Integrated phase-field model with redistribution and long-range diffusion on sublattices

  • In this work, a novel phase field model for the simulation of metals at the microstructure level was developed, which does not require external minimisation methods and equilibrium calculations to determine thermodynamic values. The basis for this model is provided by the sublattice models of the CALPHAD databases, which were implemented consistently in model and code for the first time. For this purpose, CALPHAD methods were directly integrated into the model and further optimised so that microstructure evolution and diffusion can be predicted solely on the basis of modern databases for Gibbs free energies and atomic mobilities. This allows for dramatic speed increases due to the possibilities of parallelisation, elimination of computationally intensive processes, and non-optimised third-party software. In order to test the theory and the implementation in the commercial OpenPhase© software, various test scenarios were designed and compared with reference results.
  • In dieser Arbeit wurde ein neuartiges Phasenfeldmodell zur Simulation von Metallen auf Mikrostrukturebene erarbeitet, welches ohne externe Minimierungsmethoden und Gleichgewichtsberechnungen zur Bestimmung von thermodynamischen Werten auskommt. Die Basis für dieses Modell liefern die Untergittermodelle der CALPHAD-Datenbanken, die erstmals konsequent in Modell und Code implementiert wurden. Dazu wurden CALPHAD-Methoden in das Modell direkt integriert und weiter optimiert, so dass Mikrostrukturevolution und Diffusion allein auf der Basis von modernen Datenbanken für freie Gibbs-Energien und atomaren Mobilitäten vorhergesagt werden können. Dies ermöglicht drastische Geschwindigkeitssteigerungen durch die Möglichkeiten der Parallelisierung, Wegfall von berechnungsintensiven Prozessen sowie nichtoptimierter Drittsoftware. Um die Theorie und die Implementierung in der kommerziellen OpenPhase© Software zu testen, wurden diverse Testszenarien entworfen und mit Referenzergebnissen abgeglichen.

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Metadaten
Author:Matthias StratmannGND
URN:urn:nbn:de:hbz:294-77392
DOI:https://doi.org/10.13154/294-7739
Referee:Ingo SteinbachORCiDGND, Rainer Schmid-FetzerGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2021/01/25
Date of first Publication:2021/01/25
Publishing Institution:Ruhr-Universität Bochum, Universitätsbibliothek
Granting Institution:Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Maschinenbau
Date of final exam:2020/05/11
Creating Corporation:Fakultät für Maschinenbau
Tag:Computersimulation; Thermodynamik
GND-Keyword:Diffusionsmodell; Phasendiagramm; Phasenfeldmodell; Phasengleichgewicht; Simulation
Institutes/Facilities:Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS), Department of scalebridging thermodynamic and kinetic simulation (STKS)
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften, Maschinenbau
faculties:Fakultät für Maschinenbau
Licence (German):License LogoKeine Creative Commons Lizenz - es gelten der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht