Моделирование спекания металлических наночастиц
Целью работы является моделирование спекания частиц титана и расчет механических характеристик спеченного образца. Были разработаны алгоритмы для моделирования спекания, определения механических характеристик и для моделирования одноосного растяжения.
Введение ……………………………………………………………………………………………….. 13
1 Литературный обзор ……………………………………………………………………………. 15
2 Методики моделирования …………………………………………………………………….. 34
2.1 Моделирование спекания …………………………………………………………. 35
2.2 Моделирование одноосного растяжения …………………………………… 37
3 Моделирование спекания частиц титана и расчет механических
характеристик ………………………………………………………………………………………… 41
3.1 Моделирование спекания…………………………………………….41
3.2 Моделирование одноосного растяжения …………………………………… 42
3.3 Расчет механических характеристик …………………………………………. 45
Выводы по разделу…………………………………………………………………………………. 47
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …. 48
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………….. 49
4.2 Анализ и оценка конкурентоспособности научного исследования . 49
4.3 SWOT-анализ ………………………………………………………………………….. 51
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации ………………………. 52
4.5 Планирование управления научно-исследовательского проекта …. 54
4.6 Расчет материальных затрат научно-технического исследования .. 60
4.7 Расчет амортизации специального оборудования ………………………. 60
4.8 Заработная плата ……………………………………………………………………… 61
4.9 Отчисления на социальные нужды ……………………………………………. 63
4.10 Накладные расходы и расчет бюджета затрат ………………………….. 64
Выводы по разделу…………………………………………………………………………………. 65
5 Социальная ответственность ………………………………………………………………… 67
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 67
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………….. 69
5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов …………… 70
5.3.1 Отклонение показателей микроклимата …………………………… 70
5.3.2 Превышение уровня шума ……………………………………………… 72
5.3.3 Недостаточная освещенность рабочей зоны …………………….. 73
5.3.4 Повышенный уровень электромагнитных излучений ……….. 76
5.3.5 Поражение электрическим током ……………………………………. 76
5.4 Экологическая безопасность ……………………………………………………………… 77
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………………. 78
Выводы по разделу…………………………………………………………………………………. 79
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 80
Список использованных источников ……………………………………………………….. 81
Приложение A ……………………………………………………………………………………….. 84
В настоящее время активно развиваются аддитивные технологии.
Данная работа позволит исследовать строение и механические свойства
материала, полученного спеканием металлических наночастиц.
Аддитивные методы производства имеют огромные конкурентные
преимущества, поскольку хорошо адаптируются к геометрической сложности и
индивидуальному исполнению конструкции детали, которую необходимо
изготовить. Следующее также может быть достигнуто в соответствии с
областями применения: более легкие изделия, изделия из разных материалов,
эргономичные изделия, короткие производственные партии, меньшее
количество ошибок сборки, что приводит к снижению сопутствующих затрат,
более низким инвестиционным затратам на инструмент, сочетание различных
производственных процессов, оптимальное использование материала, более
экологичное производство [1]. Исследования, проведенные различными
исследовательскими институтами, показывают, что изделия, изготовленные из
металла с использованием аддитивных технологий, обладают такими же или
лучшими механическими характеристиками, чем те же изделия, изготовленные
с использованием традиционных процессов [2].
Молекулярно-динамическое моделирование – это метод, с помощью
которого можно численно интегрировать классические уравнения движения и
проследить траекторию движения атомов и молекул в некотором конечном
временном интервале, не превышающем нано- или микросекунду. Из этих
траекторий можно получать данные о динамике атомов и молекул, визуально
наблюдать за реакцией или рассчитывать механические и термодинамические
свойства данной системы. Метод молекулярной динамики является одним из
широко используемых методов компьютерного моделирования физических
процессов в материаловедении. В работе расчеты производятся в программе
крупномасштабного массово-параллельного симулятора LAMMPS [3] и
консольного файлового менеджера Far Manager. Для анализа и визуализации
результатов расчета используются программы OVITO [4], Wolfram
Mathematica.
Целью данной работы является моделирование спекания частиц титана и
расчет механических характеристик спеченного образца.
Задачи:
1. Разработать алгоритм для моделирования процесса спекания.
2. Разработать алгоритм для определения механических
характеристик – объемного модуля упругости, модуля сдвига, коэффициента
Пуассона.
3. Разработать алгоритм для моделирования одноосного растяжения.
Положения, выносимые на защиту:
1. Объемный модуль упругости спеченных образцов уменьшается по
сравнению с монокристаллами.
2. Потенциал Чжоу дает более точные значения упругих параметров и
кривой “напряжение-растяжение” для монокристаллов. При этом параметры
спеченных образцов для обоих потенциалов практически одинаковы.
В работе разработаны программа для моделирования спекания
сферических наночастиц, программа для расчета упругих параметров
спеченного образца, программа для моделирования одноосного растяжения и
построения кривой “напряжение – деформация”.
Проведены расчеты для частиц железа, с целью проверки корректности
работы программного кода. Проведены расчеты для частиц титана, с
использованием двух различных потенциалов взаимодействия. Исследована
возможность применения этих потенциалов для моделирования механических
свойств титана.
На значение упругих параметров и характер кривой “напряжение –
деформация” могут оказывать влияние большое число разных параметров, как
при моделировании спекания, так и при моделировании растяжения. Такие как:
скорость нагрева, температура спекания, наличие дефектов, ориентация
кристалла, скорость деформации. Важно исследовать влияние всех этих
параметров.
