Microstructure development during phase transformations [Elektronische Ressource] : simulations and experiments / Eric A. Jägle. Betreuer: Eric J. Mittemeijer

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
(ehemals Max-Planck-Institut für Metallforschung)
Stuttgart






Microstructure development during phase
transformations: simulations and experiments
Eric A. Jägle






Dissertation
an der
Universität Stuttgart


Bericht Nr. 237
Oktober 2011
2Microstructuredevelopmentduring
phasetransformations:
simulationsandexperiments
VonderFakultätChemiederUniversitätStuttgartzurErlangungder
WürdeeinesDoktorsderNaturwissenschaften(Dr. rer. nat.)
genehmigteAbhandlung
Vorgelegtvon
EricA.Jägle
ausTuttlingen
Hauptberichter Prof. Dr. Ir. E.J.Mittemeijer
Mitberichter Prof. Dr.-Ing. C.Miehe
Prüfungsausschussvorsitzender Prof. Dr. T.Schleid
TagdermündlichenPrüfung 05.10.2011
MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR INTELLIGENTE SYSTEME
(EHEMALS MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR METALLFORSCHUNG)
INSTITUT FÜR MATERIALWISSENSCHAFT DER UNIVERSITÄT STUTTGART
2011Evertried. Everfailed. Nomatter.
Tryagain. Failagain.
Failbetter.
SamuelBeckettContents
1 Introduction 11
1.1 Interplay of the phase transformations and the microstruc-
tureofsolids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1 Step1: Modellingthephase-transformationmechanism 12
1.1.2 Step2: Predictingtheproductmicrostructure . . . . . . 14
1.1.3 Scopeofthethesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Kineticmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.1 TheclassicalJMAKandJMAK-likemodels; themod-
ularapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.2 BeyondJMAKmodels;thecaseofnon-randomnucle-
ation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Mesoscopicsimulationmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 Investigatedphasetransformations . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5 Organisationofthethesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 Predicting microstructures from phase transformation kinetics 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 ModellingofGrain-SizeDistributions . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 MethodsforMicrostructureSimulation . . . . . . . . . 26
2.2.2 Methodemployed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 SimulationParametersandValidationoftheAlgorithm 32
2.3 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 IsochronalHeating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2onalCooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 Simulation of the kinetics of GBN phase transformations 45
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 KineticModels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 SimulationMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7Contents
4 Modelling of the kinetics of GBN phase transformations 53
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 KineticModels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.1 Randomnucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.2 Grain-boundarynucleation . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.3 Kineticparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 GeometricSimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.1 SimulationPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.2 Constructionoftheparentmicrostructure . . . . . . . . 61
4.4 Resultsandevaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.1 Generalassessmentofmodelappropriateness . . . . . 63
4.4.2 Roleoftheratiooftheparentandproductgrainsizes . 64
4.4.3 Roleoftheparentmicrostructure . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.4 RoleofthetypeofGBNtransformationkinetics . . . . 68
4.4.5 Simultaneousfittingofkineticmodelstoasetofnon-
isothermaltransformationruns . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5 Generaldiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5 Phase-transformation kinetics: atomistic and mesoscopic simulations 77
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Themodularmodelfortransformationkinetics . . . . . . . . . 78
5.3 AtomisticSimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.1 Simulationalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.2 Theactivationenergyforgrowth . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.3 Influenceoftheexcessvolumeintheparent/product
interfaceoninterfacemigration . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4 Mesoscopicmicrostructuresimulations . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.1 Simulationalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.2 Predictionofgrain-sizedistributions . . . . . . . . . . . 87
5.4.3 Effectsofnon-randomnucleation . . . . . . . . . . . . 91
5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6 Recrystallisation of copper: experimental evidence 97
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Literaturesurvey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.1 Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.2 Microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3 Experimentaldetailsandsimulationmethod . . . . . . . . . . 103
6.3.1 Specimenpreparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8Contents
6.3.2 Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3.3 EBSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.3.4 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.4 Resultsandevaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4.1 Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4.2 EBSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5 GeneralDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.6.1 Recrystallisationofcopper . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.6.2ingeneral . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7 Recrystallisation of copper: simulations 127
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.2 Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.3 Employednucleationandgrowthmodels . . . . . . . . . . . . 131
7.3.1 “Nucleation” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3.2 Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4 Simulationmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.4.1 Setupofthedeformedmicrostructure . . . . . . . . . . 135
7.4.2 Cellularautomatonalgorithm. . . . . . . . . . . . . . . 139
7.4.3 Nucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.4.4 Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.5.1 Growthkinetics: anisotropicgrowthduetomisorientation-
dependentgrain-boundarymobility . . . . . . . . . . . 143
7.5.2 Influenceofthesubgrain-sizedistribution,thesubgrain-
energydistributionandthenucleationmodel . . . . . 150
7.6 ConcludingDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8 Kinetics of the allotropic hcp-fcc phase transformation in cobalt 161
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.2 TheoreticalBackgroundofTransformationKinetics . . . . . . 162
8.2.1 ThehcpfccTMechanism . . . . . . . . 163
8.2.2 Nucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.2.3 Interface-controlledgrowth . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.2.4 ExtendedFraction,TransformedFractionandImpinge-
ment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.3 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.3.1 AlloyProduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9Contents
8.3.2 DifferentialScanningCalorimetry . . . . . . . . . . . . 171
8.3.3 X-RayDiffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.3.4 LightMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.4 ResultsandEvaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.5 AnalysisoftheTransformationKinetics . . . . . . . . . . . . . 177
8.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.6.1 Precedingtransformationcycles . . . . . . . . . . . . . 181
8.6.2 Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9 Summary 185
9.1 SummaryintheEnglishlanguage . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.2 ZusammenfassunginderdeutschenSprac