Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô phỏng số động học phân tử

TỔNG QUAN

Nhôm kim loại và hợp kim nhôm ma giê

Nhôm là vật liệu kim loại nhẹ, có khối lượng riêng chỉ bằng một phần ba so với thép và nhỏ hơn đồng, với tỉ số độ bền trên khối lượng cao, giúp nó trở thành lựa chọn phổ biến trong sản xuất Trên thế giới có hơn 1600 mác vật liệu kỹ thuật, trong đó nhôm và hợp kim nhôm chiếm khoảng 300 mác, với hơn 50 mác thông dụng Hợp kim nhôm ban đầu được sử dụng để thay thế gang đúc và đồng nhờ khả năng chống ăn mòn, đặc biệt trong môi trường nước biển Ngày nay, nhôm ngày càng thay thế nhiều vật liệu khác, đặc biệt trong ngành hàng không và vũ trụ, cũng như trong ngành công nghiệp ô tô và hóa chất nhờ vào tính năng chống ăn mòn vượt trội Với tính ứng dụng cao, nhôm đang được sử dụng rộng rãi, và các nghiên cứu cải thiện tính chất cơ lý, hóa của vật liệu này đã thu hút sự quan tâm trong nhiều năm qua.

Nhôm và hợp kim của nó là vật liệu có độ dẻo cao, khả năng biến dạng lớn, cùng với tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt Nhôm đứng thứ hai thế giới về mức độ sử dụng, chỉ sau thép, và là nguyên tố có trữ lượng lớn thứ ba trong vỏ trái đất, với nguồn gốc từ bauxite Bauxite được chuyển đổi thành oxit nhôm (alumina) qua quy trình của nhà bác học Bayer Kể từ năm 1886, tất cả nhôm trong công nghiệp đều được sản xuất theo quy trình này, và các tính năng cơ bản của nhôm nguyên chất vẫn không thay đổi từ khi Karl Josef Bayer được cấp bằng sáng chế vào năm 1888 tại Đức.

Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ (AA-Aluminum Association) xxxx (hợp kim nhôm biến dạng) và xxx.x (hợp kim nhôm đúc)

Bảng 1 1 Thành phần hợp kim nhôm A5052

N tố Si Fe Cu Mn Cr Zn Mg Al

Bảng 1 2 Tính chất vật lý và cơ tính của hợp kim nhôm A5052

Giới hạn bền kéo (MPa) 242 Sự dãn nở nhiệt 23.7x10 -6 /K Giới hạn chảy (MPa) 145 Nhiệt độ sôi 650 o C Độ giãn dài tương đối 12% Hệ số dẫn nhiệt 138W/m.K

Mô đun đàn hồi (GPa) 70 Điện trở 0.0495x10 -6 Ω.m

1.1.2 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim

Magiê (Mg) là một nguyên tố quan trọng trong quá trình hóa bền hợp kim, giúp tăng cường độ bền và giảm giới hạn bền mỏi mà không làm giảm độ dẻo nhờ vào việc hình thành dung dịch rắn Ở nhiệt độ 577 o C, độ hòa tan của Mg trong nhôm (Al) đạt 17.4%, trong khi ở 250 o C, con số này giảm xuống còn 2.95% Với hàm lượng thấp, Mg hòa tan hoàn toàn trong Al, tạo ra dung dịch rắn α có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất nhưng vẫn duy trì độ dẻo Nguyên tố Mg cũng ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh trong quá trình đúc hợp kim Tuy nhiên, hàm lượng Mg cao có thể dẫn đến sự hình thành pha kết tủa β (Mg2Al3) ở ranh giới hạt, điều này không có lợi cho tính chất của hợp kim sau khi đúc Do đó, để tránh sự hình thành lưới Mg2Al3, người ta thường điều chỉnh hàm lượng Mg trong hợp kim.

Magie (Mg) dưới 4% giúp giảm nhạy cảm với ăn mòn tinh giới và ăn mòn ứng suất Sự hiện diện đồng thời của Mg và Si có khả năng hình thành pha liên kim, góp phần cải thiện tính chất cơ học của hợp kim.

Mg2Si là một pha được hình thành từ dung dịch rắn α, có tác dụng tăng cường độ bền cho hợp kim nhôm Tuy nhiên, nếu hàm lượng Mg2Si quá cao, nó sẽ làm giảm đáng kể tính dẻo của vật liệu Đối với hợp kim nhôm A5052, do hàm lượng Si không cao, pha Mg2Si sẽ ảnh hưởng khác nhau đến tính chất cơ học của hợp kim này.

Mg2Si tạo ra không nhiều do đó tác dụng hóa bền cho vật liệu không đáng kể

Sắt (Fe) thường được xem là tạp chất trong hợp kim nhôm, với hàm lượng từ 0.1-0.4% Sự xâm nhập của sắt vào hợp kim nhôm có thể xảy ra từ nguyên liệu ban đầu hoặc do hòa tan trong quá trình nấu luyện khi sử dụng nồi gang thép Sắt có ảnh hưởng đáng kể đến cơ, lý tính và đặc tính công nghệ của hợp kim, khi tương tác với nhôm để tạo ra pha Al3Fe rất giòn.

Hợp kim nhôm chứa sắt (Fe) có sự xuất hiện của ba dạng hình kim, trong đó tinh thể (α + Al3Fe) xuất hiện ngay cả khi hàm lượng Fe rất nhỏ và phân bố đều theo biên giới hạt Tổ chức này không chỉ làm tăng độ bền và độ cứng mà còn giảm mạnh tính dẻo, một chỉ tiêu quan trọng của hợp kim nhôm biến dạng Hơn nữa, sự hiện diện của Fe còn làm tăng sự nhạy cảm với ăn mòn điện hóa do chênh lệch thế điện cực giữa Al và FeAl3 khá lớn, đồng thời làm tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim.

Silic (Si) hòa tan rất ít vào nhôm, với tỷ lệ 1.65% ở 577 oC và 0.05% ở 250 oC Trong hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Si thường dao động từ 0.2-1.2% Khi hàm lượng Si thấp, nó hòa tan vào nhôm, tạo ra dung dịch rắn có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất mà vẫn duy trì độ dẻo tốt Tuy nhiên, khi hàm lượng Si tăng, sẽ xuất hiện cùng tinh (α+Si) với các hạt Si dạng kim hoặc dạng hạt (nếu được biến tính), dẫn đến độ bền cao hơn nhưng độ dẻo kém Sự hiện diện đồng thời của Fe và Si tạo ra các pha liên kim loại giòn α(Al-Fe-Si) và β(Al-Fe-Si), làm giảm độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của hợp kim nhôm Tăng hàm lượng Si cũng làm giảm hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt, đồng thời cải thiện tính chảy lỏng của hợp kim.

Mangan (Mn) giúp giảm tác hại của sắt (Fe) và tăng cường khả năng chống ăn mòn ứng suất Theo giản đồ pha Al-Mn, Mn có khả năng hòa tan trong nhôm, tạo thành dung dịch α với độ hòa tan tối đa lên đến 1.8% ở 650°C, sau đó giảm nhanh chóng trong khoảng nhiệt độ từ 450-650°C, là vùng nhiệt độ tôi của nhiều hợp kim nhôm công nghiệp Tuy nhiên, sự hiện diện của Fe và Si làm giảm độ hòa tan của Mn trong dung dịch rắn α.

Chromium (Cr) được bổ sung nhằm nâng cao độ dai va đập, độ cứng và đặc biệt là khả năng chống ăn mòn tinh giới cũng như ăn mòn khí quyển, ngay cả trong môi trường nước biển Đồng (Cu) với hàm lượng khoảng 0.10% giúp giảm thiểu ăn mòn cục bộ Kẽm (Zn) cũng có hàm lượng tương tự, không ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn nhưng lại cải thiện khả năng đúc và độ bền của vật liệu.

1.1.3 Khuyết tật trong nhôm và hợp kim nhôm

Các sai lệch điểm như nút trống, nguyên tử xen kẽ và nguyên tử thay thế, khi nằm liền nhau trên một đường thẳng trong mạng tinh thể hợp kim nhôm, sẽ tạo ra sai lệch đường Dạng sai lệch này có tính ổn định cao trong cấu trúc tinh thể.

