Multiskalen-Modellierung basierend auf Phasenfeldmethoden: Konsistenzanalyse zu Wachstums- und Schmelzkinetik in Metallen

• Antragsteller: Mohammed Guerdane, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 214287316

Wir konzentrieren uns im beantragten Projekt auf eine der zentralen Herausforderungen in der Multiskalen-Modellierung, nämlich wie es möglich ist, die Lücke zwischen makroskopischen und atomistischen Ansätzen zu schließen, um eine konsistente quantitative Beschreibung auf allen betrachteten Ebenen zu gewährleisten. Für diese Aufgabe wird einer der vielversprechenden Multiskalen-Ansätze verwendet: Die hierarchische Kopplung der Molekulardynamik- (MD) mit Phasenfeldsimulationen (PF). Die Konsistenz wird durch detaillierte Vergleiche quantitativer Voraussagen der betrachteten Methoden für verschiedene Simulationsanwendungen analysiert. Dazu wird ein typisches Mehrskalenproblem betrachtet, nämlich die Wachstums- und Schmelzkinetik. Die MD Simulationen liefern dabei die physikalischen Größen, die zur Konstruktion der Multiskalen-Modelle benötigt werden. Von zentraler Bedeutung sind dabei die freie Energie des Bulks und der Kristall/Schmelze-Grenzfläche, für deren Bestimmung spezifische Methoden verwendet werden müssen. Die zu untersuchenden reinen und binären Systeme sind: Fe, Al, NiZr und NiAl, für die es erprobte interatomare Potentiale in der Literatur gibt.Die erste Förderungsperiode des Projektes führte zu wesentlichen Erkenntnissen hinsichtlich der Diffusion an der Kristall/Schmelze-Grenzfläche und der Anisotropie der Grenzflächenbreite sowie deren entscheidende Auswirkung auf die Wachstums- und Schmelzkinetik. Diese Erkenntnisse resultierten in eindeutigen Verbesserugen der Konstruktion des phenomenologischen PF-Modells, welche zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit der MD/PF-Kopplung führten. Wir widmen die zweite Antragsperiode dem Verständnis des offensichtlichen Zusammenhangs zwischen diesen Erkenntnissen sowie deren Darstellung in quantitativen Gesetzen und möglichst universellem Verhalten. Insbesondere untersuchen wir die Temperaturabhängigkeit und Anisotropie der Korrelationslänge, auf der der Kristall die Diffusion in der Schmelze beeinflußt. Weitere Analysen sollen den voraussichtlichen Zusammenhang zwischen dieser dynamischen Anisotropie und der strukturellen Anisotropie der Grenzflächenbreite aufklären.Die letztere Anisotropie ist ein Konzept, das wir in der ersten Förderungsperiode für bcc Fe demonstriert haben. Die Erweiterung dieses Konzeptes auf fcc Metalle und binäre Legierungen soll hier untersucht werden und deren Zuverlässigkeit durch die MD/PF-Kopplung beurteilt werden. Das Verständnis der strukturellen und dynamischen Anisotropien der Kristall/Schmelze-Grenzfläche is ein notwendiges Prärequisit für eine genaueModellierung der Dynamik von Grenzflächenmorphologien wie Dendriten und Eutektika. Vor dem Hintergrund der dabei gewonnenen Erkenntnisse diskutieren wir einige klassische Wachstumsmodelle hinsichtlich ihrer Mängel bei der Beschreibung der Wachstumskinetik in Legierungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen