Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Precipitaten en inclusies hebben de eigenschap korrelgrenzen te ‘pinnen’. Wanneer een kritische korrelgrootte bereikt is, verhinderen ze verdere korrelgroei. Dit pinning-effect is van groot praktisch belang in legeringontwikkeling omdat de macroscopische eigenschappen van een legering bepaald worden door haar microstructuur. In dit werk werd het pinning-effect van tweede-fase-deeltjes bestudeerd aan de hand van computersimulaties gebaseerd op de faseveldmethode (E: phase-field method). Een bestaand faseveldmodel voor normale korrelgroei in eenfasige materialen werd uitgebreid naar materialen met tweede-fase-deeltjes. Om de benodigde rekenkracht te beperken, werden de tweede-fase-deeltjes in rekening gebracht met behulp van een plaatsafhankelijke parameter die constant is in de tijd, in plaats van met een set van faseveldveranderlijken. Dankzij deze vermindering van het aantal faseveldveranderlijken, was het mogelijk, op één enkele computer, 2D en 3D simulaties voor dunne filmen uit te voeren, voor een groot bereik van volumefracties fV van de tweede-fase-deeltjes en voor Rlim/r – verhoudingen tot 20. Zulke verhoudingen worden waargenomen in gelegeerde Al-filmen (r is de gemiddelde straal van de deeltjes en Rlim is de limietwaarde van de gemiddelde straal van de korrels). Het model vereist geen veronderstellingen over de vorm van de korrelgrenzen of over het aantal deeltjes dat in contact is met een korrelgrens. De typische dimpelvorm die korrelgrenzen aannemen wanneer ze een deeltje voorbijgaan wordt automatisch weergegeven in de simulaties. De simulaties beschrijven bovendien de volledige evolutie van de korrelstructuur. Hierdoor was het mogelijk de invloed van de initiële korrelgrootte op de parameters K and b in de zenerrelatie Rlim/r=K(1/fVb) te bestuderen. Het effect van de filmdikte en de positie van de deeltjes in de film werd eveneens geanalyseerd aan de hand van 3D simulaties. Precipitates and inclusions have the capacity to pin grain boundaries. When a critical grain size is reached, they arrest grain growth. This pinning-effect is of great practical importance in alloy development, since the macroscopic properties of an alloy are related to its microstructure. In this work, the pinning-effect of second-phase particles was studied by means of computer simulations based on the phase-field method. An existing model for normal grain growth in single-phase materials has been modified to account for the presence of second-phase particles. To reduce computer requirements, a spatially dependent parameter that is constant in time was used to describe the particle distribution, instead of a set of phase-field variables. This reduction in the number of phase-field variables allowed to perform, on a single computer, 2D and 3D simulations for thin films for a wide range of volume fractions fV of the particles and for Rlim /r – ratios up to 20 (r is the mean particle radius and Rlim is the final mean grain radius). Such ratios are observed for Al-alloy films. The model requires no assumptions on the shape of the grain boundaries or on the number of particles that is in contact with a grain boundary. The typical dimple-shape of grain boundaries passing a particle is automatically reproduced in the simulations. Moreover, the simulations describe the complete evolution of the grain structure. Therefore, the model allowed studying the influence of the initial grain size on the parameters K and b in the Zener relation Rlim/r=K(1/fVb). Further the effect of film thickness and position of the particles were examined by means of 3D simulations. Materialen voor technische toepassingen, zoals staal en aluminiumlegeringen, zijn meestal heterogeen op een microscopische schaal. Hun microstructuur bestaat uit korrels met een verschillende kristalstructuur, oriëntatie en chemische samenstelling. Microstructuren evolueren in de tijd, o.m. door temperatuursveranderingen en mechanische belastingen. Aangezien de macroscopische eigenschappen van het metaal bepaald worden door de vorm en grootte van de korrels en hun ruimtelijke verdeling, is het belangrijk inzicht te verwerven in de vorming en evolutie van microstructuren. In dit doctoraatsonderzoek werd de evolutie van microstructuren waarin een fijn verdeelde tweede-fase aanwezig is, bestudeerd aan de hand van computersimulaties gebaseerd op de faseveldmethode (E: phase-field method). Kleine tweede-fase deeltjes pinnen de bewegende korrelgrenzen en verhinderen zo vergroving van de microstructuur. Het pinning-effect wordt veelvuldig aangewend bij de ontwikkeling van hoogwaardige materialen, zoals constructiematerialen met hoge sterkte voor de bouw en metallische filmen voor de micro-elektronica. Materials for technical applications, like steel and aluminum alloys, are often heterogeneous on a microscopic scale. Their microstructure consists of grains with a different crystal structure, orientation and chemical composition. Microstructures evolve in time due to, amongst others, temperature variations and mechanical loads. Since the macroscopic properties of a material depend on the shape and size of the grains and their spatial distribution, it is important to gain insight into the formation and evolution of microstructures. In this doctoral research the evolution of microstructures containing a finely dispersed second-phase was studied by means of computer simulations based on the phase-field method. Small second-phase particles pin the moving grain boundaries and therefore inhibit coarsening of the microstructure. The pinning effect is widely applied in the development of advanced materials, such as high-strength materials for structural applications and metallic films for micro-electronic devices.

Academic collection --- 669 <043> --- 548.5 <043> --- 536 <043> --- Metallurgy--Dissertaties --- Formation, growth and solution of crystals--Dissertaties --- Heat. Thermodynamics--Dissertaties --- Theses --- 536 <043> Heat. Thermodynamics--Dissertaties --- 548.5 <043> Formation, growth and solution of crystals--Dissertaties --- 669 <043> Metallurgy--Dissertaties