Mô phỏng động lực học nguyên tử về sự khuếch tán carbon trong sắt α với các khuyết tật điểm

Nghiên cứu mô phỏng động lực học nguyên tử về sự khuếch tán carbon trong sắt ɑ với các khuyết tật điểm, cung cấp cái nhìn sâu sắc về vật liệu.

• Tác giả: Ho Ngoc Nam
• Người hướng dẫn: Prof. Yoji Shibutani
• Trường học: Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Nanotechnology
• Đề tài: Atomistically Kinematic Simulations Of Carbon Diffusion In α-Iron With Point Defects
• Loại tài liệu: Master’s Thesis
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. INTRODUCTION
• 2. THEORETICAL BASICS
• 2.1. The transition state theory
• 2.2. Nudged Elastic Band Method

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng động lực học nguyên tử trong sắt α

Mô phỏng động lực học nguyên tử là một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu vật liệu, đặc biệt là trong việc hiểu rõ sự khuếch tán carbon trong sắt α. Sắt α, với cấu trúc BCC, là một trong những dạng phổ biến nhất của sắt trong ngành công nghiệp. Việc nghiên cứu sự khuếch tán carbon trong sắt α không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học của vật liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ nano.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của mô phỏng động lực học nguyên tử

Mô phỏng động lực học nguyên tử (MD) là phương pháp tính toán cho phép mô phỏng hành vi của các nguyên tử trong vật liệu. Phương pháp này giúp nghiên cứu các hiện tượng vật lý ở cấp độ nguyên tử, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự khuếch tán carbon trong sắt α.

1.2. Vai trò của carbon trong sắt α và ứng dụng thực tiễn

Carbon đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cơ học của sắt α. Sự khuếch tán carbon trong sắt α không chỉ ảnh hưởng đến độ bền mà còn đến khả năng chống ăn mòn, từ đó nâng cao hiệu suất của các sản phẩm thép trong ngành công nghiệp.

II. Thách thức trong nghiên cứu sự khuếch tán carbon trong sắt α

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về sự khuếch tán carbon trong sắt α, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Các khuyết tật điểm trong sắt α, như vacancy và dislocation, có thể ảnh hưởng lớn đến quá trình khuếch tán. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa tính chất của vật liệu.

2.1. Khuyết tật điểm và ảnh hưởng đến khuếch tán carbon

Khuyết tật điểm như vacancy có thể tạo ra các vị trí trống trong mạng tinh thể, từ đó ảnh hưởng đến khả năng khuếch tán của carbon. Nghiên cứu cho thấy rằng sự hiện diện của các khuyết tật này có thể làm tăng tốc độ khuếch tán carbon trong sắt α.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán

Nhiệt độ, áp suất và cấu trúc mạng tinh thể là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán carbon trong sắt α. Việc điều chỉnh các yếu tố này có thể giúp tối ưu hóa quá trình khuếch tán và cải thiện tính chất của vật liệu.

III. Phương pháp mô phỏng động lực học nguyên tử trong nghiên cứu

Để nghiên cứu sự khuếch tán carbon trong sắt α, nhiều phương pháp mô phỏng động lực học nguyên tử đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp mô phỏng hành vi của carbon mà còn cho phép phân tích ảnh hưởng của các khuyết tật điểm đến quá trình khuếch tán.

3.1. Phương pháp Molecular Dynamics MD

Molecular Dynamics (MD) là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong mô phỏng động lực học nguyên tử. Phương pháp này cho phép mô phỏng các chuyển động của nguyên tử theo thời gian, từ đó giúp hiểu rõ hơn về sự khuếch tán carbon trong sắt α.

3.2. Phương pháp Climbing Image Nudged Elastic Band CI NEB

Phương pháp CI-NEB được sử dụng để tìm đường đi năng lượng tối thiểu giữa các trạng thái năng lượng khác nhau. Phương pháp này rất hữu ích trong việc xác định các con đường khuếch tán của carbon trong sắt α, đặc biệt là khi có sự hiện diện của các khuyết tật điểm.

