Benzetim ve hesap araçlarının metalurji ve malzeme mühendisliği lisans eğitimine entegrasyonu

Transkript

1 Ulusal Malzeme ve Metalurji Mühendisliği Eğitim Sempozyumu Benzetim ve hesap araçlarının metalurji ve malzeme mühendisliği lisans eğitimine entegrasyonu Öncü Akyıldız Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Hitit Üniversitesi, Çorum, Türkiye 1/51

2 Özet 1. Giriş ve Motivasyon 2. Modüler Yaklaşım 3. Modüller, Araçlar ve Hedefler nanohub.org Termodinamik: ThermoCalc Kinetik: VKML Mekanik: OOF2 Yoğunluk Fonksiyonel Kuram: Quantum ESPRESSO 2/51

3 Giriş ve Motivasyon Benzetim ve hesap araçlarının lisans eğitimine entegrasyonu NEDEN? 3/51

4 Hesaplamalı malzeme bilimi nedir? Kullandığımız ampirik ilişkiler çoğu zaman ideal durumlar için geçerlidir, Modelleme ve benzetim ise malzemelerin gerçek durumlarda sergilediği karmaşık fiziksel ilişkileri ortaya çıkarabilir. Modelleme: fiziki ve matematiksel bağıntıların belirlenmesi, Benzetim: modeli esas alan sayısal tahminler yapılmasıdır. 4/51

5 Hesaplamalı malzeme bilimi nedir? Hesaplamalı MB&M: malzemelerin modelleme ve benzetim yoluyla ele alınmasıdır. Hesaplamalı bilim yeni bir kavram mı?.. 5/51

6 Makine Mühendisliğinde Hesaplama ANSYS web sitesinden Metod Sonlu Elemanlar: sanayide çokça kullanılır Fizik Görece daha basit Geometri Görece daha basit (tasarımdan gelir) 6/51

7 Diğer bilim ve mühendislik dalları Fizik Astrofizik Kimya mühendisliği Havacılık mühendisliği.. MB&M bu disiplinlerin gerisindedir Neden? Diğer disiplinler Görece daha basit fizik, tek ölçek, deneylerin yetersiz oluşu (ör.: astrofizik) vb. 7/51

8 Çok Ölçekte Hesaplama Büyük ölçekte yaptığımız gözlemler küçük ölçeklerde gerçeklesen olaylarca tayin edilir. 1m motor bloğu 1-10mm Makroyapı Taneler Makro boşluklar Özellikler Yorulma dayancı Süneklik μm Mikroyapı Ötektik fazlar Dentritler Mikro boşluklar Ara metalikler Özellikler Akma dayancı Çekme dayancı Yorulma dayancı Süneklik Malzeme Bilimi Problemleri: Çok ölçekli Karmaşık fizik Karmaşık geometri (içyapıdan kaynaklı) 1-100nm Nanoyapı Çökeltiler Özellikler Akma dayancı Isıl büyüme Çekme dayancı Yorulma dayancı Süneklik Şekil: J. Allison et al., JOM November nm Atomik yapı Kristal yapı Arayüzey yapısı Özellikler Akma dayancı Isıl büyüme 8/51

9 Malzeme Genomu Projesi Beyaz Saray 24 Haziran milyon $ bütçe Anahtar: Hesaplama ve Benzetim Araçlarını Kullanabilecek Gelecek Nesil İşgücü 9/51

10 Teşekkür: Thornton Araştırma Grubu, U of M 10/51

11 Thornton: A.B.D. deki durum 11/51

12 Thornton: A.B.D. deki durum Yapılan araştırmalar: 2004 (Thornton & Asta) 2009 (Thornton, Nola, Garcia, Asta, Olson) Hesaplama kaynakları var, ama etkin kullanılamıyor Sanayide kullanılan araçlar ile eğitimde kullanılanlar arasında uyumsuzluk 2010 TMS te sonuçların tartışılması: eğitimcileri eğitme ihtiyacı Her üniversite hesaplamalı malzeme biliminde çalışan öğretim üyesine sahip değil Her üniversitede bu araçların derslerde etkin kullanımı için konuda uzman öğretim üyesi 12/51

