Numerical simulation and experimental verification of the mechanical behavior of nanocrystalline materials under nanoindentation and compression uniaxial loading
Authors: Μπάζιος Παναγιώτης 
Published: November 2021

Τα νανοκρυσταλλικά υλικά (ΝΚ) έχουν προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον τα τελευταία είκοσι χρόνια λόγω των επιθυμητών ιδιοτήτων τους. Ένα από τα πιο ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των νανοκρυσταλλικών υλικών είναι η μηχανική τους απόκριση. Είναι γενικά γνωστό ότι, σε σύγκριση με τα μικροκρυσταλλικά υλικά, τα νανοκρυσταλλικά υλικά παρουσιάζουν βελτιωμένες τιμές όσον αφορά το όριο διαρροής, την αντοχή σε εφελκυσμό (UTS) και την σκληρότητας. Από την άλλη μεριά, η πλαστική παραμόρφωση και η δυσθραυστότητα παρουσιάζουν μειωμένες τιμές. Ωστόσο, το ζήτημα του προσδιορισμού και της πρόβλεψης της μηχανικής συμπεριφοράς των ΝΚ υλικών εξακολουθεί να είναι δύσκολο, παρόλο που έχουν γίνει πολλές υπολογιστικές προσπάθειες ανάπτυξης μοντέλων και τεχνολογική πρόοδος με στόχο την μαζική παραγωγή τέτοιων υλικών. Προσδιορίζοντας τις δυσκολίες και τα υπόλοιπα προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν, στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκε η μηχανική συμπεριφορά καινοτόμων πορωδών διφασικών νανοκρυσταλλικών υλικών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, γνωρίζοντας ότι τα προαναφερθέντα υλικά επηρεάζονται από ατέλειες (πόροι που βρίσκονται κυρίως στην περιοχή των ορίων των κόκκων) λόγω της διαδικασίας παραγωγής και της επίδρασής τους στη συνολική μηχανική απόκριση, αναπτύχθηκε μια αριθμητική μεθοδολογία πολλαπλών κλιμάκων για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς πορώδων νανοκρυσταλλικών υλικών που αποτελείται από τρία επίπεδα προσομοίωσης. Στο πρώτο επίπεδο προσομοίωσης, θεωρήθηκε ότι το νανοκρυσταλλικό υλικό δεν έχει καμία ατέλεια (πόρους) ώστε να διερευνηθεί η συμπεριφορά θλίψης των ιδανικών νανοκρυσταλλικών κραμάτων πλήρους πυκνότητας. Στο δεύτερο επίπεδο προσομοίωσης, ένα πορώδες αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου έχει μοντελοποιηθεί και θεωρείται ότι οι πόροι κατανέμονται τυχαία στην φάση των ορίων του κόκκου και δεν συσσωματώνονται. Το κλάσμα όγκου των κραματικών στοιχείων και των ορίων των κόκκων τους, καθώς και η πυκνότητα και το μέγεθος των τυχαία κατανεμημένων πόρων έχει αναπτυχθεί μέσω της αριθμητικής μεθόδου. Οι παραπάνω παράμετροι του μοντέλου (μέγεθος κόκκων και πόρων, κλάσματα όγκου κόκκων και πόρων) έχουν βαθμονομηθεί και επικυρωθεί μέσω μετρήσεων της μικροδομής (SEM, TEM και XRD αναλύσεις). Η μεθοδολογία έχει εφαρμοστεί για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς σε θλίψη των νανοκρυσταλλικών υλικών που περιέχουν εκτεταμένο πορώδες. Στο τρίτο επίπεδο προσομοίωσης, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο νανοδιείσδυσης. Το αριθμητικό μοντέλο, σε συνδυασμό με μια αντίστροφη ανάλυση δεδομένων, επιτρέπει τη δημιουργία της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης του υλικού στη βάση των αποτελεσμάτων της δοκιμής νανοδιείσδυσης. Όσον