1.Jimenez M., Romero L., Dominguez I.A., Espinosa M., Dominguez M.
Additive Manufacturing Technologies: An Overview about 3D Printing Methods and
Future Prospects //Hindawi. Complexity. – 2019. – Vol. 2019. – P. 30.
2.Frazier W.E. Metal additive manufacturing: a review //Journal of
Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23. – №. 6. – P. 1917–1928.
3.Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular
Dynamics //Journal of Computational Physics. – 1995. – Vol. 117. – P. 1–19.
4.Stukowski A. Visualisation and analysis of atomistic simulation data
with OVITO – the Open Visualisation Tool //Modelling and Simulation in Materials
Science and Engineering. – 2009. – Vol. 18. – №. 1.
5.Yousefi M., Khoie M.M. Molecular dynamics simulation of Ni/Cu-Ni
nanoparticles sintering under various crystallographic, thermodynamic and multi-
nanoparticles conditions // The European Physical Journal D. – 2015. – № 69.
6.Jeon J., Jiang Sh., Rahmani F., Nouranian S. Molecular dynamics study
of temperature and heating rate-dependent sintering of titanium nanoparticles and its
influence on the sequent tension tests of the formed particle-chain products // Journal
of Nanoparticle Research. – 2020. – № 22.
7.Rojek J., Nosewicz S., Mazdziarz M., Kowalczyk P., Wawrzyk K.,
Lumelskyj D. Modeling of a Sintering Process at Various Scales // Procedia
Engineering. – 2017. – Vol. 177. – P. 263-270.
8.Guo J.Y., Xu C.X., Hu A. M., Oakes K.D., Sheng F.Y., Shi Z.L., Dai J.,
Jin Z.L. Sintering dynamics and thermal stability of novel configurations of Ag
clusters // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2012. – P. 1350-1357.
9.Song P., Wen D. Molecular dynamics simulation of the sintering of
metallic nanoparticles // Journal of Nanoparticles Research. – 2010. – Vol. 12. – P.
823-829.
10. Mao Q., Luo K.H. Molecular Dynamics Simulation of Sintering
Dynamics of Many TiO2 Nanoparticles // Journal of Statistical Physics. – 2015. – P.
1696-1708.
11. Zhang Y., Xiao X., Zhang J. Kinetic Monte Carlo simulation of sintering
behavior of additively manufactured stainless steel powder particles using
reconstructed microstructures from synchrotron X-ray microtomography // Results in
Physics. – 2019. – Vol. 133.
12. Nakao K., Ishimoto T., Koyama M. Sintering Simulation for Porous
Material by Integrating Molecular Dynamics and Master Sintering Curve // The
Journal of Physical Chemistry. – 2014. – № 118.
13. Liu Zh., Cheng Q., Wang Y., Li Y., Zhang J. Sintering neck growth
mechanism of Fe nanoparticles: A molecular dynamics simulation // Chemical
Engineering Science. – 2020. – Vol. 218.
14. Tarasevich Yu.Yu. Mathematical and computer modeling. M: Editorial
URSS, – 2004. – P. 440.
15. Zhang Y., Wu L., El-Mounayri H., Brand K., Zhang J. Molecular
Dynamics Study of the Strength of Laser Sintered Iron Nanoparticles //Procedia
Manufacturing. – 2015. – Vol. 1. – P. 296–307.
16. Subedi S., Morrissey L.S., Handrigan S.M., Nakhla S. The effect of
many-body potential type and parameterisation on the accuracy of predicting
mechanical properties of aluminium using molecular dynamics //Molecular
Simulation. – 2019. – Vol. 46. – № 4. – P. 271–278.
17. Morrissey L.S., Handrigan S.M., Subedi S., Nakhla S. Atomistic uniaxial
tension tests: investigating various many-body potentials for their ability to produce
accurate stress strain curves using molecular dynamics simulations //Molecular
Simulation. – 2019. – Vol. 45. – № 6. – P. 501–508.
18. Трудовой кодекс Российской Федерации” от 30.12.2001 N 197-ФЗ
(ред. от 30.04.2021)
19. ГОСТ 12.2.032-78. Рабочее место при выполнении работ сидя.
20. ГОСТ 12.1.003-2015. ССБТ. Опасные и вредные производственные
факторы. Классификация.
21. ГОСТ 12.1.003-2014 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.
22. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений.
23. СП 52.13330.2016. Естественное и искусственное освещение.
24. ГОСТ12.1.019-2017ССБТ.Электробезопасность.Общие
требования и номенклатура видов защиты.
25. ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот.
Общие требования безопасности.
26. ГОСТ 10700-97. Макулатура бумажная и картонная.
27. ГОСТ Р 53692-2009. Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Этапы технологического цикла отходов.
28. ГОСТ Р 52105-2003. Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Классификация и методы переработки ртутьсодержащих отходов.
29. СП 12.12120.2009. Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
30. ГОСТ Р 51057-2001. Техника пожарная. Огнетушители переносные.
Общие технические требования. Методы испытаний.
31. Mendelev M.I., Underwood T.L., Ackland G.J. Development of an
interatomic potential for the simulation of defects, plasticity, and phase
transformations in titanium //The Journal of Chemical Physics. – 2016. – Vol. 145. –
№. 15.
32. Zhou X.W., Johnson R.A., Wadley H.N.G. Multi-energy-increasing
dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers //Physical Review B. – 2004.
– Vol. 69.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (428 отзывов)
5 (1241 отзыв)
4.6 (522 отзыва)
4.8 (9 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
4.8 (373 отзыва)