Các nút trống có thể được tổ chức thành cụm hoặc phân tán đều, tùy thuộc vào các tác động khác nhau Một trong những dạng sai lệch đường điển hình là lệch (dislocation), với các hình dạng hình học nhất định và tính ổn định cao.

Lý thuyết về lệch hiện nay đóng vai trò quan trọng trong vật lý chất rắn và vật lý kim loại, giúp giải thích các vấn đề về cơ tính và lý tính của kim loại và hợp kim mà lý thuyết cổ điển không thể làm rõ Lý thuyết này mở ra triển vọng mới trong việc chế tạo kim loại và hợp kim có độ bền cao, điển hình là hợp kim nhôm A5052 với kiểu mạng A1 và A3, có cấu trúc nano khi biến dạng ở nhiệt độ âm.

Tổng quan nghiên cứu sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhôm ma giê

Trong những năm gần đây, nghiên cứu chế tạo vật liệu nano từ kim loại, đặc biệt là nhôm và hợp kim nhôm, đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học toàn cầu Các phương pháp chế tạo vật liệu nano phổ biến bao gồm ép trong kênh gấp khúc, ép trên rãnh chu kỳ, xoắn áp lực cao, cán dính và rèn đa chiều Để kiểm tra cơ tính của vật liệu, các thiết bị cơ học và phương pháp kiểm tra từ cổ điển đến hiện đại được áp dụng Tuy nhiên, còn rất ít nghiên cứu lý giải cơ chế hóa bền của hợp kim nhôm A5052 cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ, tốc độ biến dạng và phương pháp chất tải thông qua mô phỏng số động học phân tử.

Mô phỏng số động học phân tử là công cụ quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc vật liệu ở cấp độ nguyên tử, giúp phân tích cơ, lý tính và độ bền của vật liệu Gần đây, nghiên cứu ứng xử cơ học cấu trúc ở cấp độ nano thông qua mô phỏng động lực học phân tử đã thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học vật liệu và vật lý ứng dụng Nhiều công trình nghiên cứu mới và có tính ứng dụng cao đã được công bố trong lĩnh vực này.

Zhou và các cộng sự đã áp dụng mô phỏng động lực học phân tử để nghiên cứu cơ chế biến dạng của đồng tinh thể nano Trong khi đó, Li và nhóm nghiên cứu của họ cũng đã tiến hành khảo sát các cơ chế tương tự.

Nghiên cứu về chế biến dạng của nano Fe kiểu mạng lập phương tâm khối đã được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng động học phân tử, với Sainath khám phá tính chất biến dạng dưới ứng suất kéo ở nhiệt độ 10 K và tốc độ biến dạng 1 × 10^8 ps^-1 Setoodeh và cộng sự đã nghiên cứu các tính chất cơ học của nano niken ở nhiều nhiệt độ khác nhau, trong khi Koh et al phân tích ảnh hưởng của tốc độ biến dạng lên tính chất cơ học của nano kim loại Chang et al đã sử dụng mô phỏng động lực học phân tử để khảo sát sự biến đổi cơ tính của titan đơn tinh thể với các tốc độ biến dạng từ 10^8 s^-1 đến 10^11 s^-1 Fu và cộng sự đã phân tích tác động của kích thước hộp mô phỏng và nhiệt độ lên cơ tính của vật liệu nano kẽm Li đã khảo sát đặc tính biến dạng của hợp kim TiAl tinh thể nano dưới tải trọng kéo, còn Mojumder đã nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng nén đến tính dẻo của hợp kim Al-Cu Cuối cùng, Yu và các cộng sự đã áp dụng phương pháp động lực học phân tử để nghiên cứu các tính chất cơ học của vật liệu nano Ni3Al (NW) dưới tác dụng của tải trọng kéo ở nhiệt độ tạo hình ấm.

Komanduri và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu với điều kiện tốc độ biến dạng đồng nhất trên các kim loại đơn tinh thể khác nhau, bao gồm các kim loại có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt như Al, Cu và Ni, cùng với các kim loại lập phương tâm khối như Fe, Cr và W Nghiên cứu này nhằm khảo sát bản chất của quá trình biến dạng và phá hủy thông qua phương pháp mô phỏng động lực học phân tử nguyên tử.

Trong bài viết này, tác giả giới thiệu kết quả nghiên cứu về sự biến đổi cơ tính của một số kim loại nguyên chất và hợp kim nhôm (Al) thông qua phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

Các nghiên cứu gần đây đã công bố kết quả quan trọng về biến dạng kéo và nén của kim loại nano Al thông qua mô phỏng động lực học phân tử (MD) Liu và cộng sự đã phân tích hành vi cơ học của thanh nano Al, chỉ ra sự khác biệt về biến dạng giữa thanh nano, dây nano và vật liệu nhôm thể khối Yamakov cùng nhóm nghiên cứu đã dự đoán tính chất cơ học của Al đơn tinh thể dưới tải trọng kéo bằng phương pháp mô phỏng MD.

Chabba và các cộng sự đã đề xuất một phương pháp mô hình hóa vật liệu nhằm nghiên cứu khả năng biến dạng của đơn tinh thể Al khi nén Họ đã tiến hành phân tích sự thay đổi mô hình hình học của Al nguyên chất thông qua mô phỏng động học phân tử, so sánh với kết quả thực nghiệm khi thay đổi kích thước mẫu Kết quả cho thấy sự tương đồng cao giữa hai mô hình thực nghiệm và mô phỏng.

[25] Rosandi và các cộng sự đã nghiên cứu các tính chất cơ học của dây nano

Nghiên cứu về hành vi của nhôm (Al) dưới tải trọng kéo và nén đã chỉ ra rằng quá trình kéo của đơn tinh thể nano Al diễn ra khác nhau ở các tốc độ biến dạng và nhiệt độ khác nhau, với sự giảm đột ngột của đường cong ứng suất-biến dạng sau khi đạt giá trị tối đa tại điểm chuyển từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo Bên cạnh đó, quá trình nén của các trụ nano Al cũng được khảo sát, cho thấy rằng các chuyển vị ban đầu thường xuất hiện ở bề mặt tự do, trong khi định hướng tải trọng nén ảnh hưởng lớn đến sự thay đổi cấu trúc và mối quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu.

Rezaei và cộng sự đã sử dụng phương pháp MD để mô phỏng hành vi của vật liệu nano Al dưới tải trọng kéo và nén ở nhiều nhiệt độ khác nhau, cho thấy rằng phương pháp điện tử nhúng (EAM) có thể hiệu quả trong việc mô phỏng các đặc tính cơ học như mô đun đàn hồi và giới hạn chảy của Al Đồng thời, Motamedi đã nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp ống nano Al/cacbon qua mô phỏng động lực học phân tử, phát hiện rằng mô đun Young của composite giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi ứng suất chảy cũng giảm theo xu hướng tương tự khi nhiệt độ gia tăng.

Xu và cộng sự đã áp dụng mô phỏng động lực học phân tử để nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước mẫu đến mô đun đàn hồi của kim loại nhôm (Al) nguyên chất Tang et al đã thực hiện mô phỏng dưới tải trọng kéo và nén với Al đơn tinh thể lý tưởng, phát hiện rằng đường cong ứng suất-biến dạng từ các mô phỏng MD tương tự như các đường cong thu được từ phương pháp cơ học truyền thống Đồng thời, các nghiên cứu đã sử dụng nhóm điều kiện NVT và NPT để thực hiện bài toán mô phỏng, cho thấy sự tương đồng trong kết quả.

Các đường cong ứng suất-biến dạng cho thấy xu hướng tương tự nhau, trong khi giá trị ứng suất chảy của các vật liệu chỉ có sự chênh lệch không đáng kể.

Kết luận, nhiều nghiên cứu đã sử dụng phương pháp động lực học phân tử để mô phỏng và đạt được những thành tựu quan trọng trong lĩnh vực biến dạng của tinh thể nano Al và các hợp kim nhôm Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa phân tích sự thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu và ảnh hưởng của nhiệt độ cũng như tốc độ biến dạng đến tính chất cơ học Do đó, nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc giải quyết những vấn đề này thông qua mô phỏng số động lực học phân tử với vật liệu hợp kim nhôm ma giê A5052.

