Influence of grain size on the mechanical properties of polycrystalline compositionally graded nanowires AlNiby molecular dynamics simulation
ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ *
Khoa Kỹ thuật Vật liệu, Trường Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội
Email: hue.dangthihong@hust.edu.vn
Ngày nhận bài: 10/05/2024 , Ngày duyệt đăng: 10/06/2024
ABSTRACT
Influence of grain size on the mechanical properties of polycrystalline compositionally graded nanowires AlNiby molecular dynamics simulation Polycrystalline compositionally graded nanowires (PCGNs) have a lot of applications due to their advanced material properties derived from spatial variations in compositions. Similarly to metal and alloys, these materials’ grain size significantly affects their mecTanical properties. However, achieving a complete understanding of the mechanical behavior of PCGNs with different grain sizes, particularly at the atomic level, has remained indefinable. This article uses molecular dynamics (MD) simulations to investigate the tensile mechanical properties of PCGNs AlNi with varying grain sizes. The PCGNs exhibit a dual variation in grain sizes. The findings demonstrate that the yielding stress of PCGNs increases with an increase in the grain sizes. It is found that the critical grain size of the Hall-Petch relationship is 29.42nm, at which the maximum yield strength of 1.64 GPa is obtained. In samples with grain size >7 (average diameter of grain d equal to 29.42 nm), the average yield stress increases with the increase of grain size (reduced average diameter of grain d), according to the Hall-Petch relationship, caused by the dislocation glide and growth of deformation twin with the breaking of individual grain boundaries. For samples with an average diameter of grain < 29.42nm, the evolution of yield stress is consistent with the inverse Hall-Petch relationship, attributed to the softening caused by the rotation of grain and migration of grain boundary, in which small grain merging can be observed, promoting grain boundary movement, and the extrusion of atoms leads to thinning of grain boundary. These conclusions have positive significance for the design of these fascinating nano-polycrystalline compositionally graded materials of AlNi.
Keywords: Polycrystalline compositional graded nanowires, mechanical properties, grain size, molecular dynamics simulation.
TÓM TẮT
Vật liệu nano đa tinh thể có thành phần biến thiên (PCGN) có nhiều ứng dụng do có tính chất cơ học nổi trội bắt nguồn từ sự thay đổi thành phần đồng thời biên giới hạt cũng ảnh hưởng đến cơ tính của loại vật liệu này. Tương tự như kim loại và hợp kim, kích thước hạt của vật liệu nano đa tinh thể có thành phần biến thiên ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của chúng. Tuy nhiên, những lý giải cần thiết về cơ chế thay đổi cơ tính của loại vật liệu nano có thành phần biến thiên do ảnh hưởng của kích thước hạt chưa có nghiên cứu nào trên thế giới công bố, đặc biệt ở cấp độ nguyên tử. Bài viết này sử dụng mô phỏng động lực phân tử (MD) để nghiên cứu các tính chất cơ học của PCGN AlNi với các kích thước hạt khác nhau dưới tác động của tải trọng kéo. Vật liệu biến thiên tinh thể có cơ tính thay đổi rõ rệt phụ thuộc vào kích hạt. Nghiên cứu này chứng minh rằng ứng suất chảy của vật liệu đa tinh thể có thành phần biến thiên tăng khi đường kính trung bình của hạt giảm, nghĩa là cỡ hạt tăng. Nghiên cứu
chỉ ra rằng, kích thước hạt tới hạn của đường kính hạt trung bình để giới hạn ranh giới từ Hall-Petch thuận sang Hall – Petch nghịch là 29,42nm, tại tại kích thước này, giới hạn chảy là 1,64 GPa và là giá trị lớn nhất trong các mẫu. Nếu tiếp tục giảm đường kính trung bình của các các hạt xuống nhỏ hơn 29,42 nm, thì ứng suất chảy giảm. Điều này được giải thích khi đường kính trung bình chưa đạt giá trị ngưỡng, lệch chuyển động trong quá trình biến dạng dẻo và tích tụ tại các biên giới hạt tạo thành các vách lệch ngăn cản chuyển động của các lệch khác, đồng thời tạo ra một trường suất lệch xung quanh biên giới hạt làm cho vật liệu bị hóa bền. Khi kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt tới hạn, thể tích hạt nhỏ không đủ chứa lệch nên trượt qua biên giới rất nhanh dẫn đến giảm ứng suất chảy của vật liệu. Sự thay đổi của ứng suất chảy phù hợp với mối quan hệ Hall-Petch nghịch. Những kết luận này có ý nghĩa tích cực đối với việc thiết kế các vật liệu đa tinh thể có thành phần biến thiên AlNi.
Từ khóa: Vật liệu đa tinh thể có thành phần biến thiên, tính chất cơ học, cỡ hạt, mô phỏng số động lực học phân tử.
