Micromechanical phase-field model and simulation of eutectic growth with misfit stresses

Ebrahimi, Zohreh; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:999910020048

Micromechanical phase-field model and simulation of eutectic growth with misfit stresses = Mikromechanisches Phasenfeldmodell und Simulation des eutektischen Wachstums mit elastischer Gitterfehlanpassung

Ebrahimi, Zohreh (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Zohreh Ebrahimi

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXIII, 178 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-11-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-34465
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50631/files/3446.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Phasenfeldmodell (Genormte SW) ; Erstarrung (Genormte SW) ; Binäre Legierung (Genormte SW) ; Titanlegierung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; eutektischen Wachstums (frei) ; elastischer Gitterfehlanpassung (frei) ; elastische Phasenfeldmodell (frei) ; eutectic growth (frei) ; phase-field model (frei) ; misfit stress (frei) ; elastic energy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 64.70.D- * 81.30.Fb * 37M05 * 81.30.Bx * 07.05.Tp

Kurzfassung
Ein genaues Grundverständnis der eutektischen Erstarrung und deren Haupteinflussfaktoren ist entscheidend für die Charakterisierung vieler metallischer Produkte. Numerische Simulationen sind erforderlich, um die Bildung von eutektischen Lamellen und die hieraus resultierende Mikrostruktur vorherzusagen, welche wiederum die makroskopischen mechanischen Eigenschaften von Gusslegierungen bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit entwickeln wir ein mikromechanisches Phasenfeldmodell, um die eutektische Erstarrung in Legierungen mit elastischer Gitterfehlanpassung zwischen den kohärenten festen Phasen zu berechnen. Als erstes wird ein vorhandenes Phasenfeldmodell für das diffusionskontrollierte zweiphasige Wachstum auf den Fall des freien eutektischen Wachstums mit gekoppelter Warm- und Stoffdiffusion erweitert. Die Dynamik von voll entwickelten Kolonien wird qualitativ behandelt. Anschließend wird ein elastisches Phasenfeldmodell basierend auf der Theorie der linearen Mikroelastizität unter Berücksichtigung der elastischen Inhomogenität, um die elastischen Interaktionen in das Modell einzubringen, die sich aus der Gitterfehlanpassung zwischen den kohärenten festen Phasen im Eutektikum ergeben, entwickelt. Unter der Annahme eines isotropisch elastischen Verhaltens, wenden wir das elastische Phasenfeldmodell auf eine organische Legierung an und evaluieren die entsprechenden Spannungen und Dehnungen. Wir verallgemeinern unser elastisches Modell, um die Anisotropie der elastischen Eigenschaften der Materialien zu berücksichtigen. Die Einflüsse des thermischen Gradienten und der lokalen Unterkühlung werden ebenfalls untersucht, um die Lamellenbildung sowohl im Fall des gerichteten sowie des freien Wachstums für die Ti-Fe-Legierung grundlegend zu verstehen. Als letzten Schritt dieser Arbeit erweitern wir unser elastisches Phasenfeldmodell auf das Wachstum eutektischer Kolonien mit unterschiedlichen Orientierungen, die am Ende der Erstarrung zusammenstossen.

Precise understanding of eutectic solidification and its controlling parameters is crucial in characterizing of many metal products. Numerical simulations are required to predict the formation of eutectic lamellae and the resulting microstructure which, in turn, determines the macroscopic mechanical properties of casting alloys. In this work, we aim to develop a micromechanical phase-field model to assess the eutectic solidification in alloys with coherent elastic misfit. First, we generalize an existing phase-field method of diffusion-limited two-phase growth [Phys. Rev. E, 70 (2004) 061604] to a model of free-volume eutectic growth with coupled heat and solute diffusion. Secondly, we develop an elastic phase-field model based on linear microelasticity theory by considering elastic inhomogeneity to incorporate the elastic interactions arising from the mismatch between coherent phases in eutectic growth. Next, we apply the elastic phase-field model to an organic alloy by assuming isotropic elasticity and evaluate the corresponding stress and strain distributions. Moreover, we generalize our elastic model to consider the anisotropy in materials. The effect of the thermal gradient and the local undercooling are also studied to understand the occurrence of lamellae in directional and free-volume eutectic growth in Ti-Fe alloys. Finally, we extend the elastic phase-field model to multiple orientations for a limited number of eutectic nuclei.

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