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của lệch đến cấu trúc và tính chất của hợp kim nhôm A5052 dưới tác động nhiệt độ Nghiên cứu tập trung vào các đặc điểm hình học của lệch, các yếu tố hình thành và phân tách lệch, cũng như sự chuyển động của lệch ảnh hưởng đến cơ chế hóa bền vật liệu Các loại lệch như lệch thẳng, lệch xoắn và lệch hỗn hợp được phân tích chi tiết về sự hình thành và tác động của chúng đến biến đổi cấu trúc và cơ tính vật liệu Bên cạnh đó, luận văn cũng xem xét khái niệm lệch không hoàn chỉnh, lệch hoàn chỉnh và khuyết tật xếp, từ đó phân tích các yếu tố thay đổi cấu trúc vật liệu và tính chất cơ học dựa trên kết quả mô phỏng số động học phân tử.

MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ

Tổng quan về mô phỏng số động học phân tử

Mô phỏng vật liệu là một phương pháp nghiên cứu các hiện tượng vật lý trong vật liệu thông qua các kỹ thuật máy tính, sử dụng tính toán để mô tả quá trình hoặc trạng thái vi mô của hệ vật lý theo mô hình toán học đã định Phương pháp này bao gồm việc xây dựng các mô hình nguyên tử và mô phỏng các tính chất vật lý, như chuyển động của phân tử trong các hệ khí, lỏng, rắn, sử dụng các phương trình cơ học cổ điển của Newton Nó cũng áp dụng cho các quá trình như truyền nhiệt, khuyếch tán, biến đổi thời tiết (theo phương trình Navier-Stokes), cũng như mô phỏng các sinh phân tử như protein và ADN, hay các hệ sinh thái như chuỗi thực phẩm và đàn chim bay Qua việc mô phỏng, chúng ta có thể kiểm chứng lý thuyết, dự đoán thực nghiệm, và nhanh chóng khảo sát sự chuyển pha cũng như phát hiện các vật liệu mới và tính chất của chúng.

Trong nghiên cứu, mô phỏng giúp hiểu các cơ chế vi mô của hiện tượng và khảo sát sự biến đổi của hệ ở mức nguyên tử Trong công nghệ vật liệu, phương pháp này cho phép tạo ra vật liệu mới theo yêu cầu sử dụng Vật liệu được xem là tập hợp của nhiều nguyên tử với quy luật vận động riêng, đòi hỏi máy tính có tốc độ tính toán cao để thực hiện mô phỏng ở quy mô nguyên tử Phương pháp mô phỏng phát triển song hành với công nghệ máy tính và được công nhận là một môn khoa học Tùy vào từng trường hợp, các phương pháp mô phỏng khác nhau được sử dụng, như mô phỏng động lực học phân tử dựa trên định luật 2 Newton, mô phỏng chuyển động của đám mây điện tử với phương pháp phiếm hàm mật độ và phương trình song Stroginger, cùng với các mô phỏng ở mức trung gian.

Ưu điểm của mô phỏng động học phân tử

Mô phỏng số động học phân tử là phương pháp hiệu quả để nghiên cứu cơ chế hình thành và biến đổi trạng thái của nguyên tử Phương pháp này cho phép quan sát diễn biến trong quá trình thực, từ đó lựa chọn phương án tối ưu cho các quy trình công nghệ Trong nhiều trường hợp, mô phỏng giúp giải quyết các bài toán phức tạp mà thực tế khó thực hiện, đồng thời là lựa chọn an toàn khi điều kiện thí nghiệm có thể gây hại cho sức khỏe Mô phỏng cũng tiết kiệm thời gian, chi phí nguyên vật liệu và năng lượng, mang lại hiệu quả kinh tế cao Khi có quá nhiều thông số ảnh hưởng đến quá trình, mô phỏng số trở thành công cụ hữu ích để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp Kết quả từ mô phỏng thường được sử dụng để lý giải lý thuyết cổ điển hoặc hoàn thiện thí nghiệm kiểm chứng lý thuyết Đặc biệt, trong nghiên cứu vật liệu, mô phỏng số động học phân tử là công cụ quan trọng để lý giải cơ chế ở cấp nguyên tử và phân tử, đồng thời ứng dụng hiệu quả trong vật lý, hóa học, sinh học và y học.

Nguyên lý cơ bản của phương pháp mô phỏng động lực học phân tử

Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) sử dụng nguyên tử như những quả cầu cứng, chuyển động theo các định luật cơ học cổ điển Trong một hệ gồm N nguyên tử được phân bố ngẫu nhiên trong hình cầu bán kính R (đối với mẫu hạt nano) hoặc khối lập phương cạnh L (đối với mẫu khối), các nguyên tử sẽ dịch chuyển đến vị trí cân bằng dưới tác dụng của lực tương tác, tuân theo phương trình m*a = F (i = 1, 2, , N).

Lực tổng hợp Fi tác động lên nguyên tử thứ i từ các nguyên tử khác được xác định bằng công thức, trong đó mi là khối lượng và ai là gia tốc của nguyên tử thứ i.

Trong mô hình, Uij biểu thị thế tương tác giữa nguyên tử thứ i và j, trong khi rij là khoảng cách giữa chúng Giải phương trình này cho phép xác định vận tốc và vị trí của hạt.

Trong mô phỏng ĐLHPT, nhiều thuật toán được áp dụng để giải hệ phương trình chuyển động của các nguyên tử theo định luật hai Newton Thuật toán Verlet là một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện nay nhờ vào sự đơn giản của nó Cụ thể, tọa độ của nguyên tử i tại thời điểm (t + dt) được tính toán dựa trên tọa độ của nó ở hai thời điểm t và (t - dt) bằng một biểu thức cụ thể.

Vận tốc ở thời điểm t được xác định bằng cách thông qua tọa độ ở thời điểm (t - dt) và (t + dt) theo biểu thức:

Lực F t i   được phân tích theo ba thành phần tương ứng với các phương

Ox, Oy và Oz của hệ tọa độ Đề các:

F t  F  F  F   F   F   F (2.5) trong đó Fij được xác định như sau:

  (2.6) với x0 là véctơ đơn vị của trục Ox

Xây dựng mô hình động học

Trong mô phỏng động học phân tử, việc nghiên cứu một hệ vật liệu bắt đầu từ việc xây dựng mô hình vật lý và giải phương trình chuyển động Newton cho tất cả các nguyên tử cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng Trong hệ này, các nguyên tử tương tác với nhau thông qua lực và thế năng tương tác, phụ thuộc vào loại vật liệu và điều kiện vật lý cụ thể Số lượng nguyên tử trong mô hình cần được cân nhắc để vừa mô tả chính xác tính chất của hệ vật liệu, vừa phù hợp với khả năng xử lý của máy tính Do đó, các yếu tố quan trọng trong mô phỏng động học phân tử bao gồm thế tương tác, lực tương tác, kích thước và điều kiện biên của mô hình.

Một trong những yếu tố quan trọng trong phương pháp mô phỏng động học phân tử là thế năng tương tác giữa các nguyên tử Việc khảo sát đại lượng này cung cấp thông tin cần thiết về cơ chế vi mô của các hiện tượng vật lý diễn ra trong mô hình mô phỏng.

Xét một hệ gồm N nguyên tử, thế tương tác của hệ được xác định như sau:

U: Thế tương tác của hệ;

 : Tổng thế tương tác giữa các electrron;

 U NN : Tổng thế tương tác giữa các hạt nhân

Thế năng Lennard-Jones mô tả tương tác giữa hai nguyên tử không liên kết dựa trên khoảng cách giữa chúng Mô hình này bao gồm lực đẩy Pauli và lực hút Van Der Waals, được xác định qua các phương trình cụ thể.