13 Yaz Okulları Amaç: eğitimcilerin eğitilmesi (educating the educators) Araç: modüler yaklaşım Konu özeti Yazılımların tanıtımı ve örnek çözümler Uygulamalı problemler Hedef: her biri 1-2 ders haftası alan modüllerin hâlihazırda öğretilen derslere eklenmesi 13/51

14 Teşekkür: Thornton Araştırma Grubu, U of M 14/51

15 Modüller Her bir modül aşağıdaki bölümlerden oluşur: Ders: konu özeti, önemli kavramların kısa tekrarı Ders saatinde Uygulama: Programların tanıtımı ve örnek çözümler Ders saatinde (flipped classroom model) Uygulama: Problem seti Ders saatinde başlatılır, öğrencilerde rapor teslim etmeleri istenir Raporlar notlandırılır 15/51

16 Modüller, Araçlar ve Hedefler nanohub.org Termodinamik: ThermoCalc çok bileşenli sistemlerde faz dengesi Kinetik: VKML yayınım kinetiği Mekanik: OOF2 çok taneli malzemelerde içyapıdaki gerilim dağılımı Yoğunluk Fonksiyonel Kuram: Quantum ESPRESSO denge kafes parametresi ve elastik sabitlerin hesabı 16/51

17 Hesaplamalı Termodinamik 17/51

18 Hesaplamalı Termodinamik 1. Bölüm: Konu Özeti Katsuyo Thornton, 1 Paul Mason, 2 Larry Aagesen 1 1. Department of Materials Science & Engineering, University of Michigan 2. Thermo-Calc Inc. İşlenen kavramlar: Gibbs Serbest Enerjisi Faz Dengesi Faz Diyagramı İzopletler Hesaplamalı Termodinamik & CALPHAD Metodu 18/51

19 İzoplet 1. Bölüm: Konu Özeti İzoplet çizgiler mol kesirlerinin sabit olduğu kesitleri ifade eder. Örneğin, üç bileşenli bir sistemde izopletal harita üç boyutlu faz diyagramından kesitler yansıtır. 19/51

20 Örnek: Fe-1.5Mn-0.3Si-0.1V-C yüksek dayanımlı düşük alaşımlı çelik 1. Bölüm: Konu Özeti 20/51

21 2. Bölüm: Programın Tanıtımı ve Örnek Çözümler İşlenen kavramlar: Programın (ThermoCalc) kurulumu, tanıtımı ve örnek çözümler 21/51

22 Örnek: Fe-Cr Faz Diyagramının Hesaplanması 2. Bölüm: 22/51

23 Örnek: Fe-Cr Faz Diyagramının Hesaplanması 2. Bölüm: 23/51

24 Örnek: Fe-Cr Faz Diyagramının Hesaplanması 2. Bölüm: 24/51

25 Örnek: Ag-Cu sistemi 2. Bölüm: 25/51

26 Örnek: çok bileşenli sistem Aynı yöntem fakat hesaplama suresi cok daha uzun! Al-Fe-Mn izotermal kesit T=1273 C 2. Bölüm: 26/51

27 Örnek: Faz miktarlarının bir bileşenin miktarına göre çizdirilmesi 2. Bölüm: 27/51

28 Örnek: Faz miktarlarının bir bileşenin miktarına göre çizdirilmesi 2. Bölüm: 28/51

29 Örnek: Fe-8Cr-1C sistemi için izopletin hesaplanması 2. Bölüm: 29/51

30 Örnek: Fe-8Cr-1C sistemi için izopletin hesaplanması 2. Bölüm: 30/51

31 3. Bölüm: Uygulamalı problemler Konunun teknolojik önemini vurgulamak için özel olarak tasarlanan uygulamalı alıştırmalar 31/51

