Amir Rezaei sameti

آلیاژ حافظه‌دار نیتینول به دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی همچون حافظه‌شکل، ابرالاستیسیته، مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی عالی در زمینه‌های گوناگون از جمله مهندسی پزشکی، عمران و سازه به‌طور گسترده‌ای مورد توجه قرار گرفته است. این پژوهش به بررسی رفتار مکانیکی و خواص میرایی نیتینول در مقیاس نانو پرداخته و تأثیر پارامترهایی همچون دما، تخلخل، نقص‌های ساختاری و دامنه بارگذاری را بر خواص مکانیکی و میرایی این آلیاژ تحلیل شد. به این منظور، با استفاده از شبیه‌سازی عددی بر مبنای دینامیک مولکولی، خواص مکانیکی این ماده مانند مدول الاستیسیته، تنش تسلیم و هم‍چنین رفتار میرایی آن ازجمله چگالی انرژی هیسترزیس، ضریب میرایی، کرنش و تنش پسماند را در دماهای مختلف، با نقص‌های ساختاری ایجاد شده و برای رفتار میرایی تحت بارگذاری چرخه‌ای تا دامنه کرنشی متفاوت بررسی شد. پس از ایجاد ساختار اولیه اتمی، کل جعبه شبیه‌سازی تحت شرایط محیطی مدنظر، پایدار و سطح انرژی آن کمینه شد. در شبیه‌سازی عددی، روش بارگذاری نقش مهمی در دقت نتایج دارد. در روش دینامیک مولکولی، اثرات ناخواسته‌ای مانند نوسانات ناشی از سرعت بالای تغییرشکل یا عدم تعادل موقت می‌توانند دقت نتایج را کاهش دهند. برای رفع این چالش، از روش شبه‌استاتیکی استفاده شد که تغییرشکل به‌صورت تدریجی و مرحله‌ای اعمال شد، که اثرات اینرسی و نوسانات، پایداری انرژی داخلی را کاهش و دقت اندازه‌گیری پارامترهایی مانند تنش و کرنش را افزایش داد. شبیه‌سازی‌های عددی بیانگر آن است که در بارگذاری تک‌محوری، افزایش دما موجب کاهش مقاومت مکانیکی، مدول الاستیسیته و تنش تسلیم می‌شود و تغییر شکل پلاستیک را تسهیل می‌کند. همچنین، نقص‌های نقطه‌ای به‌عنوان مراکز تمرکز تنش عمل کرده و حرکت نابه‌جایی‌ها را تسهیل می‌کنند، که این امر خاصیت میرایی را با افزایش جذب انرژی بهبود می‌بخشد؛ به عنوان مثال با افزایش نقص نقطه‌ای تا 10 درصد، چگالی انرژی هیسترزیس حدود 6 الی 25 درصد افزایش یافت. در بارگذاری چرخه‌ای، افزایش دامنه کرنش در چرخه‌های اولیه بارگذاری، انرژی بیشتری را در ساختار جذب و تلف کرد، اما با تکرار چرخه‌ها، میزان انرژی جذب‌شده کاهش یافت و خستگی مکانیکی و اشباع مکانیزم‌های اتلاف انرژی در ماده آشکار شد. با این حال، در دماهای بالاتر، فعال شدن مکانیزم‌های جدید موجب افزایش توانایی ماده در جذب و دفع انرژی شد؛ به طور مثال، ضریب میرایی طی بارگذاری چرخه‌ای از دمای 250 الی 500 کلوین، بین 25 الی 78 درصد افزایش یافت. سایر پارامترهای مذکور نیر با تغییر شرایط، تغییر کردند. شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان دادند که نقص‌های ساختاری در مقادیر کم می‌توانند عملکرد میرایی را بهبود بخشند، اما افزایش بیش از حد این نقص‌ها منجر به کاهش استحکام و خواص مکانیکی می‌شود. نتایج این مطالعه اهمیت آلیاژ نیتینول را در بهبود عملکرد سازه‌های هوشمند، به‌ویژه در کاربردهایی مانند تیرهای پیش‌تنیده، سیستم‌های جذب انرژی و تقویت سازه‌های بتنی و فلزی قدیمی تأیید می‌کند. نیتینول، به‌عنوان یک ماده خودترمیم‌شونده، قادر است تغییرات ناشی از بارگذاری و عوامل محیطی را جبران کرده و پایداری سازه‌ها را در شرایط سخت تضمین کند. این پژوهش اطلاعات مهمی برای طراحی بهینه و استفاده موثر از این آلیاژ در سیستم‌های پیشرفته مهندسی سازه و سایر صنایع فراهم کرده و راه‌گشای تحقیقات بیشتر برای بهینه‌سازی این ماده در کاربردهای گوناگون است.

بتن مسلح یکی از مهم‌ترین مواد کامپوزیتی در مهندسی عمران است که با ترکیب الیاف فولادی، بهبود چشمگیری در عملکرد و پایداری سازه‌ها ایجاد می‌کند. این الیاف با توزیع یکنواخت در ماتریس بتن، ترک‌های ریز را کنترل کرده و خواصی مانند مقاومت کششی، خمشی و ضربه‌ای بتن را بهبود می‌بخشند. با پیشرفت علم و فناوری، تولید الیاف فولادی به صورت خیلی نازک در ابعاد میکرو و نانو نیز امکان‌پذیر شده است. این الیاف نانومقیاس به عنوان تقویت‌کننده با توزیع یکنواخت در ماتریس بتن پراکنده شده و باعث بهبود ساختار ترکیب سیمانی و افزایش چگالی آن می‌شوند. با توجه به کاربردهای الیاف نازک فولادی در بتن، در این پژوهش به بررسی رفتار مکانیکی این المان‌ها با به‌کارگیری شبیه‌سازی دینامیک مولکولی پرداخته شده است. در حالت کلی، به دلیل میل ترکیبی بالای آهن با اکسیژن، عموما در معرض هوا یک لایه اکسیدی نازک بر روی سطح الیاف فولادی شکل می‌گیرد. قرارگیری این تقویت‌کننده‌ها در محیط قلیایی بتن و حضور یون‌های هیدروکسید، منجر به تشکیل لایه جدید هیدروکسید آهن بر روی سطح الیاف می‌شود. از این رو در مدل‌سازی صورت گرفته، پس از ایجاد ساختار اولیه، شبیه‌سازی فرآیندهای اکسیداسیون و هیدراتاسیون بر سطح میله‌های نازک فولادی در شرایط مختلف دمایی انجام می‌پذیرد. نمونه‌ها پس از پایدارسازی در شرایط محیطی و کمینه‌سازی انرژی، تحت آزمون‌های مکانیکی متنوع قرار می‌گیرند. نتایج بیانگر رابطه معکوس بین قطر و استحکام نمونه‌ها است، به طوری که با افزایش قطر از 4 به 10 نانومتر تنش تسلیم از 8 به 58/4 گیگاپاسکال در فشار کاهش یافت که این امر می‌تواند ناشی از کاهش نسبت سطح به حجم نمونه‌ها با افزایش قطر باشد. علاوه بر این، تشکیل لایه اکسیدی روی سطح الیاف فولادی موجب افت چشمگیر تنش تسلیم می‌شود و به طور مثال این افت با افزایش ضخامت لایه اکسیدی از 15 به 25 درصد در نمونه با قطر 4 نانومتر به میزان 24/16 درصد تشدید می‌گردد. با این وجود، در الیاف با قطر بیشتر، به دلیل کاهش نسبت سطح به حجم، تأثیر منفی لایه اکسیدی بر استحکام کمتر است به طوری که میزان افت تنش با درصد اکسید تقریبی 15 درصد به ترتیب برای قطر های 4 و 10 نانومتر %22 و %95/17 می‌باشد. ریزنقص‌های ساختاری شدت تأثیر متفاوتی بر رفتار مکانیکی نمونه‌ها در آزمون‌های فشاری و کششی نشان می‌دهند، به نحوی که در آزمون فشاری، به دلیل تمرکز تنش بیشتر در نواحی معیوب، افت تنش شدیدتری مشاهده می‌شود. همچنین، افزایش دما با تسریع فرآیند اکسیداسیون، موجب کاهش استحکام و مدول یانگ الیاف می‌شود. نتایج بیانگر آن است که تشکیل لایه هیدروکسیدی در سطح الیاف فولادی، تنش را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. با این حال، در نمونه‌های با لایه اکسیدی ضخیم‌تر تحت فرآیند هیدراتاسیون، تأثیر منفی هیدروکسید کمتر است. همچنین، با افزایش قطر میله‌ها و کاهش نسبت سطح به حجم، اثر هیدروکسید بر افت تنش به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد.

ورقهای آلومینیومی با توجه به خواص ویژه خود از جمله چگالی پایین و شکلپذیری بالا دارای کاربردهای متنوع در صنایع مختلف همچون هوافضا، حملونقل، خودروسازی، صنایع بستهبندی، صنایع الکتریکی، صنایع ساختمانی و ... هستند. امروزه درصد بالایی از ورقهای آلومینیوم تولیدی در جهان در صنایع ساختمانی و سازهها مورد استفاده قرار میگیرد که از جمله آن میتوان به در و پنجره، سقفهای آلومینیومی داخل و خارج ساختمانها و کارخانهها، ورقهای روکشدار پیشساخته آلومینیومی برای نمای ساختمانهای عظیم، ویترین مغازهها، دربها، سایهبانها، تجهیزات و وسایل معماری و تجهیزات هدایت آب باران اشاره کرد. با توجه به پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه ساخت ورقهای آلومینیمی، در حال حاضر امکان تولید این قطعات با ضخامتهای بسیار پایین و در حتی در مقیاس نانو فراهم شده است. ورقهای آلومینیمی با ضخامت نانو در بهبود تولید مواد بر پایه سیمان، بهبود طرح اختلاط، عملکرد و کارایی بتن، و همچنین بهبود خواص مکانیکی و حجمی خاک رس کاربردهای متنوعی را داراست. در این پژوهش باتوجه به کاربرد گسترده ورقهای نازک آلومینیومی در زمینههای مختلف به بررسی رفتار مکانیکی این مواد با استفاده از شبیهسازی عددی برمبنای روش دینامیک مولکولی پرداخته میشود. با توجه به واکنشپذیری بالا آلومینیوم در مجاورت اکسیژن، این ورقها عموماً دارای لایههای نازک از اکسیدآلومینیوم در سطح خود هستند که به میزان قابلتوجهی بر روی رفتار مکانیکی این نمونهها تأثیر میگذارد. از این رو در مدلسازی اولیه صورت گرفته از مدل هسته فلزی و پوسته اکسیدفلزی استفاده میشود که در آن امکان بررسی تاثیر ضخامتهای مختلف لایه اکسید سطحی بر رفتار مکانیکی ورقهای نازک آلومینیومی امکانپذیر است. پس از ایجاد ساختار اولیه اتمی، المانهای حجمی نمونه تحت شرایط محیطی پایدارسازی شده و انرژی آنها کمینهسازی میشود. به منظور بررسی رفتار مکانیکی، نمونهها تحت آزمونهای مختلف مکانیکی ارزیابی شده و پارامترهای مختلف مکانیکی آنها از جمله مدول یانگ، مدول بالک، مدول برشی و درایههای مختلف ماتریس خواص ماده در دماهای مختلف اندازهگیری میشود. دقت مدلسازیهای صورت گرفته از آزمونهای مکانیکی با نتایج آزمایشگاهی موجود صحتسنجی شده است. براساس نتایج حاصل، افزایش درصد ضخامت لایه اکسید منجربه کاهش ضریب پواسون، افزایش مدول یانگ، مدول بالک و مدول برشی در ورقهای آلومینیمی میشود. همچنین با افزایش دما خواص مکانیکی نمونهها مانند مدول یانگ، مدول برشی و مدول بالک کاهش مییابد. براساس نتایج عددی، روابطی تحلیلی برای تعیین پارامترهای مختلف مکانیکی ورقهای نازک آلومینیومی با ضخامتهای مختلف از لایه اکسیداسیون سطحی در دماهای مختلف ارائه گردید. مقایسه روابط تحلیلی بدست آمده با دادههای آزمایشگاهی، بیانگر دقت مناسب آنها و همچنین قابلیت تعمیمپذیری روابط حاصل به ورقهای آلومینیمی ابعاد میکرو و ماکرو است