αφορά τα νανοκρυσταλλικά υλικά, πραγματοποιήθηκαν μηχανικές δοκιμές και πιο συγκεκριμένα, δοκιμές θλίψης, σκληρότητας και νανοδιείσδυσης σύμφωνα με τα πρότυπα ISO και ASTM. Για την προαναφερθείσα σειρά μηχανικών δοκιμών, 4 διαφορετικές κραματικές σειρές έχουν διερευνηθεί στην παρούσα διδακτορική διατριβή και παρατίθενται παρακάτω: • Χονδρόκοκκο κράμα Βολφραμίου-Χαλκού (cW-Cu) • Νανοκρυσταλλικό κράμα Βολφραμίου-Χαλκού (W-Cu) • Νανοκρυσταλλικό κράμα Βολφραμίου-Αλουμινίου (W-Al) • Νανοκρυσταλλικό κράμα Τιτανίου-Αλουμινίου (Ti-Al) Όσον αφορά τα νανοκρυσταλλικά δείγματα Βολφραμίου-Χαλκού, τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική βελτίωση του ορίου διαρροής συγκριτικά με τα αντίστοιχα μικροκρυσταλλικά υλικά, αλλά το Μέτρο Ελαστικότητας υποβαθμίστηκε λόγω της εκτεταμένης ύπαρξης πορώδους. Επιπλέον, οι άλλες δύο παρτίδες νανοκρυσταλλικών υλικών (Βολφραμίου-Αλουμινίου και Τιτανίου-Αλουμινίου) έχουν αξιολογηθεί με τα αντίστοιχα μικροκρυσταλλικά κράματα συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους με αυτά της βιβλιογραφίας. Και πάλι, τα νανοκρυσταλλικά δείγματα W-Al και Ti-Al παρουσίασαν παρόμοια συμπεριφορά σε σύγκριση με τα νανοκρυσταλλικά δείγματα W-Cu ακολουθώντας το φαινόμενο Hall-Petch που είναι ο κυρίαρχος μηχανισμός στα νανοκρυσταλλικά υλικά. Τα αριθμητικά αποτελέσματα, όσον αφορά τις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης και οι μηχανικές ιδιότητες (Μέτρο Ελαστικότητας και όριο διαρροής), συσχετίζονται καλά με τα πειραματικά αποτελέσματα. Τόσο το μοντέλο όσο και οι δοκιμές αποκαλύπτουν ότι οι πόροι υποβαθμίζουν την θλιπτική συμπεριφορά των νανοκρυσταλλικών υλικών. Πιο συγκεκριμένα, καθώς το κλάσμα όγκου των πόρων αυξάνεται, τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική μείωση του Μέτρου Ελαστικότητας. Από την άλλη πλευρά, το όριο διαρροής ακολουθεί το φαινόμενο Hall-Petch, καθώς όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των κόκκων τόσο μεγαλύτερο είναι το όριο διαρροής. Το πορώδες φαίνεται να έχει μικρή επίδραση στο όριο διαρροής. Η αριθμητική μεθοδολογία που ακολουθείται σε αυτό το επίπεδο προσομοίωσης είναι πιο ρεαλιστική βάσει της μικροδομής των παραγόμενων δειγμάτων και τα αριθμητικά της αποτελέσματα ταιριάζουν καλά σε σύγκριση με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα λόγω του γεγονότος ότι λαμβάνει υπόψη την επίδραση του πορώδους στη συνολική μηχανική απόκριση. Η προτεινόμενη αριθμητική μεθοδολογία πολλαπλών κλιμάκων μπορεί να θεωρηθεί ως μια συνεισφορά προς την ανάπτυξη ενός αριθμητικού μοντέλου για τη διερεύνηση της μηχανικής απόκρισης των πολυφασικών πορωδών νανο-κρυσταλλικών υλικών μεταβάλλοντας το κλάσμα όγκου των κραματικών στοιχείων, το κλάσμα όγκου των τυχαία κατανεμημένων πόρων και το μέγεθός τους και μπορεί να εξυπηρετήσει ως βάση για την ανάπτυξη μακροσκοπικών μοντέλων που θα εφαρμοστούν στον έλεγχο ποιότητας των συστημάτων μαζικής παραγωγής των προαναφερθέντων υλικών. Επίσης αποκαλύπτει την προοπτική για μια εκτεταμένη χρήση νανοκρυσταλλικών υλικών στην αεροναυτική και την αεροδιαστημική βιομηχανία στο εγγύς μέλλον.