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Phasenumwandlungen in mehrkomponentigen Schmelzen / SPP 1120

Phase Transformations in Multi-Component Melts

17.09.2003

Programmbeschreibung / Programme Summary

Die wichtigste Phasenumwandlung von Metallschmelzen ist die Erstarrung. Es ist das Ziel, den Phasenübergang flüssig-fest in mehrkomponentigen Systemen im Detail zu verstehen. Die Thematik gliedert sich in sich gegenseitig ergänzende Arbeitskomplexe: * Thermodynamik und Transporteigenschaften Die Erstarrung wird kontrolliert durch Wärme- und Massentransport vor der Erstarrungsfront. Daher müssen die relevanten Materialparameter in der fluiden Phase bestimmt werden. * Dynamik der Schmelze Die Temperaturabhängigkeit wichtiger Parameter wird kontrolliert durch die atomare Dynamik und das Relaxationsverhalten in der Schmelze. Von wesentlicher Bedeutung ist der durch konvektive Vorgänge verursachte Wärme- und Massentransport. Es werden daher das Relaxationsverhalten, die Nahordnung, sowie Entmischung und Segregation untersucht. * Erstarrungskinetik Der Erstarrungsprozess wird In-situ beobachtet, um die Kinetik der Wachstumsfront in Abhängigkeit der Versuchsparameter quantitativ zu bestimmen. Auf diese Weise ist es möglich, die experimentell gewonnenen Daten direkt mit den Voraussagen theoretischer Modellansätze zur Beschreibung der Wachstumskinetik in multikomponentigen Legierungen zu vergleichen und zu verifizieren. * Modellierung der Phasenumwandlung Die numerische Behandlung von Modellen (z.B. Phasenfeldmethode) ist von großer Bedeutung. Alle gängigen Simulationstechniken wie Molecular Dynamics, Monte Carlo, Finite Elemente etc. werden zur Behandlung von diskreten und kontinuierlichen Systemen angewendet. Forschungen zu diesen Themenkomplexen führen zu einem detaillierten Verständnis der Erstarrung, begonnen vom Zustand der ungeordneten Schmelze über mögliche Entmischungsvorgänge, über die Bildung von Clustern und deren Ausbildung zu Kristallkeimen, deren Wachstum bis zur Entstehung der Kristall-Phasen und Mikrostrukturen mit ihren charakteristischen Werkstoffeigenschaften im Erstarrungsprodukt. Die systematische Untersuchung dieser physikalischen Vorgänge liefert die Voraussetzung, die Erstarrung technisch relevanter Legierungen unter Nutzung neuer theoretischer Ansätze und der heute zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der Computer-Simulationen zu beschreiben und damit den Werkstoff bereits vor der Erstarrung im Rechner für den Anwendungszweck maßzuschneidern (Virtual Materials Design).

The priority programme aims to develop a detailed understanding and description of phase transformations in multicomponent melts. The scientific work focuses on solidification. Liquid-liquid separation is also subject of the studies. Modern experimental techniques are applied to measure propeties of the melt and the kinetics of the solidification front. The experiments are theoretically described by using and developing proper models and test them by computer simulation. Taking the results together this may lead to a virtual design of materials in the computer. The objectives are grouped into * transport properties The parameters of heat and mass transport are determined in the liquid state, since they control the dynamics of the solidification front. In this respect, specific heat, heat of crystallization, thermal expansion, heat conductivity, diffusion, viscosity and the interfacial energy are of particular interest. * dynamics in the melt The atomic dynamics (on a microscopic scale) is investigated since it affects both atomic ralaxation behaviour and short range ordering in the liquid. These processes are of great importance to understand the atomic attachement from the liquid to the solid phase. Also, the study of fluid dynamics (on a macrospic scale) by natural and forced convection in liquids are subject of the priority programme. * kinetics of solidification The solidification pathway is observed in situ by proper diagnostic means including the utilization of synchrotron radiation. The kinetics of the solidification front is measured in dependence on various experiment parameters as concentration and undercooling. The experimental results are analysed within theories in order to test their validity on the application of casting and other production routes. * modelling in the computer The models to describe the phase transformations (e.g. phase field modelling, Lattice Boltzmann etc.) are continuously developed. All modern techniques of simulation are applied as molecular dynamics, monte carlo simulation, method of finite elements to treat both continuous and discontinuous systems.

Sprecher / Spokesperson:

Professor Dr. Dieter M. Herlach
Institut für Raumsimulation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V.
Postfach 906058 · 51170 Köln
Tel.: (02203) 601-2332 · Fax.: (02203) 601-2255
E-Mail: dieter.herlach@dlr.de

Further Information: www2.dlr.de/RS/AG/UK/DFG1120