Termodynamika i właściwości fizyczne stopów - zastosowanie w przemyśle

Transkrypt

1 Termodynamika i właściwości fizyczne stopów - zastosowanie w przemyśle Marcela Trybuła Władysław Gąsior Alain Pasturel Noel Jakse

2 Plan: 1. Materiał badawczy 2. Eksperyment Metodologia 3. Teoria Metodologia 4. Podsumowanie

3 Materiał badawczy: Stopy: Al Li Al Zn Li Zn Al Li Zn

4 Materiał badawczy: Stopy: Al Li, Li Zn, Al Zn, Al Li Zn * nowe rozwiązania technologiczne: materiały do magazynowania wodoru stop Al Li Zn * lekkie stopy metali: Al Li, Li Zn, Al Li Zn mały ciężar właściwy, wysoki moduł Younga, duża wytrzymałość * znajomość równowag fazowych w obszarze bogatym w Al projektowanie i kontrola właściwości stopów

5 Eksperyment: Metodologia: * metoda elektrochemiczna pomiar siły elektromotorycznej (SEM) G ex i zfe RT ln x i * metoda Roach-Henein jednoczesny pomiar gęstości, lepkości i napięcia powierzchniowego (metoda swobodnego wypływu cieczy z otworu w tyglu pod wpływem grawitacji) Problemy: dobór materiału na tygiel wymagana duża objętość cieczy

6 Teoria: Metodologia: Klasyczna dynamika molekularna CMD Dynamika molekularna ab initio AIMD Metoda obliczeń diagramów fazowych - CALPHAD

7 Teoria: * symulacja własności fizykochemicznych i strukturalnych opis natury oddziaływań badanie dynamiki zachodzących procesów * przewidywanie właściwości objętościowych (stałe sieciowe, stałe elastyczne, etc) * opis właściwości energetycznych i powierzchniowych * symulacja właściwości termicznych: entalpia mieszania, ciepło właściwe, współczynnik ekspansji termicznej * charakterystyka stopów wieloskładnikowych termodynamika (Al-Li-Zn) równowagi faz, temperatura linii likwidus, solidus

8 V[A] Klasyczna dynamika molekularna CMD : potencjały oddziaływania: Empirical Oscillating Pair Potential EOPP Embedded Atom Model EAM Modified Embedded Atom Model - MEAM 0.20 AlAl AlZn ZnZn Oprogramowanie: LAMMPS Stop Al-Zn r[a]

9 g AlZn (r) g ZnZn (r) g AlAl (r) CMD Stop Al90-Zn10 Właściwości strukturalne: CMD DFT * Cząstkowa radialna funkcja gęstości atomów funkcja korelacji par - g ij (r) g( r) n( r)/(4 r) r[a] CMD DFT CMD DFT r[a] r[a] N.Jakse et al. J.Chem. Phys. 137 (2012)

10 CMD StopyAl90-Zn10 Właściwości transportowe - dyfuzja: MSD Al 150 MSD Al w Al90Zn10 - MSD Al MSD Zn w Al90Zn10 - MSD Zn t[ps] MSD - Al90Zn10 - MSD AlZn CMD DFT MSD AlZn MSD Zn CMD DFT t[ps] CMD DFT t[ps] N.Jakse et al. J.Chem. Phys. 137 (2012)

11 CMD Stop Au-Si Właściwości strukturalne: * Cząstkowa radialna funkcja gęstości atomów funkcja korelacji par - g ij (r) g( r) n( r)/(4 r) N.Jakse et al. J.Chem. Phys. 137 (2012)

12 CMD Stop Au-Si 1400 K Właściwości transportowe - dyfuzja: 400 K <R 2 (t)> Au w AuSi - <R 2 (t)> Au/AuSi <R 2 (t)> Si w AuSi - <R 2 (t)> Si/AuSi <R 2 (t)> - AuSi - <R 2 (t)> AuSi Kwadrat średniego przesunięcia atomu < R 2 (t) > 2 R ( t) 1 N N i 1 [ r ( t) i r ( t i 0)] CMD1 CMD2 eksperyment Dyfuzja < R 2 (t) > 2 R ( t) D lim t 6t N.Jakse et al. J.Phys.Condes.Matter. 137 (2012)

13 Metoda ab-initio: * Teoria Funkcjonału Gęstości - DFT kwantowo-mechaniczny opis oddziaływani między elektronami a rdzeniem atomowym definicja funkcjonału korelacyjno-wymiennego E xc : przybliżenie lokalnej gęstości LDA przybliżenie uogólnionego gradientu GGA baza zbioru orbitali przybliżenie fal płaskich kontrola zbieżności i dokładność obliczeń sił, ciśnienia, naprężeń wprowadzenie pseudopotencjału istotny do obliczeń metali z orbitalami powłok d i f Oprogramowanie: GAUSSIAN John Pople VASP (Vienna ab-inito Simulation Package) Georg Kresse i Jurgen Hafner

14 * dynamika molekularna ab initio - AIMD Entalpia mieszania Au-Si 1375K --- CMD AIMD CALPHAD eksperyment N.Jakse et al. J.Phys.Condes.Matter. 137 (2012)

15 * dynamika molekularna ab initio - AIMD współczynnik samo-dyfuzji Au w stopie Au-Si MEAM1 MEAM zmodyfikowany AIMD eksperyment N.Jakse et al. J.Phys.Condes.Matter. 137 (2012)

16 * dynamika molekularna ab initio - AIMD lepkość Cu - Zr K 1500K eksperyment N.Jakse and A.Pasturel Phys Rev B. 137 (2008)

17 CALPHAD: * metody obliczenia diagramu fazowego CALPHAD konieczność posiadania danych eksperymentalnych dokładność modelowania równowag faz praktyczne zastosowanie w projektowaniu materiałów

18 T[C] T[C] Metodologia: * metody obliczenia diagramu fazowego CALPHAD PANDAT Al-Li-Zn 973 K x(al)/x(zn)=0.12/0.88 współczynnik aktywności litu a Li exp Guo [7] Mugg [9] x(li) x(li) X Li

19 Metodologia: * metody obliczenia diagramu fazowego CALPHAD badanie relacji między składem a procesami (przejście fazowe) temperatura krzywej likwidus obliczanie funkcji termodynamicznych zależnych od temperatury, ciśnienia i składu chemicznego modele termodynamiczne: model podsieci stały roztwór metaliczny model przypadkowe mieszanie random mixing atomu centralnego ciekłe roztwory metaliczne??

20 Atom swobodnej objętości FVM gęstość energia Gibbsa, entropia entalpia mieszania Atom swobodnej objętości gęstość entalpia mieszania

21 FVM termodynamika nadmiarowe funkcje (energia Gibbsa, Roztwory metaliczne entropia) z entalpii mieszania i gęstości 8 7 T S exp [24] H mix G mix [kj/molk] T S mix [kj/molk] T S old T S new H mix G exp [24] G old G new β Al Zn old new Al-Zn K X Zn

22 Podsumowanie: * wzajemna komplementarność metod w ocenie właściwości fizykochemicznych, strukturalnych, transportowych: klasyczna dynamika molekularna CMD metody ab-initio: DFT metoda CALPHAD * uniwersalność metody Roach-Henein jednoczesny pomiar gęstości, lepkości i napięcia powierzchniowego

23 Zastosowanie: * nierównowagowe krzepnięcie stopów * modelowanie procesów technologicznych * analiza procesów na granicy stop/żużel

24 Dziękuję za uwagę

25