Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô phỏng số động học phân tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến thay đổi cấu trúc mạng tinh thể hợp kim nhôm ma giê biến dạng nhiệt độ âm phương pháp mô số động học phân tử TRẦN VĂN KHÁNH khanh@sis.hust.edu.vn Ngành Khoa học vật liệu – VLKL(KH) Chữ ký GVHD Giảng viên hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ Bộ môn: Cơ học vật liệu Biến dạng kim loại Viện: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU HÀ NỘI, 10/2021 I ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến thay đổi cấu trúc mạng tinh thể hợp kim nhôm ma giê biến dạng nhiệt độ âm phương pháp mô số động học phân tử Tác giả luận văn: Trần Văn Khánh Khóa: 2020A Người hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ i Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này, trước hết tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn tới TS Đặng Thị Hồng Huế, người trực tiếp hướng dẫn tơi q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, đặc biệt thầy cô Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, em sinh viên nhóm nghiên cứu tơi hỗ trợ, giúp đỡ thời gian học tập làm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà Nội Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm, động viên đồng hành thời gian qua ii Lời cam đoan Tôi, Trần Văn Khánh xin cam đoan, luận văn công trình nghiên cứu tơi hướng dẫn TS Đặng Thị Hồng Huế Các kết nêu báo cáo luận văn trung thực, không chép cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2021 HỌC VIÊN Trần Văn Khánh iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến thay đổi cấu trúc mạng tinh thể hợp kim nhôm ma giê biến dạng nhiệt độ âm phương pháp mô số động học phân tử Tác giả luận văn: Trần Văn Khánh Khóa: 2020 A Người hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Từ khóa: Mơ số động học phân tử, cấu trúc mạng tinh thể, lệch, hợp kim nhôm ma giê Nhôm hợp kim nhôm vật liệu sử dụng rộng rãi đời sống trọng lượng nhẹ, khả chống ăn mịn mơi trường nước biển cao có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Bên cạnh đó, độ bền hợp kim nhơm cao nhiều so với kim loại nhôm nguyên chất Tuy nhiên, so với thép giới hạn bền giới hạn chảy đa số hợp kim nhôm thấp Nhằm tận dụng ưu điểm khả chống ăn mòn nhiều môi trường đặc biệt môi trường nước biển tận dụng đặc điểm trọng lượng nhẹ loại vật liệu để thay chi tiết thép công nghiệp hàng không, công nghiệp khai thác dầu mỏ, nhiều nghiên cứu thực nghiệm nhằm cải thiện độ bền hợp kim nhôm công bố giới Tuy nhiên, gốc dễ cải tiến nâng cao độ bền vật liệu biến đổi cấu trúc nguyên tử vật liệu Vấn đề hạn chế công bố công cụ hỗ trợ nghiên cứu cấp phân tử nguyên tử hạn chế năm trước Ngày nay, khoa học máy tính công nghệ thông tin phát triển hỗ trợ nghiên cứu cấp nguyên tử nhiều có nghiên cứu biến đổi cấu trúc vật liệu mà tác giả luận văn sử dụng để nghiên cứu hợp kim nhôm ma giê A5052 Trong nghiên cứu, tác giả luận văn sử dụng phần mềm mô động học phân tử LAMMPS ((Large-scale Atomic /Molecular Massively Parallel Simulator) phương pháp điện tử nhúng để mô tả tương iv tác nguyên tử Al, Fe, Cr, Mg, Si tác dụng tải trọng cắt theo phương x phương y nhiệt độ 77 K, 300 K, 448 K Kết mô cho thấy biến đổi kiểu mạng tinh thể từ mạng lập phương tâm mặt (FCC) sang kiểu mạng lập phương thể tâm (BCC), lục giác xếp chặt (HCP) nhiều nguyên tử chuyển trạng thái vô định hình (other) Sự chuyển dịch kiểu mạng tinh thể lệch sinh trình biến dạng dẻo, chúng chuyển động mặt trượt phương trượt khác nhau, chúng cắt sản sinh nhiều lệch Khi mật độ lệch tăng lên, lệch hình thành lên vùng khuyết tật xếp, song tinh, đối tinh Đây nguyên nhân gây thay đổi kiểu mạng tinh thể Cơ tính vật liệu thay đổi phụ thuộc vào thay đổi kiểu mạng tinh thể Ở nhiệt độ khác nhau, mức độ biến đổi mạng tinh thể khác Kết mô cho thấy, nhiệt độ 77 K mức độ chuyển dịch mạng tinh thể từ FCC sang HCP BBC lớn Cơ tính vật liệu nhiệt độ cao nhất, giới hạn bền vật liệu đạt xấp xỉ GPa với mật độ lệch nhiệt độ thấp tổng lượng tự hệ nhỏ Học viên Ký ghi rõ họ tên Trần Văn Khánh v Contents DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC HÌNH VẼ v CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 1.2 Nhôm kim loại hợp kim nhôm ma giê 1.1.1 Hợp kim nhôm AA5052 1.1.2 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim .2 1.1.3 Khuyết tật nhôm hợp kim nhôm Tổng quan nghiên cứu thay đổi tính hợp kim nhơm ma giê .4 CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ .8 2.1 Tổng quan mô số động học phân tử 2.2 Ưu điểm mô động học phân tử 2.3 Nguyên lý phương pháp mô động lực học phân tử 2.4 Xây dựng mơ hình động học .10 2.5 2.6 2.4.1 Thế tương tác .11 2.4.2 Thế Lennard-Jones .11 2.4.3 Phương pháp điện tử nhúng .12 2.4.4 Điều kiện biên tuần hoàn 13 2.4.5 Nhiệt độ 14 2.4.6 Áp suất .14 Phân tích cấu trúc 14 2.5.1 Hàm phân bố xuyên tâm (PBXT) 14 2.5.2 Số phối trí đơn vị phối trí 17 2.5.3 Phương pháp trực quan hóa .18 2.5.4 Phân tích lân cận chung tần xuất cấu trúc động học 19 2.5.5 Phân bố cấu trúc không gian đảo 21 Phân tích lệch 21 2.6.1 Các lệch mạng lập phương tâm mặt A1 23 2.6.2 Lệch mạng sáu phương xếp chặt A3 26 2.7 Các tập hợp nhiệt động 27 2.8 Kết luận .27 vi CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ Q TRÌNH BIẾN DẠNG HỢP KIM NHƠM A5052 Ở NHIỆT ĐỘ ÂM .29 3.1 Mô số động học phân tử 29 3.2 Thiết lập file đầu q trình mơ 32 3.3 Phân tích kết kết luận .33 3.3.1 Quá trình phát triển lệch 33 3.3.2 Hàm phân bố hướng tâm (RDF) 41 3.3.3 Đặc điểm cấu trúc vi mô 44 3.3.4 Ảnh hưởng cấu trúc mạng đến đường cong ứng suất – biến dạng .50 KẾT LUẬN 55 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT UFG: Ultra Fine Grain CR: Cryorolling SPD: Severe Plastic Deformation ACR: Asymmetric Cryorolling EAM: Embedded Atom Method PBXT: Phân bố xuyên tâm ĐVPT: Đơn vị phối trí ĐLHPT: Động lực học phân tử CNA: Common Neighbor Analysis LAMMPS: Large-scale tomic/ Molecular Massively Parallel Simulator OVITO: Open Visualization Tool iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Thành phần hợp kim A5052 Bảng Tính chất vật lý tính hợp kim nhơm AA5052 Bảng Phương pháp CNA nhận diện cấu trúc số tinh thể Bảng 3.2 Thơng số khối lượng bán kính nguyên tử hợp kim Bảng 3 Điều kiện biên mô Bảng 3.4 Mô-đun đàn hồi giới hạn đàn hồi Bảng Giới hạn chảy độ bền kéo hợp kim AA5052 ba nhiệt độ iv ... nhiệt độ Hình 3 .16? ?ồ thị hàm phân bố hướng tâm Mg-Mg ba nhiệt độ khác Hình 3. 17 Sự thay đổi cấu trúc mạng hợp kim AA5052 77 K Hình 3.18 Sự biến đổi cấu trúc mạng 77 K Hình 3.19... Sự phát triển cấu trúc HCP trình biến dạng hợp kim AA5052 nhiệt độ 77 K Hình 3.12 Hướng di chuyển lệch nhiệt độ 77 K Hình 3.13 Hướng dịch chuyển lệch Hình 3.14 Đồ... mặt A1 23 2.6.2 Lệch mạng sáu phương xếp chặt A3 26 2 .7 Các tập hợp nhiệt động 27 2.8 Kết luận . 27 vi CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ Q TRÌNH BIẾN DẠNG HỢP KIM