 : Năng lượng tích trữ tại mỗi liên kết

 : Khoảng cách mà tại đó năng lượng bằng 0 r ij : Khoảng cách giữa nguyên tử i và j

Hình 2 1 Đồ thị thế năng Lennard-Jones

2.4.3 Phương pháp điện tử nhúng

Phương pháp điện tử nhúng (Embedded Atom Method – EAM) đã được cải tiến để nâng cao độ chính xác so với các thế năng cặp trước đây thông qua việc tính toán mật độ điện tích Phương pháp này coi các nguyên tử như được nhúng trong một tập hợp các nguyên tử khác, trong đó có chứa trường điện tích.

Thế năng điện tử nhúng mô tả năng lượng liên kết sinh ra do chuyển vị trao đổi tự do của các điện tử lớp ngoài

Khi một tinh thể ngoại lai xâm nhập vào tinh thể kim loại, năng lượng của nó giảm do các nguyên tử ở lớp ngoài di chuyển vào trong kim loại.

Xét một hệ gồm N nguyên tử, tổng năng lượng của hệ được xác định như sau:

Trong đó,  i là năng lượng nguyên tử được xác định như sau:

Trong nghiên cứu, thế năng giữa hai nguyên tử i và j được ký hiệu là    r ij Năng lượng nhúng F   i là một hàm phụ thuộc vào mật độ điện tử Mật độ điện tử tại nguyên tử i, ký hiệu là   i, được xác định theo các phương pháp cụ thể.

2.4.4 Điều kiện biên tuần hoàn

Khi sắp xếp N nguyên tử hoặc phân tử trong một hộp mô phỏng lớn, cần giải quyết hai vấn đề chính: triệt tiêu hiệu ứng bề mặt giữa các nguyên tử, phân tử và quy tắc bổ sung nguyên tử vào hộp khi có nguyên tử/phân tử di chuyển ra ngoài Để khắc phục những vấn đề này, điều kiện biên tuần hoàn được thiết lập, cho phép hộp mô phỏng lặp lại theo mọi hướng, tạo ra một hệ thống tuần hoàn không giới hạn Khi một nguyên tử/phân tử rời khỏi hộp, ngay lập tức sẽ có một nguyên tử/phân tử khác được bổ sung vào hộp từ hướng ngược lại.

Hình 2.2 Điều kiện biên tuần hoàn [30]

Xét hệ gồm N nguyên tử có khối lượng m i và động lượng là p i , nhiệt độ tức thời của hệ được xác định như sau:

Nhiệt độ tức thời thay đổi xung quanh nhiệt độ nhiệt động học thực, liên quan đến năng lượng động năng của hệ Để có ước tính chính xác, nhiệt độ cần được tính theo thời gian trung bình (Allen & Tildesley 2017).

2.4.6 Áp suất Áp suất là một tensor bậc hai, thông số này được xác định như sau:

Trong đó, r i và f i là tọa độ và vector lực của nguyên tử i (Schneider 2008)

2.4.7 Hàm phân bố xuyên tâm (PBXT)

Trong mô phỏng vật liệu, hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) là một đại lượng quan trọng tuân theo quy tắc thống kê, được sử dụng để xác định cấu trúc nguyên tử của vật liệu HPBXT đặc trưng cho xác suất tìm thấy nguyên tử ở một khoảng cách nhất định.

15 một nguyên tử cho trước một khoảng r, từ đó cho biết cấu trúc địa phương của hệ

Trong đó 0 là mật độ nguyên tử trung bình trong thể tích V của mẫu vật liệu, r là mật độ nguyên tử ở khoảng cách r tính từ nguyên tử trung tâm

Số nguyên tử n(r) trong lớp cầu có độ dày dr ở khoảng cách r tới nguyên tử xét được tính bằng cách trung bình toàn bộ các nguyên tử trong hệ, ký hiệu bằng dấu < >.

Hình 2.3 Hàm phân bố hướng tâm

Thế năng tương tác giữa các nguyên tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng Khi khoảng cách lớn hơn bán kính ngắt (r > rcut), thế tương tác giữa hai nguyên tử gần như bằng không Bán kính ngắt (rcut) là yếu tố quan trọng trong việc xác định tương tác giữa các nguyên tử.

Trong một khối cầu có tâm là một nguyên tử và bán kính rcut, có 16 nguyên tử tương tác với nguyên tử này Số lượng nguyên tử trong khối cầu được gọi là số phối trí của nguyên tử.

Trong hệ hai nguyên α và β, bán kính ngắt được sử dụng để xác định số phối trí của nguyên tử α (Zαβ) là khoảng cách tối thiểu mà thế tương tác giữa các cặp nguyên tử α – β gần như bằng không Số phối trí trung bình Zαβ có thể được tính toán thông qua một biểu thức cụ thể.

Bán kính ngắt rcut được xác định tại vị trí cực tiểu thứ nhất của hàm PBXT cặp gαβ (r), phản ánh mật độ của nguyên tử β trong mô hình Thông số Zαβ biểu thị số lượng nguyên tử β nằm trong hình cầu với tâm là nguyên tử α và bán kính ngắt rcut.

Hình 2.4 Hàm phân bố xuyên tâm hệ 2 nguyên [32]

Vị trí cực đại trên hàm phân bố xuyên tâm xác định khoảng cách mà tại đó xác suất tìm thấy nguyên tử thứ hai là cao nhất khi phân tử thứ nhất ở gốc tọa độ Từ hàm này, chúng ta có thể tính số phối vị của nguyên tử và thiết lập phương trình trạng thái của hệ Trong nghiên cứu cấu trúc của các hệ vật liệu đa nguyên, hàm PBXT toàn phần được thay thế bằng hàm phân PBXT cặp Đồ thị hàm PBXT cho phép so sánh sự thay đổi về hình dạng, vị trí cực đại, vị trí cực tiểu, và độ rộng của hàm phân bố khi các điều kiện như nhiệt độ, áp suất, và nồng độ thay đổi Khi vẽ đồ thị hàm PBXT theo khoảng cách, số lượng đỉnh cho thấy sự sắp xếp của các nguyên tử xung quanh nhau, và vị trí cực đại đầu tiên trong hàm PBXT cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc này.

Phân tích lệch

Việc xác định lệch hoàn hảo trong các kiểu mạng FCC, HCP và mạng kim cương là một thách thức, thường thông qua phương pháp phân tích lệch để nhận diện các lệch thành phần Mục tiêu chính của phương pháp này là phát hiện khuyết tật xếp, các lệch thành phần và song tinh do lệch chuyển động gây ra Hệ thống phân tích lệch ban đầu giúp xác định các lệch hoàn chỉnh, nhưng dưới tác động của ngoại lực, các lệch chuyển động hỗn loạn sẽ phân hóa thành các lệch thành phần Khi hai lệch thành phần gặp nhau, chúng có khả năng kết hợp để tạo thành một loại lệch mới với năng lượng thấp hơn tổng năng lượng của hai lệch ban đầu.

Vector Burgers là yếu tố quan trọng trong việc xác định sự xê dịch nguyên tử khi lệch chuyển động trong mạng tinh thể, và giá trị của nó phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể Để duy trì trật tự và ổn định của mạng tinh thể trước và sau khi lệch, véc tơ Burgers cần có trị số bằng một hằng số mạng Năng lượng của mạng tỉ lệ với bình phương véc tơ Burgers, do đó, lệch hoàn chỉnh (hay còn gọi là lệch đơn vị, lệch toàn phần) có năng lượng thấp nhất khi véc tơ của nó bằng véc tơ mạng ngắn nhất Để dễ dàng sử dụng, véc tơ Burgers được biểu diễn qua các thành phần dọc các trục tinh thể cơ bản dưới dạng a n [u v ω], trong đó a là hằng số mạng, n là số nguyên, và [u v ω] là ký hiệu phương của véc tơ Burgers.

23 thể xác định thông qua các thành phần u a n

(2.25) và phương của nó là [011]

Trong một số quá trình, khi tinh thể biến dạng dẻo, vector Burgers của lệch không trùng khớp với véc tơ mạng, dẫn đến khái niệm lệch không hoàn chỉnh hoặc lệch riêng phần Việc trượt tinh thể theo các lệch không hoàn chỉnh có thể mang lại lợi ích về mặt năng lượng Tác giả sẽ khảo sát chi tiết các véc tơ lệch trong các kiểu mạng phổ biến như mạng lập phương tâm mặt và mạng lục giác xếp chặt.