32 3. Bölüm: Uygulamalı problemler Paslanmaz çeliklerde korozyon dayancı yüzey merkezli kübik faz içindeki krom miktarı ile artış gösterir. Karbonlamadan sonra ise korozyon dayancında düşüş gözlenir. Fazlar içindeki Cr miktarını karbon konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak hesap ediniz ve yukarıdaki gözlemin nedeni hakkında yorum yapınız. 32/51

33 3. Bölüm: Uygulamalı problemler 33/51

34 Modüller, Araçlar ve Hedefler nanohub.org Termodinamik: ThermoCalc çok bileşenli sistemlerde faz dengesi Kinetik: VKML yayınım kinetiği Mekanik: OOF2 çok taneli malzemelerde içyapıdaki gerilim dağılımı Yoğunluk Fonksiyonel Kuram: Quantum ESPRESSO denge kafes parametresi ve elastik sabitlerin hesabı 34/51

35 nanohub.org 35/51

36 Hesaplamalı Kinetik Virtual Kinetics of Materials Laboratory Sanal Malzeme Kinetigi Laboratuvarı 36/51

37 Hesaplamalı Kinetik 37/51

38 Dendritik Büyüme Hesaplamalı Kinetik Katılaşma ve Tane Büyümesi Spinodal Ayrışma 38/51

39 1. Bölüm: Konu Özeti Katsuyo Thornton, 1 Edwin Garcia, 2 Larry Aagesen, 1 Mark Asta 3, Jonathan Guyer 4 1. Department of Materials Science & Engineering, University of Michigan, 2. Purdue University, 3. University of California, Berkeley, 4. National Institute of Standards and Technology. İşlenen kavramlar: Difüzyon Yarıiletken üretimi Hesaplamalı kinetik 39/51

40 2. Bölüm: Programın Tanıtımı ve Örnek Çözümler 40/51

41 2. Bölüm: Programın Tanıtımı ve Örnek Çözümler 41/51

42 Örnek: 1 Boyutlu Difüzyon 2. Bölüm: 42/51

43 Örnek: 1 Boyutlu Difüzyon 2. Bölüm: 43/51

44 3. Bölüm: Uygulamalı problemler Konunun teknolojik önemini vurgulamak için özel olarak tasarlanan uygulamalı alıştırmalar 44/51

45 3. Bölüm: Uygulamalı problemler Silikon yüzeyin bir kısmı şekilde görüldüğü gibi maskelenmiştir. Sınır koşullarını tanımlayarak, difüzyon katkılaması işlemini benzetiniz ve 10 saat sonra yüzeyden 1 um mesafedeki katkı konsantrasyonu profilini çizdiriniz. Elde ettiğiniz sonuçları bir boyutlu difüzyon probleminden elde ettiklerinizle karşılaştırarak benzerlik ve farklılıkları belirtiniz. 45/51

46 Modüller, Araçlar ve Hedefler nanohub.org Termodinamik: ThermoCalc çok bileşenli sistemlerde faz dengesi Kinetik: VKML yayınım kinetiği Mekanik: OOF2 çok taneli malzemelerde içyapıdaki gerilim dağılımı Yoğunluk Fonksiyonel Kuram: Quantum ESPRESSO denge kafes parametresi ve elastik sabitlerin hesabı 46/51

47 Sonuçlar Programlama ihtiyacını en aza indirgeyerek problemin malzeme bilimi tarafına odaklanmayı sağlayan hesaplama ve benzetim araçları vardır. Bunlar araştırmada zaman kazandırırken, eğitimde ise önemli kavramların anlatılmasında kolaylık sağlar. Geleceğin malzeme mühendisleri bu araçları kullanacaktır. Bu alanda bölümlerin yatırım yapmaları gerekmektedir. Türkçe kaynaklar kullanan benzer yaz okulları düzenlenmelidir. 47/51

48 Türkçe özgün kaynak yaratımı 48/51

49 materialsproject.org 49/51

50 materialsproject.org 50/51

51 Teşekkürler! 51/51