IV. Kết quả nghiên cứu về sự khuếch tán carbon trong sắt α

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự khuếch tán carbon trong sắt α bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các khuyết tật điểm. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng carbon có thể khuếch tán nhanh hơn trong môi trường có nhiều khuyết tật, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc cải thiện tính chất của vật liệu.

4.1. Kết quả từ mô phỏng động lực học nguyên tử

Các mô phỏng cho thấy rằng tốc độ khuếch tán của carbon trong sắt α tăng lên khi có sự hiện diện của các khuyết tật điểm. Điều này cho thấy rằng việc kiểm soát các khuyết tật có thể giúp tối ưu hóa tính chất của vật liệu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong ngành công nghiệp sản xuất thép, giúp cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn của các sản phẩm thép. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai trong nghiên cứu

Nghiên cứu về sự khuếch tán carbon trong sắt α với các khuyết tật điểm mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp vật liệu. Việc hiểu rõ hơn về các cơ chế khuếch tán sẽ giúp phát triển các vật liệu mới với tính chất vượt trội.

5.1. Tóm tắt các phát hiện chính

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự khuếch tán carbon trong sắt α bị ảnh hưởng bởi các khuyết tật điểm, và việc tối ưu hóa các khuyết tật này có thể cải thiện đáng kể tính chất của vật liệu.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn, từ đó giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa carbon và các khuyết tật trong sắt α.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY HO NGOC NAM ATOMISTICALLY KINEMATIC SIMULATIONS OF CARBON DIFFUSION IN α-IRON WITH POINT DEFECTS MASTER’S THESIS Hanoi, 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY HO NGOC NAM ATOMISTICALLY KINEMATIC SIMULATIONS OF CARBON DIFFUSION IN α-IRON WITH POINT DEFECTS MAJOR: NANOTECHNOLOGY CODE: PILOT RESEARCH SUPERVISORS: Prof. YOJI SHIBUTANI Dr. NGUYEN TIEN QUANG Hanoi, 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ACKNOWLEDGMENT To accomplish this thesis, I have received great support, helpful advice, and guidance from respectful professors, lecturers, researchers, and staff in Vietnam Japan University and Osaka University. I would like to express my gratefulness to my supervisors, Prof.

Yoji Shibutani and Dr. Nguyen Tien Quang for supplying great researching environments in laboratories, and for giving helpful instructions, guidance, advice, and inspirations during my master course. Finally, I am thankful to my family for the support, companion, and mobilization, which is an essential element for me to finish the thesis. Hanoi, 10 June 2019 Student HO NGOC NAM LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENT.

i LIST OF FIGURES. i LIST OF TABLES. iii LIST OF ABBREVIATIONS. RESULTS AND DISCUSSION .55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF PUBLISCATIONS .63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF FIGURES Figure 1.

The relation between elongation (ductility) and tensile strength in low carbon steel for general applications [4]. Phase diagram of iron-carbon alloy by different carbon content [19]. Simulation picture of typical defects in iron-carbon alloy. Reaction energy diagram as a function of reaction coordinate q  for an isomerization reaction [37].

Illustration of finding the minimum energy path by NEB. Each image on the chain of the system is connected by spring forces which located along the minimum energy line between two minimum energy points [44]. Decomposition of force on an image [38]. Contour plot of the potential energy surface for an energy-barrier- limited infrequent-event system.