Hình 2.7 Khối bốn mặt biểu diễn các lệch trong mạng lập phương tâm mặt A 1

Hình 2.8 Khối bốn mặt biểu diễn các lệch trong mạng sáu phương xếp chặt A 3

2.5.1 Các lệch trong mạng lập phương tâm mặt A1

Véc tơ mạng ngắn nhất trong mạng lập phương tâm mặt nối nguyên tử ở đỉnh khối lập phương với nguyên tử ở tâm mặt gần nhất, xác định phương trượt của mạng Hình 1 minh họa các véc tơ 𝐷𝐴⃗⃗⃗⃗⃗ , 𝐷𝐵⃗⃗⃗⃗⃗⃗ , 𝐷𝐶⃗⃗⃗⃗⃗ , trong đó các véc tơ nối các nguyên tử A, B, C cũng là véc tơ mạng ngắn nhất Các cạnh của hình bốn mặt đều DABC biểu diễn các véc tơ lệch hoàn chỉnh trong mạng A1 Khối bốn mặt đều này được gọi là khối bốn mặt Thomson, với các mặt trùng với các mặt tinh thể {111} của mạng, và các cạnh nằm dọc theo các phương có độ dài a√2/2, tương ứng với chu kỳ mạng Do đó, mạng A1 có tổng cộng 6 lệch hoàn chỉnh kiểu.

Ký hiệu tâm các mặt bên của khối lần lượt là α, β, γ, δ, trong đó α là tâm mặt BCD, β là tâm mặt ADC, γ là tâm mặt ADB và δ là tâm mặt ABC Mỗi véc tơ cạnh của khối có thể được biểu diễn thông qua véc tơ đường cao nối từ đỉnh đến tâm mặt đối diện, cùng với véc tơ từ tâm mặt đến đỉnh khối, hoặc bằng hai véc tơ bằng nhau đi qua tâm mặt.

Các véc tơ đường cao Aα, Bβ, Cδ, Dγ có độ dài là a√3/3 và phương là

, còn các véc tơ nối từ đỉnh đến tâm của mặt chứa đỉnh đó: Bα, Cα, Dα,

Các lệch không hoàn chỉnh trong mạng lập phương tâm mặt được biểu diễn bởi Aβ, Dβ, Cβ,… với độ dài a√6/6 và phương Tổng cộng có 4 loại lệch không hoàn chỉnh kiểu này.

3 a và 12 lệch không hoàn chỉnh kiểu

Quá trình trượt xảy ra theo mặt nguyên tử có sắp xếp sít chặt nhất, đó là mặt {111} Các lệch không hoàn chỉnh kiểu

6 a song song với mặt trượt

{111} được gọi là lệch Schokley, còn các lệch không hoàn chỉnh

3 a nằm trực giao với mặt trượt là lệch Frank

Hình 2.9 Cách hình dung lệch không hoàn chỉnh

Hình 2.9 mô tả cách hình dung lệch không hoàn chỉnh của Frank và Schokley trong mạng lập phương tâm mặt Các mặt nguyên tử (111) được thể hiện bằng các đường thẳng song song, xếp chồng lên nhau theo thứ tự lý tưởng ABCABC Khoảng cách giữa các mặt nguyên tử là a√3/3, trong khi khoảng cách giữa các vị trí A, B, C được chiếu lên mặt.

Cắt tinh thể theo nửa mặt Ox và dịch chuyển phần trên của nửa bên phải để lớp A chiếm vị trí lớp B tạo ra trật tự mới ABCBCA Sự lệch dọc theo trục Ox được hình thành, với véc tơ 𝑏⃗ nằm trên mặt trượt có trị số a√6/6, tương ứng với một trong các lệch không hoàn chỉnh Schokley.

Theo mặt cắt Ox, nửa mặt tinh thể được sắp xếp theo vị trí B, tạo thành thứ tự ABCBABC Sự lệch này được hình thành với véc tơ 𝑏⃗ trực giao với mặt trượt, có trị số a√3/3, tương ứng với một trong các lệch không hoàn chỉnh Frank.

Lệch không hoàn chỉnh có mối liên hệ chặt chẽ với sai lệch trong trật tự sắp xếp các mặt nguyên tử Để khảo sát các sai lệch này, người ta thường sử dụng ký hiệu của Frank Nếu các lớp nguyên tử được sắp xếp theo thứ tự A → B → C → A → B, ký hiệu sẽ là tam giác có đỉnh phía trên ∆∆∆… Ngược lại, nếu có thứ tự sai lệch như B → A, C → B hoặc A → C, ký hiệu sẽ là tam giác có đỉnh phía dưới ∇ Áp dụng vào hình 2.9 a, b, ta có các ký hiệu tương ứng.

Lệch không hoàn chỉnh có thể hình dung là kết quả phản ứng phân hóa của lệch hoàn chỉnh, ví dụ:

Hai phản ứng này có thể xảy ra do sự giảm năng lượng của lệch Năng lượng lệch tỉ lệ với 𝑏², vì vậy tương quan năng lượng trong phản ứng đầu tiên là rất quan trọng.

      (2.26) còn trong phản ứng thứ hai:

2.5.2 Lệch trong mạng sáu phương xếp chặt A3

Trong mạng sáu phương xếp chặt mặt nguyên tử xếp chặt nhất là mặt cơ sở

Các phương xếp chặt nhất trong tinh thể được xác định là Vì vậy, véc tơ mạng đơn vị nhỏ nhất có trị số a tương ứng với các véc tơ lệch hoàn chỉnh được biểu diễn theo các chỉ số Miller – Bravais.

3 a , trong đó độ dài của véc tơ được tính theo công thức:

Để mô tả các lệch trong mạng sáu phương xếp chặt, có thể áp dụng phương pháp tương tự như đối với mạng lập phương tâm mặt, tuy nhiên cần sử dụng hai khối để thực hiện.

27 bốn mặt (hoặc hình chóp kép) thay cho khối bốn mặt Thomson như vẽ trên hình 2.8

Có thể thống kê các loại lệch sau đây của mạng A3:

3 a với độ dài nằm dọc theo phương trên mặt cơ sở (0001) tương ứng với các vecto AB, BC, CA trên hình chóp kép

2 c [0001] với độ dài c = 2a√6/3 nằm trực giao với mặt cơ sở (0001) tương ứng với vecto ST

Sáu lệch không hoàn chỉnh với độ dài a nằm theo phương , như thể hiện trong hình 2.8 với các véc tơ SA, SB, SC, TA, TC, TB Những véc tơ này biểu diễn sự xê dịch giữa các nút nguyên tử khác nhau, nhưng không phải là lệch hoàn chỉnh do hai nút này không tương đương nhau.

- Ba lệch không hoàn chỉnh

3 a với độ dài a√3/3 nằm trên mặt cơ sở tương ứng với các vecto Aδ, Bδ, Cδ

- Hai lệch không hoàn chỉnh

2 c nằm trực giao với mặt cơ sở tương ứng với các vecto Sδ và Tδ

Cần lưu ý rằng mạng A1 và A3 có nhiều điểm tương đồng trong các lệch của chúng Các lệch Frank, lệch Schokley, sai lệch xếp và khả năng phân hủy được đề cập đối với mạng A1 cũng có thể áp dụng cho mạng A3.

Các tập hợp nhiệt động

Tập hợp nhiệt động là một nhóm lớn các bản sao của một hệ nhiệt động, mỗi bản sao đại diện cho một trạng thái vi mô khả thi của hệ Hệ vĩ mô này tuân theo các ràng buộc nhiệt động học cụ thể như nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích (V) và số lượng phân tử (N).

Ba tập hợp nhiệt động quan trọng đối với mô phỏng động học phân tử là:

 Tập hợp chính tắc (NVT): Một tập hợp thống kê, trong đó số nguyên tử (N), thể tích (V) và nhiệt độ (T) được bảo toàn Giữa hệ cơ học và

28 bồn chứa chỉ có trao đổi năng lượng, không có trao đổi vật chất Năng lượng của bồn chứa không đổi

Tập hợp chính tắc vi mô (NVE) là một hệ thống trong đó số lượng nguyên tử (N), thể tích (V) và năng lượng (E) được duy trì không đổi, cho phép quá trình đoạn nhiệt diễn ra mà không có sự trao đổi nhiệt Điều này giúp hệ thống giữ được trạng thái cân bằng ổn định.

 Tập hợp đẳng áp - đẳng nhiệt (NPT): Là tập hợp cơ học thống kê có nhiệt độ (T) và áp suất (P) và số lượng hạt (N) không đổi [26, 37].

Kết luận

Chương 2 trình bày về các nguyên lý, cơ sở lý thuyết của MPĐHPT Các vấn đề được diễn giải từ mô hình đến các phương trình nhiệt động học của nguyên tử Nguyên lý hình thành các loại lệch và phân tách lệch cũng được bàn tới Đây là cơ sở quan trọng để lý giải đúng bản chất của sự hình thành và phát triển của lệch, nguyên nhân dẫn đến các loại khuyết tật xếp trong mạng tinh thể

Cơ chế thay đổi cấu trúc vật liệu ảnh hưởng đến tính chất của chúng Trong chương 3, tác giả sẽ phân tích tác động của nhiệt độ đến hành vi cơ nhiệt của hợp kim nhôm A5052 khi chịu tải trọng kéo ở các mức nhiệt độ khác nhau.

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG HỢP KIM NHÔM A5052 Ở NHIỆT ĐỘ ÂM

Mô phỏng số động học phân tử

Mô phỏng động học phân tử là công cụ quan trọng để mô tả sự thay đổi vị trí và sắp xếp của các nguyên tử, từ đó ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của vật liệu Các trạng thái cân bằng của nguyên tử có thể thay đổi dưới tác động của điều kiện biên, với mỗi trạng thái được xác định bởi năng lượng duy trì nó Công nghệ này cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh điều kiện biên trong bài toán, nhằm đạt được trạng thái tồn tại tính toán trước của hệ thống.

Nghiên cứu này tập trung vào sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhôm ma giê A5052, với các điều kiện biên thay đổi theo thông số nhiệt độ Quy trình mô phỏng bài toán được thực hiện như trình bày trong hình 3.1.

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng động học phân tử quá trình biến dạng Nhôm A5052

Thiết lập mô hình hình học và tạo nguyên tử kim loại trong mô hình

Thay thế các nguyên tử Al bằng các nguyên tử hợp kim Fe, Mg, Cr, Si

Khai báo các hàm năng lượng tương tác giữa các cặp nguyên tử cùng hoặc khác loại

Thiết lập điều kiện tải trọng về nhiệt độ và tốc độ biến dạng

Tính toán đầu ra ứng suất, biến dạng, vị trí các nguyên tử…

3.1.1 Thiết lập mô hình hình học, nguyên tử

Mô hình mô phỏng được xây dựng bằng phần mềm mã nguồn mở Atomsk, với kích thước ô như hình 3.2, bao gồm các nguyên tử Al Trong hộp mô phỏng, hai hạt phân tách nhau bởi đường biên giới hạt và xoay với nhau một góc 26,7 độ.

Hình 3.2 Mô hình hình học của hộp nguyên tử hợp kim nhôm A5052

Khối hộp hình lập phương có kích thước LxLxL4,75410x144,75410x 144,75410A 0 Trong hộp mô phỏng chứa 179.200 nguyên tử nhôm, các nguyên tử sắp xếp theo kiểu mạng lập phương tâm mặt

3.1.2 Thay thế các nguyên tử

Các nguyên tố hợp kim thay thế nguyên tử nhôm bao gồm: Si, Fe, Cr và Mg, với hàm lượng phần trăm khối lượng nguyên tử được trình bày trong bảng 3.2.

Bảng 3.2 Thông số khối lượng và bán kính các nguyên tử hợp kim

Nguyên tử Nhôm Nguyên tử Ma giê Nguyên tử Sắt

Số lượng các nguyên tử hợp kim đã được thay thế nguyên tử nhôm theo phần trăm khối lượng

Nguyên tử Silic Nguyên tử Crom

Sau khi thay thế các nguyên tử hợp kim, mô hình hộp mô phỏng thu được như hình 3.3 dưới đây:

Hình 3.3 Mô hình hộp mô phỏng hợp kim khi thay thế nguyên tử nhôm

3.1.3 Khai báo các hàm tương tác giữa các nguyên tử

Phương pháp điện tử nhúng với các hàm eam/fs và eam/alloy được sử dụng để mô tả sự tương tác giữa các nguyên tử Al, Fe, Cr, Mg, Si và Mn Năng lượng tổng của hệ E Total với n nguyên tử được diễn đạt qua một công thức cụ thể.

Trong đó, thế năng giữa hai nguyên tử i và j được ký hiệu là    r ij Năng lượng nhúng F    i là một hàm của mật độ điện tử Mật độ điện tử tại nguyên tử i, ký hiệu là  i, được xác định theo công thức (3.2).

 Phương pháp điện tử nhúng sửa đổi (MEAM)

Trong phương pháp điện tử nhúng, năng lượng tổng của hệ được tính toán theo công thức (3.1) Năng lượng của hệ cũng được xác định bằng một công thức đã được sửa đổi và cập nhật, mang lại độ chính xác cao hơn cho từng thành phần, như thể hiện trong công thức (3.3) Trong đó, hi được xác định bởi sự chồng chất tuyến tính của mật độ electron nguyên tử trung bình hình cầu, theo phương trình (3.2) Các hàm hi đã được điều chỉnh để phù hợp với các số hạng phụ thuộc vào liên kết góc trong mô hình MEAM.

Trong đó, Gi (Γi) được xác định dựa trên loại nguyên tố, ρi 0 là mật độ electron phụ thuộc vào thành phần, và ti (k) là hàm trọng số Mật độ electron riêng phần ρhi (k) được biểu thị một cách cụ thể.

Trong đó 𝜌 𝑖 𝑎(𝑘) (𝑟 𝑖𝑗 ) được viết như sau:

Sij là các yếu tố hình dạng cho các cấu trúc khác nhau Tham số MEAM cho 5052 (hợp kim nhôm) được đưa ra trong Bảng 3.2 [41]

Bảng 3.3 Hệ số của hàm tương tác sửa đổi cho hợp kim nhôm A5052

E C năng lượng liên kết là một thông số quan trọng trong trạng thái cân bằng của mạng, với A là hệ số cân bằng năng lượng Số mũ  thể hiện sự suy giảm năng lượng của hệ thống, trong khi hệ số  (0−3) mô tả sự suy giảm mật độ của các nguyên tử Cuối cùng, t (0−3) là hệ số biểu thị mật độ khối lượng của các nguyên tử.

3.1.4 Thiết lập điều kiện biên về nhiệt độ và tải trọng

Bảng 3.4 Điều kiện biên khi mô phỏng

Mẫu Kích thước Nhiệt độ Tải trọng Tốc độ biến dạng

Thiết lập file đầu ra của quá trình mô phỏng

Các phương trình chuyển động được giải bằng thuật toán Verlet để mô phỏng quá trình biến dạng của hợp kim nhôm A5052 ở các nhiệt độ khác nhau Phương pháp động học phân tử được thực hiện thông qua phần mềm LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator).

File dump với phần mở rộng lammstrj chứa tọa độ nguyên tử của bước cuối cùng, mô tả cấu trúc vật liệu sau khi mô phỏng và vị trí nghiên cứu biến dạng, bao gồm các giá trị ứng suất Dump này được sử dụng cùng với phần mềm mã nguồn mở Ovito để hiển thị kết quả mô phỏng dưới dạng hình ảnh và số liệu, cho phép người dùng quan sát trực quan tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình mô phỏng.

