Modeling microstructural evolution and phase transformations in material science

Titelangaben

Choudhary, Muhammad Ajmal:
Modeling microstructural evolution and phase transformations in material science.
Bayreuth , 2016 . - XVIII, 116 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

The main objective of the research work presented in this thesis was to develop a better understanding of the kinetics of crystal growth phenomenon where atomistic and microscale are tightly coupled as nucleation. To that end a new material science concept on atomistic length and diffusive time scales was developed further and applied to the fundamental studies of the nucleation kinetics for the binary alloy system beyond classical nucleation theory. The theoretical approach used in this thesis is the phase-field crystal (PFC) method. The originally introduced PFC approach [7] can only model certain classes of material systems with Poisson's ratio of 1/3. Thus, it requires an appropriate extension of this approach to overcome these limitations and to extend the applicability of this approach to a wider range of material systems. This extension of the originally introduced PFC model to develop a more generalized model with the capability to model material systems of arbitrary Poisson's ratio [8, 9], is one of the important aims of this thesis. Furthermore, questions around the numerical efficiency as well as the recovery of physical details associated with the scale-bridging approach are also addressed by the development of the complex amplitude formalism which demonstrates the explicit connection between the PFC and PF models [10]. This development of a scale-bridging approach is an important aim of this thesis which facilitates the further advancement towards multi-scale modelling of microstructural evolution phenomena in a wide range of material systems. Finally, an application is presented which concerns a fundamental approach to study the nucleation mechanisms associated with binary systems motivated by their higher industrial relevance. This study successfully demonstrated the usefulness of the finite system size approach for a precise assessment of the equilibrium properties of the curved liquid-solid interface as well as the nucleation barriers beyound the predictions based on the classical nucleation theory and non-classical Tolman formula [12].

Abstract in weiterer Sprache

Das Hauptziel der Forschung dieser Arbeit war es, ein besseres Verständnis für die Kinetik von Kristallwachstumsphänomenen, in welchen atomistische und Mikroskalen verbunden sind, zu entwickeln. Um dies zu erlangen, wurde ein neues materialwissenschaftliches Modell von atomistischen Längen und diffusen Zeitskalen weiterentwickelt und angewandt auf die fundamentalen Studien der Nukleationskinetik binärer Legierungssysteme. Der theoretische Ansatz, der in dieser Arbeit herangezogen wurde, ist die Phasenfeld-Kristall-Methode (PFC). Der zunächst eingeführte PFC-Ansatz [7] kann nur bestimmte Materialsystemklassen mit einer Poissonsratio von 1/3 modellieren. Daher bedarf es einer angepassten Erweiterung dieses Ansatzes, um diese Einschränkungen zu überwinden und die Anwendbarkeit dieses Ansatzes auf eine breitere Auswahl von Materialsystemen auszuweiten. Diese Erweiterung, um Materialsysteme mit willkürlicher Poissonratio [8, 9] zu modellieren, ist eines der wichtigsten Ziele dieser Arbeit. Ferner werden auch Fragen über die numerische Effizienz sowie die Rückgewinnung von physikalischen Details, die mit dem scalebridging-Ansatz in Verbindung stehen, angesprochen. Dies geschieht durch die Entwicklung eines komplexen Amplituden-Formalismus, der die explizite Verbindung zwischen den PFC- und PF-Modellen [10] demonstriert. Die Entwicklung eines scalebridging-Ansatzes ist ein weiteres wichtiges Ziel dieser Arbeit, welche die künftige Weiterentwicklung hin zu einer Multiskalenmodellierung von mikrostrukturellen Evolutionsphänomenen in einer breiten Auswahl von Materialsystemen erleichtert. Am Schluss wird eine Anwendung präsentiert, die einen fundamentalen Ansatz zur Erforschung nicht-klassischer Nukleationsmechanismen betrifft, die mit binären Systemen zusammenhängen, die durch deren höhere industrielle Relevanz motiviert ist. Diese Studie hat erfolgreich den Nutzen des finiten Systemgrößen-Ansatzes für eine präzise Beurteilung der Gleichgewichtseigenschaften gekrümmter flüssig-fest Grenzflächen gezeigt [12].