên tử ngẫu nhiên để tìm trạng thái bền nhiệt động học. Tiếp theo, bước tính toán MD bảo toàn năng lượng và cập nhật chính xác lực tương tác liên nguyên tử. Sự kết hợp này tạo ra mô hình cấu trúc hợp kim Al-5at.%Mg hoàn chỉnh với độ chính xác cao.

3.2. Thuật toán Voronoi Tessellation và phân tích cấu trúc CNA

Thuật toán phân vùng Voronoi Tessellation hỗ trợ tạo lập cấu trúc đa tinh thể ngẫu nhiên phản ánh chân thực vật liệu thực tế. Các hạt tinh thể được tạo ra với sự định hướng mạng tinh thể độc lập trong không gian ba chiều. Sau khi tạo cấu trúc mạng, kỹ thuật Common Neighbor Analysis (CNA) đóng vai trò phân loại cấu trúc cục bộ của từng nguyên tử. CNA giúp phân biệt rõ ràng nguyên tử nhôm có cấu trúc lập phương tâm diện (FCC), nguyên tử ranh giới hạt và nguyên tử xếp lỗi cấu trúc lục giác (HCP). Nhờ phương pháp trực quan hóa này, các nhà nghiên cứu dễ dàng quan sát sự phát triển của song tinh biến dạng và chuyển động ranh giới hạt trong suốt quá trình chịu tải.

IV. Kết luận ứng dụng từ luận văn thạc sỹ Al Mg trong công nghiệp

Kết quả nghiên cứu từ luận văn thạc sỹ Al-Mg khẳng định vai trò thiết yếu của nguyên tử Magie trong việc gia cường cơ tính cho nhôm nano. Việc pha tạp 5% nguyên tử Magie làm chậm đáng kể tốc độ dịch chuyển ranh giới hạt và cản trở sự phát triển hạt tinh thể. Đồng thời, sự xuất hiện của hiện tượng song tinh biến dạng (deformation twinning) ở biến dạng lớn góp phần nâng cao khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu. Những phát hiện này mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc thiết kế và gia công các hợp kim nhẹ thế hệ mới. Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và chế tạo ô tô có thể ứng dụng kết quả này để phát triển linh kiện siêu nhẹ chịu tải cao. Việc tối ưu hóa tỷ lệ pha tạp Magie giúp cân bằng giữa độ bền kéo vượt trội và độ dẻo dai cần thiết của chi tiết máy.

4.1. Cơ chế cản trở trượt ranh giới hạt và hình thành song tinh biến dạng

Sự gia tăng cơ tính của hợp kim nhôm pha tạp bắt nguồn từ hai cơ chế biến dạng chính. Thứ nhất, các nguyên tử Magie tạo ra hiệu ứng kéo ranh giới hạt giúp ghìm giữ các mặt tinh thể. Sự hiện diện của Magie làm tăng đáng kể năng lượng kích hoạt cần thiết để ranh giới hạt di chuyển. Thứ hai, sự xuất hiện của cấu trúc song tinh biến dạng (deformation twins) ở độ biến dạng cao giúp phân tán ứng suất tập trung. Cơ chế này ngăn ngừa sự hình thành các vết nứt vi mô sớm trong quá trình chịu tải. Nhờ đó, cấu trúc Al-5at.%Mg duy trì độ bền kéo và độ dẻo dai ấn tượng dưới điều kiện tải trọng phức tạp.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong kỹ thuật vật liệu hàng không và ô tô

Vật liệu hợp kim nhôm Magie tinh thể nano mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong ngành vận tải tiên tiến. Trọng lượng nhẹ kết hợp với độ bền cơ học cao giúp giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu cho máy bay và xe điện. Các chi tiết khung sườn xe hơi và vỏ thiết bị hàng không đòi hỏi khả năng chống va đập tuyệt vời. Cấu trúc Al-Mg tinh thể nano đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn khắt khe về độ bền mỏi và độ cứng vững. Việc làm chủ công nghệ pha tạp nguyên tử ở cấp độ nano tạo tiền đề vững chắc cho việc sản xuất hàng loạt các cấu kiện kết cấu thế hệ mới với hiệu năng vượt trội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ATOMISTIC STUDY OF THE EFFECT OF MAGNESIUM DOPANTS ON NANOCRYSTALLINE ALUMINIUM A Thesis Submitted to the Faculty of Purdue University by Amirreza Kazemi In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Mechanical Engineering August 2019 Purdue University Indianapolis, Indiana ii THE PURDUE UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL STATEMENT OF COMMITTEE APPROVAL Dr. Shengfeng Yang Department of Mechanical and Energy Engineering Dr. Jing Zhang Department of Mechanical and Energy Engineering Dr. Likun Zhu Department of Mechanical and Energy Engineering Approved by: Dr.

Sohel Anwar Chair of the Graduate Program iii I dedicate this thesis to my parents who have been supporting me emotionally and financially support me and especially my sister, who is inspiring me to follow my dreams. iv ACKNOWLEDGMENTS I would like to thank Dr. Shengfeng Yang for his exceptional learning and research opportunity, along with his endless academic and financial support during my master thesis and provisions above the academic contexts. I would like to thank my com- mittee members for their assistance and supervision in the preparation of this thesis.

Finally, I reserve a special thanks to my family for their support and encouragement. v TABLE OF CONTENTS Page LIST OF FIGURES .1 Applications of Aluminum Alloys .4 Grain Size Effect .1 Molecular Dynamics Simulation .2 Monte Carlo/Molecular Dynamics Simulation .5 Common Neighbor Analysis. 19 4 SIMULATION OF POLYCRYSTALLINE ALUMINUM. 40 6 CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS.

47 vii LIST OF FIGURES Figure Page 3.1 Voronoi Tessellation Model .2 Construction of Voronoi Tessellation .3 Common Neighbor Analysis .1 A fully relaxed nanocrystalline Al-5at.%Mg alloy (a) 3D model and (b) Slice II: a cross-section parallel to the x-y plane. The Al atoms with fcc structure are colored green; the Al atoms at GBs are colored blue, and the red atoms with a larger size are Mg atoms.2 Stress-strain curves obtained from tensile simulations of nanocrystalline pure Al and Al-5%Mg alloy at two different strain rates .3 Atomic structure for Slice I of the nanocrystalline pure Al and Al-5at.%Mg alloy models at different applied strains .4 Atomic structure for Slice II of the nanocrystalline pure Al and Al-5at.%Mg alloy models at different applied strains.5 Atomic structure of the observed deformation twinning in Al-5at.%Mg alloy at the applied strain of 0.2: (a) Slice II in Fig.4(f) which are rotated to clearly show the twinning, (b) a close-up view of the deformation twin.1 A Fully Relaxed 3 Bicrystal Model .2 structure of atoms in (a) 5 (b) 3 .3 Stress-Strain Curve Obtained from Shear Stress of Pure Al Models .4 Stress-strain curve obtained from Shear loading of Al And Al-Mg 3 models .5 Stress-strain curve obtained from Shear loading of Al And Al-Mg 5 models.6 Stress-strain curve obtained from shear stress of Al-Mg Alloys .7 Migration of atoms in P 3 bicrystal model .8 Migration of atoms in 5 bicrystal model. 38 viii Figure Page P 5.9 Atomic structure of Al 3 at different applied strains (a)0 (b)0.10 Atomic structure of Al-Mg 3 at different applied strains (a)0 (b)0.11 Atomic structure of Al 5 at different applied strains (a)0 (b)0.12 Atomic structure of Al-Mg 5 at different applied strains (a)0 (b)0.13 Grain boundary displacement-Strain curve for bicrystal models. 40 ix ABBREVIATIONS BCC Body Center Cubic Structure FCC Face Center CubicS tructure HCP Hexagonal Close-Packed MD Molecular Dynamics MC/MD Monte Carlo/Molecular Dynamics Mg Magnesium Al Aluminum NC Nanocrystalline GB Grain Boundary CNA Common Neighbor Analysis x ABSTRACT Kazemi, Amirreza.

Purdue University, August 2019. Atomistic Study of the Effect of Magnesium Dopants on Nnanocrystalline Aluminium. Major Professor: Shengfeng Yang. Atomistic simulations are used in this project to study the deformation mechanism of polycrystalline and bicrystal of pure Al and Al-Mg alloys.

Voronoi Tessellation was used to create three-dimensional polycrystalline models. Monte Carlo and Molecular Dynamics simulations were used to achieve both mechanical and chemical equilibrium in all models. The first part of the results showed improved strength, which is included the yield strength and ultimate strength in the applied tensile loading through the addition of 5 at% Mg to nanocrystalline aluminum. By viewing atomic structures, it clearly shows the multiple strengthening mechanisms related to doping in Al-Mg alloys.

The strength mechanism of dopants exhibits as dopant pinning grain boundary (GB) migration at the early deformation stage. At the late stage where it is close to the failure of nanocrystalline materials, Mg dopants can stop the initiation of intergranular cracks and also do not let propagation of existing cracks along the GBs. Therefore, the flow stress will improve in Al-Mg alloy compared to pure Al. In the second part of our P results, in different bicrystal Al model, 3 model has higher strength than other models.

This result indicates that GB structure can affect the strength of the material. When the Mg dopants were added to the Al material, the strength of sigma 5 bicrystal models was improved in the applied shear loading. However, it did not happen for 3 model, which shows Mg dopants cannot affect the P behavior of this GB significantly. Analysis of GB movements shows that Mg dopants stopped GBs from moving in the 5 models.

However, in sigma 3 GBs, displacement P of grain boundary planes was not affected by Mg dopants. Therefore, the strength and P P flow stress are improved by Mg dopants in 5 Al GBs, not in the 3 GB.1 Background Nanomaterials are widely using nowadays and have been a popular subject for research in the field of material science. When compared nanomaterials with coarse- grained materials, these nanomaterials have lots of excellent structural and functional properties which are caused to be useful in different applications. One of the popular nanomaterials which are used in most of the research is nanocrystalline aluminum because of its application in different areas, such as solar back plants, design of cars, and explosives.

Nanocrystalline materials have some physical, mechanical, and chemical proper- ties that researchers are interested in using these materials. High strength, superior hardness, and high wear resistance are some of the properties which are implemented in different applications [1, 2]. Furthermore, besides high strength in materials, good ductility is another pa- rameter which is required in nanomaterials to avoid catastrophic or failure in the tests. However, there are some metallic materials which have high strength besides low ductility [3, 4], which limits the utility of this material.

Combination of these both properties makes them the best materials for structural and functional applica- tions such as medicine, energy, and transportation. The mechanisms to produce high ductility material and analyze the approaches to get good ductility is important in nanocrystalline alloys. Many strategies are available to increase the strength and elasticity in Nanocrys- talline materials that are deliberated in experimental and theoretical analysis. Ad- dition of dopants is one of the best ways for improving the strength and hardness of materials.2 Objective In this first part of this study, we focus on using atomistic simulations to find out the atomic-level mechanism of GB segregation strengthening of nanocrystalline Al by doping Mg atoms.

The main objective of this study is the effect of Mg on the behavior of Al material in applied loading. We used three-dimensional polycrystalline models for both Al and Al-5% Mg, and tensile loading was conducted on both Al and Al-Mg alloys to explore the effect of Mg dopants on the mechanical properties of NC Al. All tensile tests were conducted through atomistic simulation. In the second part of this study, we used bicrystal models instead of polycrystal models to explore the behavior of Mg dopants on the strength of NC Al.

Models are created for both Al and Al-3. Shear loading was used on both models to find out the effect of dopants on the strength of materials. The atomistic simulation was used for both alloys in the atomic-level mechanisms. This research consists of six chapters, and it is organized as follows.

In the first chapter, we introduce briefly about materials and properties that are used in dif- ferent applications and explain what our goals in this study are. In chapter 2, we review literature about Al alloys, polycrystal, and bicrystal materials, and deforma- tion mechanisms of materials. We describe molecular dynamics methods, Voronoi tessellation, and common neighbor analysis, which are used in our models for creation and analysis parts in the third chapter of this study. Chapter four and five are the main parts of this study which show simulation details of our models in polycrystal and bicrystal models and present results of models after loadings and discusses what are observed in MD simu- lations.

In the last part of this study, chapter 6, we explain the summary of our work and directions for future work.1 Applications of Aluminum Alloys Aluminum is one of the accessible materials which improve physical properties by alloying with different materials to generate unique properties such as resistance to failure or heat. More research needs for alloying elements, and it is not easy to process for doing experimental and simulations for getting acceptable results. For example, the effect of the addition of such elements can be explained here. Carbon can raise tensile stress, hardness, and resistance, but it can reduce ductility and toughness when adds to steel.

Also, steel with chromium will increase strength, hardness, toughness, and scaling at high temperatures [5]. Aluminum is a material that we used more in our experiment. Aluminum is a lightweight metal that has excellent corrosion resistance, and anodizing can raise scratch resistance [6]. Aluminum is not like carbon steel in toughness because in low temperature can retain its toughness.

Aluminum is reflective, and that is why it is used in decorative applications or in contact with foodstuffs. Aluminum is a perfect conductor of heat and electricity. For example, comparing between copper and aluminum, conductivity in aluminum is almost twice copper in the same weigh. Ready for recycling and a wide variety of forming processes are excellent properties of this material.2 Polycrystal Aluminum Material properties such as high ultimate strength and superior hardness are im- portant reasons widely usage of nanocrystalline (NC) materials in various applica- tions, but we cannot ignore some behaviors which limited some applications of the 4 material [7, 8].

The large volume fraction of high-energy interfacial regions, low ther- mal stability, and low ductility of NC materials are these properties which are caused useless in some cases. Pun et al. In experimental test added Mg during mechanical milling by low homologous temperature annealing treatments to add dopants without grain growth. They showed that hardness of Al-7% Mg is almost three times more than pure nanocrystalline Al and segregation caused the metal to become stronger and lightweight metal [2].

Unstable metal alloys are one of the problems in some materials that need to be solved. For example, Chookajorn worked enhancing the stability of Ti by adding W in the high temperature. Addition of dopants helps the low thermal stability of Ti to increase [3]. Embrittlement of materials can be controlled by interactions between grain bound- aries.

Segregation of dopants can change the behavior of grain boundaries. So by changing behaviors of GBs, ductility of materials will be changed [4]. Alloying NC materials with different elements is an effective way for improving thermal stability at high temperatures, can increase ductility, and further increase strength. These alloying elements will be distributed randomly in the grain interior as solid solutions or grain boundaries.

When dopants added to grain boundaries chemistry of GBs changed, and as a result, it helped transformations in GB complexions [9–13] and therefore, affect the material properties [5, 6, 14–17]. In the first part, we work on Al-Mg alloys; researchers find out that Mg dopants can improve properties of materials through the solid solution strengthening [7, 8] and precipitates pinning GBs [18, 19] which includes improving yield strength and strain hardening.