After many vibrational periods, the trajectory finds a way out of the initial basin, passing a ridgetop into a new state. The dots indicate saddle points [45].5 the transition of atom when diffusing from the state (i) to the state (j) by crossing the energy barrier E m [44].6 The K-th transition is chosen because its assigned value of s(K) intercepts r2 i [44].1 Positions 1, 2 of carbon correspond to O site, and 3 corresponds to T site .2: Positions carbon is adopted in iron system. Configurations of BCC iron structure in case of two carbons.4: Configurations of BCC iron structure in case of three carbons.5: Configurations of BCC iron structure in case four carbons. Energy landscape (a, b) and energy contour line (c, d) of iron-carbon system in case of vacancy/without vacancy is created by [010] and [001] directions.7: The change position and angle of iron atoms around carbon atom, which is doped between two iron atoms lead to relaxing configuration.8 Binding energy of carbon-vacancy is calculated by DFT calculation and MD method in case 1V-1C.9: Configuration 3 after optimized in case 2 carbon atoms.

Configuration 3 after optimized. The most stable configuration in case 4 carbon atoms in iron .37 i LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Trapping energy is calculated in two ways: “sequential” way (blue line) and “simultaneous” way (red line). Minimum energy paths of carbon in case 1C by two possible ways.

Eight diffusion paths of 2nd carbon around vacancy in case of 2 carbon atoms. Minimum energy paths of carbon in case 2C. Seven diffusion paths of the 3rd carbon atom around the vacancy in case of 3 carbon atoms. Minimum energy paths of carbon in case 3C.

Jumping rate in case of 1, 2 and 3 carbon atoms as an inverse function of temperature. Diffusion coefficient vs. temperature in 2 cases: perfect case and vacancy case.53 ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF TABLES Table 1. Different phases of steel based on carbon content [23].

Configuration of system when carbon is adopted in position 1, 2, 3. The binding energy between vacancy-carbon at position P1 to P7 for both size 3x3x3/8x8x8 was calculated with the consideration of the distance. Binding energy at P1 by DFT method from some authors is collected for system size 3x3x3 and 4x4x4.4: Binding energy from MD and DFT method (for size 3x3x3) is computed for seven configurations. Position of carbon atoms before and after optimized.

The binding energy of seven configurations in case of 4 carbons .7: Position of carbon atoms before and after optimized in case 3C.8: Binding energy of 7 configurations in case 4 carbon atoms .9: The change position of 4 carbon in configuration 4 after optimized. Relaxation configurations in two carbon case. Comparison between two durable configurations of two carbon atoms in perfect and vacancy case. Relaxation configurations in three carbon case.

Comparison between two stable configurations of three carbon atoms in perfect and vacancy case. Mean square displacement of carbon atom vs time of some temperatures in both case: perfect case and vacancy case by kMC.52 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF ABBREVIATIONS Abbreviation Description ABOP Analytic Bond-order Potential BCC Body-Centered Cubic DFT Density Functional Theory MD Molecular Dynamics MEP Minimum energy path kMC Kinetic Monte Carlo FDM Finite Different Method CI-NEB Climbing image – Nudged Elastic Band O-site Octahedral site T-site Tetragonal site TST Transition State Theory LAMMPS Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. INTRODUCTION Nowadays, along with the steady development of science and technology, the achievements in scientific research are increasingly contributing to society, especially in the field of nanotechnology. Research, development, and application of potential and unique properties from nanoscale materials have brought many improvements and breakthroughs compared to previous traditional materials [15].

The field of computational materials science is considered as one of the areas of top concern in material science today [9]. Calculations are implemented based on the theoretical foundations, which apply to specific subjects under the simulation process supported by modern computer systems, acting as useful tools in describing, verifying, predicting the rules, physical phenomena occurring inside objects and between objects. The development process of computational science is an essential and inseparable part of the practical application in industry. In particular, the calculation related to iron-carbon alloys is a good example and plays a crucial role in the development of the steel industry.

Until now, the steel industry has an extraordinary development, which can be divided into three main generations. The first generation - Conventional low carbon steels can be mentioned as high strength low-alloy products (HSLA) steels, advanced high strength steels (AHSS), IF (Interstitial Free), DP (Dual Phase) or so-called TRIP / TWIP (Transformation or Twinning Induced Plasticity), etc. is incredibly famous and widely used steel generation today [4]. The second generation - Austenitic-Based Steels has been developed, and the third generation is still being researched and developed.

