O ICM     CENTRUM  OBLICZENIOWE     DZIAŁALNOŚĆ  NAUKOWA     WYDARZENIA     EDUKACJA     ARCHIWUM     
Wieloskalowe modelowanie zjawiska rozrostu ziarna...
ICM Działalność naukowa Projekty
   STRONA GŁÓWNA   |   NAPISZ DO NAS LIST   |   MAPA SERWISU   |


Wieloskalowe modelowanie zjawiska rozrostu ziarna w materiałach nanokrystalicznych



Projekt badawczy MNiI nr 3 T08A 043 28

Okres realizacji projektu: 30 miesięcy
Termin rozpoczęcia:    11 maja 2005
Termin zakończenia:   11 listopada 2007


Kierownik projektu: dr Maria Gokieli
Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego, Uniwersytet Warszawski


Główni wykonawcy:

Główni wykonawcy Tomasz Wejrzanowski
,
Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej
Jacek Piechota,
ICM, Uniwersytet Warszawski
Marek Niezgódka,
ICM, Uniwersytet Warszawski
Witold Rudnicki,
ICM, Uniwersytet Warszawski
Robert Sot,
ICM, Uniwersytet Warszawski
Wydział Iżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej


Cel projektu
Przez ziarno rozumiemy obszar materiału, w szczególności metalu lub stopu metali, o jednolitej budowie krystalicznej. Przedmiotem projektu są materiały, w których wielkość ziarna jest nanometryczna; materiały te charakteryzują się zwykle znacznie lepszymi właściwościami niż materiały tradycyjne, o mikrometrycznej wielkości ziarna.
Naszym celem jest opracowanie i weryfikacja serii modeli opisujących w sposób ilościowy zmiany struktury wywołane zjawiskiem rozrostu ziarna w tych materiałach.
Zjawisko to jest powszechnie obserwowanym procesem w materiałach poddanych działaniu podwyższonych temperatur. Niemniej w przypadku materiałów o strukturze nanokrystalicznej procesy destabilizacji struktury obserwowane są w temperaturach znacznie niższych niż w materiałach tradycyjnych; badania eksperymentalne wykazują też, że zachodzą one bardzo gwałtownie. Stąd nabiera tu ono szczególnego znaczenia.
Przyczyny występowania zjawiska rozrostu ziarna w tych warunkach związane są prawdopodobnie ze znacznie wyższą energia wewnętrzną materiałów nanokrystalicznych w stosunku do materiałów tradycyjnych, na skutek znacznie większego udziału granic ziaren. Jednakże mechanizmy odpowiedzialne za rozrost ziaren w tych materiałach, ze względu na ich złożoność, nie są do końca znane.

Metoda realizacji
Metody wykorzystane w celu budowy modelu opisującego rozrost ziaren w jednofazowych materiałach nanokrystalicznych polegać będą na spójnym powiązaniu kilku poziomów opisu materiału:

Parametry materiałowe potrzebne do modelowania na wyższym poziomie będą obliczane przy użyciu bardziej dokładnych modeli niższego poziomu. Zastosowanie obliczeń numerycznych w skali atomowej, a następnie przeniesienie danych z tych obliczeń do modelu w skali mezo- i makroskopowej daje możliwość uwzględnienia w tych ostatnich rzeczywistych podstaw fizycznych zjawiska, pozwalając jednocześnie na redukcję parametrów opisu do jedynie istotnych, a zarazem uniknięcie zbyt dużej złożoności obliczeniowej. Wykonywanie symulacji w oparciu o model wychodzący z pierwszych zasad i uwzględniający mechanizmy oddziaływań oraz geometrię poziomu kwantowego oczywiście daleko przekracza obecne możliwości obliczeniowe, nawet gdy mamy do czynienia z wymiarem rzędu kilku czy kilkunastu nanometrów.
Dodatkowym elementem, podnoszącym w znaczący sposób wiarygodność modelu, będzie zbudowanie geometrii modelowej struktury materiału na podstawie eksperymentalnych badań struktury.

Przedmiot badań
W celu zawężenia obszaru doboru materiału badania przeprowadzamy na aluminium i jego stopach. Nie ogranicza to jednak możliwości rozszerzenia zakresu potencjalnych zastosowań na inne nanomateriały. Założenia przyjęte w modelu pozwolą także w przyszłości na badanie zjawiska rozrostu ziarna w materiałach wielofazowych, oraz badanie ewolucji struktury z uwzględnieniem dodatkowych czynników zewnętrznych, takich jak np. ciśnienie (analiza rozrostu ziaren w czasie spiekania). Chcielibyśmy również, aby zrozumienie badanych mechanizmów pozwoliło na projektowanie nowych materiałów nanokrystalicznych (w szczególności kompozytowych) o znacznej stabilności termicznej.

Bibliografia
  1. T. Wejrzanowski, K.J. Kurzydlowski. Modelling of the Influence of the Grain Size Distribution on the Grain Growth in Nanocrystals, Solid State Phenomena, w druku.
  2. M. Furukawa, Z. Horita, M. Nemoto, R.Z. Valiev, T. G. Langdon. Microstructural Characteristics of an Ultrafine Grain Metal Processed with Equal-Channel Angular Pressing, Materials Characterization 37, 277, 1996.
  3. J. Lian, R.Z. Valiev, B. Baudelet. On the Enhenced Grain Growth in Ultrafine Grained Metals. Acta metal. mater. Vol. 43, No. 11, 4165, 1995.
  4. Z. Yang, S. Sista, J.W Elmer, T. Debroy. Three dimensional Monte Carlo simulation of grain growth during GTA welding of Titanium, Acta mater. 48, 4813, 2000.
  5. R. A. Andrievski. Review Stability of nanostructured materials. J. Materials Science, v.38, No7, 1367, 2003.
  6. A.E. Lobkovsky, A. Karma, M.I. Mendelev, M. Haataja, D.J. Srolovitz. Grain shape, grain boundary mobility and the Herring relation, Acta Materialia 52, 285, 2004.
  7. O. Hunderi, N. Ryum. The influence of spatial grain growth correlation on normal grain growth in one dimension. Acta mater. Vol. 44, 1673, 1996.
  8. J. Van der Waals, The thermodynamic theory of capillarity under the hypothesis of continuous variation of density. Vernhandel. Konink. Akad. Weten. Amsterdam, 1, 1893.
  9. J.W. Cahn, J.E Hilliard, Free energy of a nonuniform system, I interfacial free energy. J.Chem.Phys. 28, 258, 1958.
  10. J.W. Cahn, Spinodal decomposition ? a reprise. Acta Metall. 19, 151, 1971.
  11. J.W. Cahn, A.Novick-Cohen, Evolution equations for phase separation and ordering In binary alloys, J.Stat.Phys 70, 877, 1994.
  12. M. Niezgódka, J. Sprekels: Convergent numerical approximations of the thermomechanical phase transitions in shape memory alloys, Numerische Math., 1990.
  13. N. Kenmochi, M. Niezgódka, M. Otani: Mathematical aspects of modelling structure formation phenomena, Gakkotosho, Tokyo, 2002.
  14. G.B. Olson: Designing a new material world, Science 288, 993, 2000.
  15. P. Hohenberg, W. Kohn: Phys. Rev. B136, 864, 1964.
  16. D. Fan, L.-Q. Chen: Computer simulation of grain growth using a continuum field model, Acta Metall. 45, 611, 1997
  17. C. Krill, L.-Q. Chen: Computer simulation of 3-D grain growth using a phase-field model, Acta Materialia 50, 3057, 2002.