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Multiscale analysis of crystalline defect formation in rapid solidification of pure aluminium and aluminium-copper alloys

  • Rapid solidification leads to unique microstructural features, where a less studied topic is the formation of various crystalline defects, including high dislocation densities, as well as gradients and splitting of the crystalline orientation. As these defects critically affect the material’s mechanical properties and performance features, it is important to understand the defect formation mechanisms, and how they depend on the solidification conditions and alloying. To illuminate the formation mechanisms of the rapid solidification induced crystalline defects, we conduct a multiscale modelling analysis consisting of bond-order potential-based molecular dynamics (MD), phase field crystal-based amplitude expansion simulations, and sequentially coupled phase field–crystal plasticity simulations. The resulting dislocation densities are quantified and compared to past experiments. The atomistic approaches (MD, PFC) can be used to calibrate continuum level crystal plasticity models, and theRapid solidification leads to unique microstructural features, where a less studied topic is the formation of various crystalline defects, including high dislocation densities, as well as gradients and splitting of the crystalline orientation. As these defects critically affect the material’s mechanical properties and performance features, it is important to understand the defect formation mechanisms, and how they depend on the solidification conditions and alloying. To illuminate the formation mechanisms of the rapid solidification induced crystalline defects, we conduct a multiscale modelling analysis consisting of bond-order potential-based molecular dynamics (MD), phase field crystal-based amplitude expansion simulations, and sequentially coupled phase field–crystal plasticity simulations. The resulting dislocation densities are quantified and compared to past experiments. The atomistic approaches (MD, PFC) can be used to calibrate continuum level crystal plasticity models, and the framework adds mechanistic insights arising from the multiscale analysis. This article is part of the theme issue ‘Transport phenomena in complex systems (part 2)’.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:T. Pinomaa, M. Lindroos, P. Jreidini, M. Haapalehto, K. Ammar, Lei Wang, S. Forest, N. Provatas, A. Laukkanen
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Philosophical transactions of the Royal Society - Series A
Jahr der Erstveröffentlichung:2022
Organisationseinheit der BAM:5 Werkstofftechnik
5 Werkstofftechnik / 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Royal Society
Verlagsort:London
Jahrgang/Band:380
Ausgabe/Heft:2217
Aufsatznummer:20200319
Erste Seite:1
Letzte Seite:20
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Crystal plasticity; Crystalline defects; Molecular dynamics; Phase field crystal; Phase field method; Rapid solidification
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
DOI:10.1098/rsta.2020.0319
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-542156
ISSN:1364-503X
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:14.01.2022
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:14.01.2022
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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