Numerische Simulationen zur Mikrostrukturcharakterisierung | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Britta Nestler , Ruhr-Universität Bochum | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Bei der Herstellung von Werkstoffen und bei der anschließenden Fertigung von Bauteilen treten in den meist mehrkomponentigen Materialsystemen eine Vielzahl unterschiedlicher Phasenübergänge, sowohl flüssig-fest als auch fest-fest Umwandlungen auf. Es bilden sich Mikrostrukturen mit komplizierten Grenzflächenmorphologien aus. Beispiele hierfür sind Dendritennetzwerke, eutektische und peritektische Gefüge und polykristalline Kornstrukturen. Die Mobilität und Anisotropie der Grenzflächen haben einen entscheidenden Einfluss auf die Mikrostrukturausbildung und somit auf die charakteristischen Materialeigenschaften. Für die Modellierung von grenzflächendominierten Prozessen hat die Phasenfeldmethode sich als Simulationswerkzeug mit weitreichendem Potenzial für verschiedene Anwendungsfelder erwiesen. Zunächst wird die Formulierung eines Phasenfeldmodells vorgestellt. Anschließend wird ein Simulationsprogramm zur numerischen Lösung der partiellen Differenzialgleichungssysteme skizziert. Für die Beschreibung realer Materialsysteme und komplexer Wachstumsstrukturen ist die Umsetzung paralleler und adaptiver Algorithmen zur effektiven Nutzung von Hochleistungsrechnersystemen erforderlich. Als Anwendungsbeispiele werden zwei- und dreidimensionale Simulationen von polykristallinen Kornstrukturen mit charakteristischen Wachstumsgesetzen und Erstarrungsstrukturen in binären und ternären, metallischen Legierungssystemen gezeigt. In Simulationen kann der Einfluss von Prozessführungsbedingungen und von physikalischen Größen wie z.B. Strömung, Zug- und Druckspannung auf die Gefügeausbildung systematisch analysiert werden mit dem Ziel Material mit bestimmten Eigenschaften zu entwickeln. Neben der Vorhersage der Mikrostruktur und der Materialeigenschaften wurde die Phasenfeldmodellierung zur Beschreibung von Bruch-Versiegelungsvorgängen in Gesteinen und von Schmelzeinschlüssen in geologischen Werkstoffen eingesetzt. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kurzbiographie Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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