بررسی اثر ساختارهای مرزدانه در استحاله آلوتروپیک نانوکریستال آهن با استفاده از معادله حالت و شبیه سازی دینامیک مولکولی

در مواد نانوکریستال با کوچک شدن اندازه دانه ها به شدت میزان مرزدانه ها (در مقایسه با مواد پلی کریستال معمولی) افزایش می یابد، بطوری که این امر می تواند بطور قابل ملاحظه ای منجر به تغییر خواص این مواد، بویژه خواص ترمودینامیکی آن ها شود. از این رو بررسی خواص ترمودینامیکی این مواد با استفاده از روابط کلاسیک نمی تواند پاسخگوی بسیاری از رفتار مواد نانوکریستال نظیر کاهش شدید دمای استحاله های فازی در فلزات آلوتروپیک باشد. بدین منظور تئوری های مختلفی در این زمینه مورد بررسی قرار گرفت است که در نهایت منجر به روابط پیچیده ای همچون معادله حالت که مشتمل بر ترمودینامیک مرزدانه ها و پارامتر حجم اضافی است، گردید. اما از آنجا که دقت محاسبات این روابط به شدت وابسته به دقت مقادیر کسر اتمی نواحی مرزدانه و حجم اضافی در مواد نانوکریستال می باشد، لذا بایستی نواحی اتصال سه گانه و چهارگانه موجود در ساختار مرزها در محاسبه این مقادیر مد نظر قرار گیرد. از این رو هدف اصلی این تحقیق محاسبه مقادیر کسر اتمی نواحی مرزدانه ای و حجم اضافی (در فلزات آلوتروپیک نانوکریستال) جهت مطالعه دقیق خواص ترمودینامیکی آن ها می باشد. از طرفی با توجه به این که محاسبه این مقادیر به طریق تجربی کاری است بسیار دشوار (بدلیل عدم وجود امکانات آزمایشگاهی پیشرفته)، از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی برای محاسبات لازم در این خصوص استفاده گردید. نتایج حاصل از این روش در نهایت به محاسبه دقیق این مقادیر در دماها و اندازه دانه های مختلف گردید. سپس این نتایج به عنوان ورودی روابط معادله حالت برای بررسی استحاله آلوتروپیک مورد استفاده قرار گرفت و اندازه دانه بحرانی (اندازه دانه بحرانی، اندازه دانه ای است که در آن استحاله آلوتروپیک اتفاق می افتد) در دماهای مختلف محاسبه گردید. اندازه دانه بحرانی برای نانوکریستال آهن در دماهای 500، 700 و 900 درجه کلوین به ترتیب برابر 1/6، 11 و 5/15 نانومتر بدست آمد. این نتایج نشان داد که با محاسبه دقیق کسر اتمی و حجم اضافی نواحی مرزدانه ای مقدار اندازه دانه بحرانی کاهش می-یابد. همچنین در حین انجام محاسبات ترمودینامیکی وجود بعضی از ابهامات باعث گردید صحت روابط معادله حالت نیز بررسی شود. از این رو روابط معادله حالت مورد ارزیابی قرار گرفته و وجود خطاهایی در آن مورد تائید قرار گرفت. از جمله این خطاها می توان به معادلات ناصحیح در رابطه با فشار در مرزدانه، انرژی آزاد بر حسب حجم اضافی، مدول بالک و آنتالپی اشاره کرد. لذا با توجه به روابط معادله حالت، صحت پیش بینی های لازم در رابطه با خواص ترمودینامیکی مواد نانوکریستال، مستلزم رفع این خطاها در این روابط می باشد.