Phân tích kết quả và kết luận

3.3.1 Quá trình phát triển của lệch

Quá trình biến dạng dẻo của vật liệu xảy ra bằng cơ chế trượt hoặc đối tinh

Trượt là sự di chuyển của các nguyên tử trong một tinh thể mà không làm thay đổi cấu trúc của nó Khi ứng suất tiếp nhỏ, chỉ có sự xê dịch đàn hồi xảy ra, nhưng khi ứng suất tăng đến mức tới hạn, hình dáng và kích thước của tinh thể sẽ thay đổi, dẫn đến biến dạng dư khi bỏ tải hoặc gây đối tinh Quá trình trượt kích thích sự phát sinh lệch trong mạng tinh thể, với mật độ lệch là một đặc trưng quan trọng, được xác định bởi tổng chiều dài của lệch trong một đơn vị thể tích Mật độ lệch này phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu cũng như phương pháp và chế độ gia công chế tạo.

Mô phỏng số động học phân tử cho hợp kim nhôm A5052 ở các nhiệt độ khác nhau cho thấy mối liên hệ giữa mật độ lệch và mức độ biến dạng Kết quả này được thể hiện qua đồ thị trong hình 3.4.

Hình 3.4 Đồ thị mật độ lệch-mức độ biến dạng

Mật độ lệch phụ thuộc vào nhiệt độ, như thể hiện trong Hình 3.4 Khi mức độ biến dạng nhỏ, mật độ lệch không thay đổi ở cả ba nhiệt độ khảo sát Tuy nhiên, khi mức độ biến dạng vượt quá 0,1, mật độ lệch bắt đầu tăng nhanh với xu hướng tương tự ở tất cả các nhiệt độ, với nhiệt độ cao hơn dẫn đến sự gia tăng mật độ lệch nhanh hơn Ở nhiệt độ 77 K, mật độ lệch đạt giá trị cao nhất khi mức độ biến dạng lớn hơn so với các nhiệt độ khác Điều này có thể giải thích bởi sự linh động của các nguyên tử tăng lên, cho phép chúng chuyển động trên nhiều hệ trượt hơn ở nhiệt độ cao mà không cần mức độ biến dạng lớn, dẫn đến sự gia tăng đáng kể của mật độ lệch Biến dạng dẻo diễn ra dễ dàng hơn, do đó lệch trong mạng tinh thể cũng tăng lên.

Quá trình hóa bền chiếm ưu thế ở nhiệt độ âm 77K (-196 độ C) và mật độ lệch tăng do sự tích tụ lệch tại các chướng ngại vật như biên giới hạt, biên giới pha, khuyết tật mạng và pha phân tán.

Hình 3.5 Các loại lệch trong mạng tinh thể

Nghiên cứu của Motamedi [15] cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng đến sự thay đổi cơ tính của nano nhôm Kết quả chỉ ra rằng, khi tốc độ biến dạng tăng lên, mật độ lệch cũng tăng theo Kết luận này phù hợp với những gì tác giả luận văn quan sát được từ kết quả mô phỏng số.

Lệch là một dạng khuyết tật có sẵn trong tinh thể kim loại, phân bố ngẫu nhiên và có thể cắt nhau tại các vị trí gọi là nút lệch Hình ảnh của lệch trong không gian mạng tinh thể tạo thành lưới lệch hay rừng lệch Trạng thái ổn định nhất xảy ra khi tại mỗi nút có ba lệch gặp nhau Các nhà khoa học đã đặt tên cho các lệch trong mạng tinh thể, trong đó có lệch hoàn chỉnh.

Perfect (blue)  1/ 2 11 0   ; Lệch không hoàn chỉnh Shockley (green)

 1/ 6 11 2   ; Lệch không hoàn chỉnh: Stair-rod (purple) 1/ 6 11 0    ,

Hiện nay, các nhà khoa học đã phát hiện nhiều loại lệch không hoàn chỉnh chưa được đặt tên, được gọi chung là lệch "other" Trong quá trình mô phỏng động học phân tử, phần mềm OVITO tự động phân loại các lệch chưa được đặt tên này là lệch "Other".

Hình 3.6 Chiều dài lệch các loại lệch ở các nhiệt độ của hợp kim nhôm A5052

Hình 3.6 cho thấy các lệch không hoàn chỉnh Shockley  1/ 6 112    và Stair- rod hình thành nhiều trong hợp kim Nhôm A5052 khi biến dạng Lệch Shockey

Tổng chiều dài lệch Shockey đạt mức cao nhất ở mọi nhiệt độ khảo sát, với 800 Å ở 77 độ K, 1400 Å ở 300 độ K, và 1600 Å ở 448 độ K Điều này cho thấy khi vật liệu được biến dạng ở trạng thái ấm, tổng chiều dài các lệch tăng đáng kể, đạt khoảng 2000 Å Ngược lại, khi biến dạng ở trạng thái nguội, tổng chiều dài các lệch có giá trị trung gian.

Trong quá trình biến dạng dẻo, các lệch trong mạng tinh thể cắt nhau tại các nút, với mỗi nút có thể chứa nhiều hơn ba lệch cắt nhau Những nút lệch này có xu hướng chuyển thành nút lệch có ba lệch cắt nhau để giảm năng lượng tự do của hệ thống Một lệch có năng lượng cao sẽ phân tách thành hai lệch mới với tổng năng lượng thấp hơn, hiện tượng này được gọi là sự phân tách lệch Sau khi phân tách, các lệch tiếp tục phát triển và mở rộng, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và tổng chiều dài các lệch, cùng với mức độ biến dạng.

Hình 3.7 Lệch cắt nhau tại các nút lệch tại mức độ biến dạng 0.1

Sự xuất hiện của lệch trong mạng tinh thể làm cho các nguyên tử xung quanh di chuyển khỏi vị trí cân bằng, dẫn đến tương tác đẩy hoặc hút tùy thuộc vào tính chất của lệch Điều này tạo ra trường ứng suất và biến dạng đàn hồi, làm tăng năng lượng của hệ thống Để trở về trạng thái cân bằng với năng lượng tự do thấp nhất, hệ thống có xu hướng giảm năng lượng thông qua các phản ứng kết hợp hoặc phân tách lệch trong mạng tinh thể.

Lệch hoàn chỉnh phân hóa thành hai lệch thành phần Shockley theo công thức 3.5 Khi phân tách, lệch mới hình thành tạo ra vùng khuyết tật, sắp xếp theo cấu trúc mạng HCP.

Khuyết tật xếp a) Phản ứng phân tách lệch b) Khuyết tật xếp

Hình 3.8 Phản ứng phân tách lệch hoàn chỉnh thành hai lệch thành phần Shockley

Sự phân hóa lệch gây ra các vùng khuyết tật, làm thay đổi thứ tự sắp xếp nguyên tử trong mạng tinh thể Điều này dẫn đến biến đổi cấu trúc mạng và ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu.

Phản ứng phân hóa lệch gây ra sự giảm năng lượng trong hệ thống, và năng lượng này tỉ lệ với độ lớn của véc tơ Burger bình phương Do đó, tương quan năng lượng trong phản ứng phân hóa lệch được thể hiện qua công thức 3.5.

      (3.7) còn trong phản ứng thứ hai theo công thức 3.6:

Ngoài phản ứng phân tách lệch, các lệch không hoàn chỉnh có thể kết hợp với nhau để tạo thành lệch hoàn chỉnh (Perfect) Lệch hoàn chỉnh được hình thành từ sự kết hợp của hai lệch thành phần Shockley và Frank, theo công thức 3.9.

(3.9) a) Phản ứng kết hợp lệch b) Khuyết tật xếp

Hình 3.9 Sự kết hợp giữa các lêch thành phần tạo thành lệch hoàn chỉnh

Các lệch không hoàn chỉnh di chuyển trên hệ mặt {111} và khi chúng gặp nhau, chúng cắt nhau tại giao điểm của các mặt phẳng trong hệ này, tạo thành một lệch mới.

39 nằm cố định tại một vị trí nó cản trở các lệch khác chuyển động gọi là khóa lệch Lomer – Cottrell theo công thức (3.10)

Hình 3.10 Khóa lệch Lomer – Cottrell

Hình 3.11 Khóa lệch Lomer – Cottrell tại nhiệt độ 77 K với mức độ biến dạng 0,12

Ảnh hưởng của sự biến đối cấu trúc đến cơ tính của hợp kim A5052

Sử dụng công cụ phân tích lệch DXA trong phần mềm OVITO, hình 3.19 cho thấy sự biến đổi số lượng nguyên tử trong cấu trúc mạng Cấu trúc FCC giảm mạnh từ 160.000 nguyên tử xuống dưới 1.000 nguyên tử, trong khi cấu trúc vô định hình tăng mạnh từ 2.000 nguyên tử lên hơn 160.000 nguyên tử Số nguyên tử còn lại bao gồm cấu trúc HCP và các nguyên tử chưa xác định được cấu trúc.

