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 3-4 relevante miniprosjekter.

Læringsutbytte

Etter vellykket gjennomføring av kurset skal studentene ha

Kunnskap

• til å utlede og sammenligne ulike fastløsningsmodeller for binære legeringer
• til å lage en enkel modell for hvordan løselighet og vakanskonsentrasjon endrer seg med temperaturen
• til å kjenne igjen hovedbestanddelene i CALPHAD-metoden for multikomponentlegeringer
• til å gjøre rede for atomistiske og kontinuerlige beskrivelser av diffusjon
• til å beskrive geometriske og strukturelle aspekter ved fasegrenser og forklare hvordan disse henger sammen med grenseflateenergier og mobiliteter
• til å forklare det teoretiske grunnlaget for fasetransformasjoner ved kimdannelse og vekst
• til å skille mellom homogen og heterogen størkning og utfelling
• til å matematisk formulere ligninger for vekst og oppløsning av sekundærfasepartikler
• til å utlede og diskutere JMAK-kinetikk
• til å formulere en enkel varmemodell for størkning
• til å tolke iso-kinetiske løsninger for oppløsning og vekst av sekundærfaser

Ferdigheter

• til å beregne og analysere enkle binære fasediagrammer ved bruk av grunnleggende termodynamiske data og modeller
• til å utføre analytiske og numeriske beregninger av utvalgte relevante diffusjonsproblemer
• til å løse numerisk 1D-diffusjonsproblemer ved bruk av både eksplisitt og implisitt numeriske skjema
• til å vurdere forskjeller mellom eksplisitte og implisitte numeriske beregningsmetoder
• til å utlede Darkens lov for interdiffusjon i en binær legering
• til å kombinere analytiske og numeriske beregninger for kinetikk og mikrostrukturutvikling under både isotermiske og ikke-isotermiske varmebehandlinger
• til å analysere og sammenligne hvordan legeringssammensetning og varmebehandlingsprosedyrer påvirker vekst og oppløsning av sekundærfasepartikler i binære/kvasibinære legeringer under isotermiske og ikke-isotermiske varmebehandlinger, inkludert iso-kinetiske løsninger
• til å lage koblede mikrostruktur-varmemodeller for størkning
• til å finne informasjon fra vitenskapelige kilder og vurdere påliteligheten til informasjonen
• til å lage gode presentasjoner av prosjektarbeid for medstudenter i plenum, samt gi tilbakemeldinger på andres arbeid

Generell kompetanse

• til å analysere og diskutere begrensninger og gyldighet av relevante teoretiske modeller i forhold til reelle problemstillinger og industrielle forhold
• til å samarbeide om et prosjekt i en liten gruppe
• til å utarbeide gode og informative presentasjoner av resultater fra prosjektarbeid og holde muntlige presentasjoner

Læringsformer og aktiviteter

Forelesninger, mini-beregningsoppgaver samt 3-4 modelleringsprosjekter med innlevering av skriftlig rapport (presentasjon), fremføring i plenum og individuell utspørring. Beregningsoppgavene og 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 3-4 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 lagt ut på internett.