مطالعه ديناميك نانوحفره با در نظر گرفتن مدول يانگ و انرژي تشكيل حفره وابسته به دما با استفاده از روش ميدان فاز در نيكل

Nanovoid dynamics based on temperature dependent Young modulus and void formation energy in Nickel: a phase field study

در اين مقاله، روش ميدان فازي به منظور مطالعه رشد و از بين رفتن نانوحفره‌ها تحت دما و بارمكانيكي مورد استفاده قرار گرفته است. بدين‌منظور، معادلات سينتيك كان – هيليارد يا نفوذ و معادلات الاستيسيته ايستايي بر پايه كرنش هاي كوچك با يكديگر كوپل گرديده و با استفاده از روش اجزاي محدود غيرخطي در فضاي كارتزين دو بعدي حل شده‌اند. اين كوپلينگ از طريق حضور انرژي كرنشي در تابع انرژي آزاد كان هيليارد و وابستگي كرنش كل به كرنش غيرالاستيك حفره صورت مي پذيرد. نكته جديد و قابل توجه در مدلسازي فيزيكي حاضر، لحاظ نمودن وابستگي هم زمان خواص الاستيك و انرژي تشكيل حفره به دماست و بر اين اساس شبيه‌سازي‌هايي بر روي تغييرات نانوساختارحفره شامل صفحه مشترك گاز- جامد خطي، رشد يا از بين رفتن نانوحفره دايره‌اي در دماهاي مختلف، رشد يا از بين رفتن نانوحفره دايره‌اي تحت فشار دو محوره و تغييرات نانوساختار با توزيع تصادفي غلظت حفره مورد مطالعه قرار گرفته است. از نتايج مهم مي‌توان به رشد سريع‌تر حفره و مقادير بالاتر غلظت بدست آمده در دماهاي پايين‌تر اشاره نمود. همچنين، ميدان توزيع تنش با رشد و از بين رفتن حفره‌ها به خصوص در ناحيه صفحه مشترك گاز- جامد به شدت تغيير مي‌يابد و مقدار تنش كل نيز با افزايش غلظت و اندازه حفره تغيير مي‌كند.

In the present work, a phase field method is used to study the growth/annihilation of nanovoids under thermal and mechanical loadings. To do so, the coupled system of the Cahn-Hilliard and elasticity equations is solved using the nonlinear finite element method in 2D. This coupling is due to the presence of elastic energy in the Cahn-Hilliard free energy and the dependence of total strain on the void misfit strain. The novel point in the present physical model is including the temperature dependence of elastic properties and void formation energy. Then, examples of nanovoid structure evolution are presented consisting of planar gas-solid interface formation and evolution, growth/annihilation of circular nanovoids at different temperatures, growth/annihilation of nanovoids under biaxial compression and at different temperatures and nanovoid structure evolution with initially, randomly distributed void pattern. The obtained results show a faster growth with larger amounts of void concentration at lower temperatures. Also, the stress field significantly varies during nanovoids growth/annihilation especially inside the solid-gas interface and its value depends on the nanovoid size and the concentration