Trên đồ thị hình 3.19, sự thay đổi cấu trúc mạng của các nguyên tử kim loại trong hợp kim nhôm A5052 tại 77 độ K cho thấy cấu trúc FCC giảm nhanh chóng xuống mức thấp nhất tại độ biến dạng 0,082 Ngược lại, số lượng nguyên tử vô định hình gia tăng đáng kể, đạt gần 160,000 nguyên tử tại cùng mức độ biến dạng Tại độ biến dạng 0,042, hai loại cấu trúc này có số nguyên tử bằng nhau, trong khi số nguyên tử có cấu trúc lục giác xếp chặt tăng dần với tốc độ chậm.

Hình 3.19 Sự biến đổi cấu trúc mạng ở 77 K

Khi số nguyên tử trong cấu trúc FCC và vô định hình thay đổi một cách nhỏ, vật liệu sẽ bị biến dạng trong miền đàn hồi với mức độ biến dạng nhỏ hơn 0,02 Khi mức độ biến dạng tăng, ứng suất cũng tăng theo tỷ lệ tuyến tính Sự gia tăng của các nguyên tử vô định hình cùng với sự giảm đi của các nguyên tử trong cấu trúc mạng lập phương sẽ ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu.

47 diện tâm xảy ra với mức độ lớn thì ứng suất giảm tuyến tính cùng với sự gia tăng của mức độ biến dạng

Khi số lượng nguyên tử của hai loại bằng nhau, ứng suất giảm xuống mức thấp nhất tại độ biến dạng 0,04 trước khi tăng trở lại Ứng suất sau đó tăng nhanh và đạt giá trị tối đa tại số nguyên tử FCC nhỏ nhất và vô định hình lớn nhất, tương ứng với độ biến dạng 0,082.

Tại nhiệt độ 300 K, sự thay đổi số lượng nguyên tử được thể hiện rõ trong hình 3.20 Cấu trúc FCC giảm nhanh từ 160.000 nguyên tử xuống dưới 1.000 nguyên tử, trong khi cấu trúc vô định hình tăng mạnh từ 2.000 nguyên tử lên hơn 17.000 nguyên tử Cấu trúc HCP chỉ có sự gia tăng nhẹ với số nguyên tử không đáng kể.

Biểu đồ 3.20 cho thấy sự thay đổi cấu trúc mạng của các nguyên tử kim loại trong hợp kim nhôm A5052 ở 300 độ K Cấu trúc FCC giảm nhanh chóng xuống mức thấp nhất tại độ biến dạng 0,086, trong khi số lượng nguyên tử vô định hình tăng lên đáng kể, đạt gần 160,000 nguyên tử tại cùng mức độ biến dạng Tại độ biến dạng 0,045, số lượng nguyên tử của hai cấu trúc này bằng nhau Đồng thời, số nguyên tử của cấu trúc mạng lục giác xếp chặt tăng dần nhưng với số lượng nhỏ.

Hình 3.20 Sự biến đổi cấu trúc ở 300 K

Khi số nguyên tử trong cấu trúc FCC và vô định hình thay đổi nhẹ, vật liệu sẽ bị biến dạng trong miền đàn hồi với mức độ biến dạng nhỏ hơn.

Khi mức độ biến dạng tăng lên 0,022, ứng suất cũng tăng theo một cách tuyến tính Sự gia tăng của các nguyên tử vô định hình và sự giảm của các nguyên tử có cấu trúc mạng lập phương diện tâm với mức độ lớn sẽ dẫn đến sự giảm ứng suất tuyến tính, đồng thời làm tăng mức độ biến dạng.

Khi số lượng nguyên tử của hai loại bằng nhau, ứng suất giảm xuống mức thấp nhất tại mức độ biến dạng 0,045 trước khi tăng trở lại Ứng suất sau đó tăng nhanh, đạt giá trị cao nhất 6,5 GPa tại số nguyên tử FCC nhỏ nhất và vô định hình lớn nhất, tương ứng với mức độ biến dạng 0,086.

Hình 3.21 minh họa sự biến đổi cấu trúc tinh thể của hợp kim nhôm A5052 ở nhiệt độ 448 K, cho thấy sự giảm nhanh chóng của cấu trúc FCC từ 160.000 nguyên tử xuống còn 2.000 nguyên tử Đồng thời, cấu trúc vô định hình tăng mạnh từ 2.000 nguyên tử lên hơn 15.000 nguyên tử Số nguyên tử còn lại thuộc về cấu trúc HCP, tăng nhẹ theo mức độ biến dạng.

Cấu trúc FCC giảm nhanh chóng xuống mức độ biến dạng 0,062, đạt giá trị thấp nhất, trong khi số lượng nguyên tử vô định hình tăng lên đáng kể, lên tới gần 158,000 nguyên tử tại cùng mức độ biến dạng Tại mức độ biến dạng 0,044, cả hai loại cấu trúc này có số lượng nguyên tử bằng nhau Đồng thời, số nguyên tử có kiểu mạng lục giác xếp chặt cũng tăng dần, đạt khoảng 2,000 nguyên tử.

Hình 3.21 Sự biến đổi cấu trúc ở 448 K

Khi số nguyên tử trong cấu trúc FCC và vô định hình thay đổi nhẹ, vật liệu sẽ biến dạng trong miền đàn hồi với mức độ biến dạng nhỏ hơn 0,028, dẫn đến ứng suất tăng theo tỷ lệ tuyến tính Tuy nhiên, khi số nguyên tử vô định hình gia tăng và số nguyên tử trong cấu trúc mạng lập phương diện tâm giảm mạnh, ứng suất sẽ giảm tuyến tính cùng với sự gia tăng mức độ biến dạng.

Khi số lượng nguyên tử của hai loại bằng nhau, ứng suất giảm xuống mức thấp nhất tại biến dạng 0,044 trước khi tăng trở lại Ứng suất sau đó tăng nhanh, đạt giá trị tối đa 7 GPa khi số nguyên tử FCC đạt mức tối thiểu và vô định hình đạt mức tối đa, tương ứng với biến dạng 0,062.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc

3.5.1 Cấu trúc FCC Ở tất cả các nhiệt độ, cấu trúc FCC đều giảm nhanh trước khi có xu hướng tăng, nhưng số nguyên tử giảm nhiều nhất ở nhiệt độ 77 K, sau đó đến 300 K và cuối cùng là 448 K Điều này cho thấy tác động của nhiệt độ đến sự biến đổi kiểu cấu trúc mạng này là tương đối lớn (Hình 3.22)

Hình 3.22 Sự thay đổi số lượng nguyên tử FCC tại các nhiệt độ

Hình 3.23 Sự thay đổi số lượng nguyên tử HCP tại các nhiệt độ

Trong ba giá trị nhiệt độ khác nhau, cấu trúc HCP đều tăng, nhưng số nguyên tử tăng nhiều nhất ở nhiệt độ 448 K, sau đó đến 300 K và cuối cùng là 77K

3.5.3 Cấu trúc vô định hình

Hình 3.24 Sự thay đổi số lượng nguyên tử vô định hình tại các nhiệt độ

Cấu trúc vô định hình của vật liệu tăng theo nhiệt độ, với sự gia tăng số nguyên tử rõ rệt nhất ở nhiệt độ 77 K, tiếp theo là 300 K và cuối cùng là 448 K.

Cấu trúc FCC giảm dần khi nhiệt độ giảm, trong khi cấu trúc HCP và vô định hình lại tăng lên Sự thay đổi này dẫn đến sự biến đổi toàn bộ mạng tinh thể, ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tính chất cơ học của vật liệu Điều này được thể hiện rõ qua đồ thị mô tả mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng.