NİAL NANO TELLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN MOLEKÜLER DİNAMİK YÖNTEMLE İNCELENMESİ

Abstract

Bu tez çalışmasında, şekil hatırlama bölgesinde bulunan Ni-30Al alaşımının nano ölçekli tel modelleri oluşturulmuş ve bu modellerin moleküler dinamik simülasyonları yardımıyla zor-zorlanma davranışları incelenmiştir. Çalışmalarda, atomlararası fiziksel etkileşmeler gömülü atom metodu ile temsil edilmiş ve simülasyonlar açık kaynak kodlu LAMMPS kodları ile gerçekleştirilmiştir. 11 farklı kalınlığa sahip aynı uzunluk ve aynı kristal yönelimli [001] model nano teller üzerinde 0 K, 300 K, 500 K, 700 K ve 900 K sıcaklıklarında ve 1 m/s den 10 m/s ye kadar 10 farklı çekme hızı için moleküler dinamik hesaplamaları yapılmıştır. Elde edilen sonuçlardan, nano tellerin Young modülleri, akma dayanımları, nihai zorlanma değerleri ve kopma zorlanma değerleri elde edilmiştir. Elde edilen bu mekanik parametrelerin sıcaklığa, tel kalınlığına ve çekme hızına bağlı değişimleri belirlenmiştir. Sonuçlar literatürle karşılaştırılarak tartışılmıştır. Çalışmalar sonunda, şekil hatırlamalı Ni-30Al nano tellerinin Young modüllerinin sıcaklıkla lineer olmayan bir şekilde değiştiği, 500 K e kadar önce arttığı ve yüksek sıcaklık fazına geçildikten sonra azaldığı tespit edilmiştir. 1,44 nm kalınlıklı en ince telin 1 m/s çekme hızı ile çekilmesi halinde 300 K sıcaklıktaki Young modülü 72 GPa civarında tespit edilmiştir. Aynı şartlarda akma dayanımı 3,15 GPa ve nihai zor değeri ise 5 GPa olarak belirlenmiştir. 300 K sıcaklıkta Young modülü model kalınlığı arttıkça azalmaktadır. 4,32 nm kalınlığa sahip en kalın nano tel için tespit edilen Young modülü 40 GPa civarındadır. Benzer şekilde, akma dayanımı da tel kalınlığı arttıkça azalmaktadır. En kalın telin 300 K deki akma dayanımı 1,75 GPa değerindedir. Çekme hızının Young modülü üzerindeki etkisi oldukça karmaşıktır ve tel kalınlığına bağlı olarak lineer olmayan bir davranış sergiler. Bu durum, tel kalınlığının, tel içindeki dislokasyon oluşumunu etkileyen en önemli faktör olduğunu ortaya koymaktadır.In this thesis, it has been modeled shape memory Ni-30Al alloy in a form of nanowires in order to investigate their stress-strain behavior by means of molecular dynamics simulations. Embedded atom method has been used to define the physical interactions between atoms. The simulations have been realized by using the LAMMPS simulator package having open source code. Molecular dynamics simulations have been done for the models with 11 different thicknesses, the same length and the same crystal orientation [001], but at different temperatures 0, 300K, 500K, 700K and 900K, and 10 different strain rates from 1m/s to 10m/s used to obtain stress-strain relations. By using the stress-strain curves the values of Young's modulus, yield strength, ultimate strength and fracture points of nanowires were obtained. Temperature, thickness and strain rate dependencies of these mechanical parameters were determined. The results were also discussed comparatively using the results found in the literature. It has been determined that the Young's modulus of shape memory Ni-30Al nanowires change nonlinearly with temperature, i.e. they increase first up to 500K temperature at which the phase transition starts, and then decrease with temperature. The Young's module of the fine nanowire with 1.44nm thickness was determined as 72GPa for a strain rate of 1m/s and at 300K. At the same conditions and for the same nanowire the yield strength and the ultimate stress were 3.15Gpa and 5Gpa, respectively. The Young's modulus at 300K decrease as increasing thickness of nanowires. The Young's modulus for the thicker nanowire with 4.32nm thickness has a value of about 40Gpa. Similarly, the values of yield strength also decrease as increasing thickness of nanowires. Yield strength is 1.75Gpa for the thicker nanowire at 300K. The effect on the Young's modulus of the strain rate is very complex and exhibits a non-linear behavior depending on the nanowire thickness. This result reveals that the thickness of nanowire is the most important factor affecting the formation of the dislocations in the wire, and so the mechanical properties.