For different generations, superiorities and disadvantages still exist not only on mechanical properties but also on product costs. Therefore, the main goal of this third-generation material system is to continue to improve the desired mechanical 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] properties while cutting the costs and enhancing the connectivity of materials compared to previous generations. The relation between elongation (ductility) and tensile strength in low carbon steel for general applications [4] Overview of iron-carbon alloy With its long history of development, steel is still one of the most widely used materials in our modern world [24], and it can be seen that steel is present in most buildings from small houses to skyscrapers, roads, and bridges. The reason for this material becoming popular and preferable comes from its characteristics.

The versatility, durability, and strength of steel can meet requirements as well as applications for a variety of purposes, and it is also an affordable and environmentally friendly option [5]. Research on steel is still an exciting field that scientists, especially in material science, are interested in improving the properties of this traditional material. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phase diagram of iron-carbon alloy by different carbon content [19].

Different phases of steel based on carbon content [23]. Temperature Phase Term Structure Notes Conditions  -Fe Ferrite BCC T < 922.50C Solubility is very low C is an "Austenite 911.50 C < T  - Fe  - Ferrite FCC stabilizer": add C,  < 13960C field widens 13920 C< T Dissolve as much as δ - Fe δ – Ferrite BCC <15360 C 0.08% of carbon Hard ceramic, lower Fe3C Cementite Orthorhombic nucleation barrier than for graphite Fe-C solid Metastable, formed Martensite BCT solution by quenching 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Based on the structure of pure iron and steel, it is easy to see that these are similar structural materials. The most significant and vital difference comes from the occurrence of carbon impurity concentrations in the system. More specifically, when the carbon concentration in the alloy of iron exceeds the 2.1wt% threshold, the alloy is considered as cast iron, which is very hard and also very brittle.

In the case of carbon concentration less than 0.08wt%, it becomes softer when compared to cast iron, but its ability as incurvation or distortion was better without breaking, which is necessary to play a role as a structural steel in the building. When carbon concentration is between 0.2wt% and 2wt%, the properties of steel become special thanks to the balance between hardness and ductility [36]. However, how to control both level and location of carbon in iron is the most challenging problem we faced. So, there is no denying that the history of the steel industry is defined based on carbon concentration control techniques.

The appearance of carbon atoms in the iron system even in small quantities is still thought to have a significant effect based on the energy and kinetic properties of the system. It can be seen that carbide formation comes from exceeding the limit of carbon solubility, which contributes significantly to improving the durability and hardness of metals as in steel. On the opposite side, when the carbon concentration in the system is below the solubility limit, the thermal and mechanical properties of the system can change significantly only by a minimal amount of carbon atoms (several tens of ppm) in interstitial sites or when they interact strongly with defects in steel [27]. The purpose and objectives of research The real lattice is not perfect but contains many types of defects, which can be referred to as vacancy, dislocation, or grain boundary [41].

While vacancy is well known as a typical case of point defect and also a simple case which we can consider. Study about the vacancy case in BCC structure of iron will help us understand clearly about the role and the effects of vacancy to the diffusion and clustering of carbon in iron matrix. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Simulation picture of typical defects in iron-carbon alloy The cause of the interaction between carbon and metals has a tremendous scientific and technological interest which has essential effects on the yield stress and the sub- consequent mechanical properties and also a broad range of implications in the scope of material science [26].

Research on atomic carbon concentration dissolved in iron as well as its distribution and diffusion in iron plays a vital role in making a view insight of phenomena such as carbide precipitation, martensite aging, and ferrite transformation [31]. The restriction of system size when calculating using First principle method causes Molecular Dynamic (MD) to be a reasonable substitute for large systems [39]. However, the accuracy of MD simulations largely depends on the choice of interatomic potential. Recently, Nguyen et al.