Solid state transformations and crack propagation : a phase field study

Fleck, Michael; Müller-Krumbhaar, Heiner

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-35111

Solid state transformations and crack propagation : a phase field study = Phasenfelduntersuchungen zu Fest-Fest Phasentransformationen und Rissausbreitung

Fleck, Michael (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Fleck

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang151 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Müller-Krumbhaar, Heiner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-09-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35111
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63845/files/3511.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Linearelastische Bruchmechanik (Genormte SW) ; Musterbildung (Genormte SW) ; Phasenumwandlung (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Phasenumwandlungen (frei) ; pattern formation (frei) ; phase transformations (frei) ; fracture mechanics (frei) ; elastic effects (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 47.54.-r * 81.10.Aj * 89.75.Kd * 62.20.mm * 46.15.-x * 46.50.+a

Kurzfassung
Diffusionsbedingte Musterbildungsprozesse, welche unter anderem zur Bildung von Schneeflocken in unterkühltem Wasserdampf führen können, sind ohne Zweifel faszinierende, aber auch recht komplexe nichtlineare Systeme. Bei den damit verbundenen so genannten diffusionsbegrenzten Phasentransformationsprozessen ist die Grenzflächendynamik untrennbar an die langreichweitige Diffusion latenter Wärme gekoppelt. Im Festkörper unterliegen solche Prozesse auch noch nichtlokalen elastischen Einflüssen, welche durch strukturelle Unterschiede der beteiligten festen Materialphasen hervorgerufen werden. Mathematisch können solche dynamischen Systeme auf so genannte bewegte Randwertprobleme abgebildet werden, welche dann zum Beispiel mit Hilfe eines Phasenfeld-Ansatzes gelöst werden können. Zur numerischen Lösung des gegenwärtigen Problems wurde ein Phasenfeldmodel zur Simulation von diffusionsbedingten Fest-Fest- Phasenumwandlungen entwickelt. Unter anderem mit Hilfe von Phasenfieldsimulationen wurden dann ausführliche Studien zu diffusionsbedingten Fest-Fest-Phasenumwandlungen durchgeführt. Diese Untersuchungen lieferten vor allem neue Erkenntnisse über das dynamische Verhalten von elastisch-selektierten Wachstumsmorphologien. Dabei zeigen unsere Simulationen, dass diese neuartige elastische Musterselektion äußerst effektiv ist, was sich in den vergleichsweise hohen Wachstumsgeschwindigkeiten zeigt. Auch die Ausbreitung von Rissen kann als ein durch elastische Verspannungen getriebener Musterbildungsprozess verstanden werden. Ein entsprechendes Model der Rissausbreitung führt dabei auf ein ganz ähnliches bewegtes Randwertproblem. Diese Arbeit fasst zunächst die bisherigen Forschungsergebnisse zum dynamischen Rissverhalten in solchen Modellen zusammen, und beleuchtet diese im Licht jüngster Erkenntnisse in Bezug auf den Einfluss von viskoser Reibung in solchen Systemen. Um einen möglichst vollständigen Überblick über das Modellverhalten der Rissdynamik auch unter der Einwirkung viskoser Energiedissipation zu bekommen, wurde im Weiteren das bestehende Bild duch ergänzende Studien vervollständigt.

Diffusional pattern formation processes, which for instance lead to the formation of snowflakes in undercooled watervapor, are doubtless fascinating systems with pretty complex nonlinear behavior. In the accompanying so-called diffusion limited phase transformation kinetics the phase evolution is strongly coupled to the long-range diffusion of latent heat, that is released at the solid liquid interface. For transformations in the solid-state these processes are additionally subjected to nonlocal elastic effects which arise from structural differences between adjacent solid phases. Mathematically, these dynamic systems can be mapped to so-called moving boundary problems, which then, for example, can be treated by the phase field method. To numerically solve the current problem, we develop a phase field model for the simulation of diffusion limited solid-state transformations, that accounts for the coupled influence from both the thermal diffusion of latent heat as well as the elastic lattice strain effects. Then, using basically phase field simulations, we study the kinetics of diffusion limited solid-state transformations. The present investigations provide new insights in the recently discovered mechanism of pattern selection via lattice strain effects. This mechanism turns out to be very effective as indicated by the surprisingly high growth velocities. Also the propagation of cracks can be understood as an elastically driven interfacial pattern formation process. Such a description of dynamic fracture mechanics again leads to a moving boundary problem. In this work we collect the previously gained research results on the behavior of dynamic crack propagation in such models, and reinterpret them in the light of recent findings on the influence of viscous friction in such systems. Finally, to complete the picture about the arising model behavior also supplementing new studies have been performed.

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