Faglig innhold

Emnet omfatter det teoretiske grunnlaget for forståelse av fasetransformasjoner i metaller samt modeller og metoder for en matematisk og numerisk beskrivelse av noen teknologiske viktige fasetransformasjoner i metaller (med hovedvekt på aluminium) som er bestemmende for utvikling av mikrostruktur og egenskaper under støping og termisk bearbeiding (varmebehandling/sveising). Etter en kort beskrivelse av det termodynamiske grunnlaget for fasetransformasjoner, basert på en fortolkning av enkle binære fasediagrammer, gjennomgås den atomære og matematiske beskrivelsen av diffusjon og geometriske og strukturelle aspekter ved fasegrenser. Deretter gjennomgås i større detalj fasetransformasjoner ved kimdanning og vekst: størkning ved homogen og heterogen nukleasjon, presipitering, vekst og oppløsing av partikler i fast fase, rekrystallisasjon, og kornvekst, herunder Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) kinetikk, samt forutsetninger for og beskrivelse av additivitet og iso-kinetiske reaksjoner. Temaene vil bli presentert og analysert v.hj. av relevante matematiske/numeriske modeller som studentene selv skal implementere og anvende/utforske gjennom 3 relevante miniprosjekter.

Læringsutbytte

Etter å ha fullført emnet skal studentene kunne:

• Utvikle og bruke termodynamiske modeller for legeringer, inkludert å utlede og sammenligne fastløsningmodeller, estimere temperaturavhengig løselighet og vakanskonsentrasjon, samt beregne og analysere enkle binære fasediagrammer. De skal også forstå hovedprinsippene bak CALPHAD for flerkomponentsystemer.
• Modellere diffusjon i materialer på tvers av skalaer, ved å forklare atomistiske og kontinuerlige beskrivelser, utlede sentrale relasjoner som Darkens ligninger, og løse representative diffusjonsproblemer analytisk og numerisk (inkludert 1D eksplisitte og implisitte skjemaer med kritisk vurdering av nøyaktighet og stabilitet).
• Modellere faseomvandlingskinetikk og mikrostrukturutvikling, inkludert nukleasjon og vekst (homogen vs. heterogen), vekst/oppløsning av partikler, JMAK-kinetikk og isokinetiske løsninger, både for isotermiske og ikke-isotermiske varmebehandlinger.
• Implementere koblede prosess-mikrostruktur-simuleringer, for eksempel ved å kombinere varmeoverføring og mikrostrukturmodeller for størkning, og bruke slike modeller til å analysere hvordan sammensetning og termisk prosessering påvirker omvandlingsforløp.
• Kritisk evaluere modeller og vitenskapelige kilder, ved å vurdere antakelser, gyldighet og begrensninger i teoretiske og numeriske tilnærminger opp mot reelle materialer og industrielle prosessbetingelser, samt bedømme påliteligheten av informasjon fra litteraturen.
• Samarbeide i team og formidle resultater tydelig, gjennom prosjektarbeid i små grupper, og gi profesjonelle muntlige presentasjoner.

Læringsformer og aktiviteter

Forelesninger, mini-beregningsoppgaver samt 3 modelleringsprosjekter med innlevering av skriftlig rapport (presentasjon), fremføring i plenum og individuell utspørring. Modelleringsprosjektene danner grunnlag for sluttkarakteren i emnet. Total arbeidsmengde (programmert undervisning og egenarbeid) er estimert til ca 200 timer.

Anbefalte forkunnskaper

Grunnleggende kunnskaper i materialteknologi er nødvendig, f.eks. eksamen i emnene TMT4171 Innføring i Materialteknologi og TMT4178 Anvendt Materialteknologi eller TMT4185 Materialteknologi eller tilsvarende forkunnskaper som av faglærer vurderes tilstrekkelige til å følge kurset. Videre forutsettes grunnleggende kunnskap om termodynamikk og fasediagram. Kurset vil omfatte 3 mini modelleringsprosjekt som forutsetter/krever fortrolighet med numeriske metoder samt implementering av matematiske/numeriske modeller i Python eller tilsvarende.

Kursmateriell

Utdrag fra D.A. Porter and K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys. Utvalgte og relevante vitenskapelige artikler. I tillegg vil forelesningsnotater bli gjort tigjengelig.