Effects of solid-solid boundary anisotropy on directional solidification microstructures - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2015

Effects of solid-solid boundary anisotropy on directional solidification microstructures

Effects de l'anisotropie solide-solide sur les microstructures de solidification directionnelle

Abstract

The microstructures arising from the solidification processing possess various types of boundaries: solid(S)-liquid(L) interfaces, grain boundaries (GB), interphase boundaries (IB). Whereas solid-liquid interface has been investigated extensively, relatively little attention has been paid to the S-S boundaries (GB and IB). Recently, it has been found that S-S boundary anisotropy can also have a significant influence, particularly on the overall orientation selection of the growing patterns. The present thesis investigates the effects of GB and IB anisotropy through simulations of solidification morphologies. We use a recent multi-phase field model for this study. In essence, we work with a grand-canonical functional combining the interfacial and bulk free energies of the system and then minimising it with respect to the field variables to obtain the equations of motion for the phase fields and the composition fields. We use this code to study three problems stemming from the directional solidification of lamellar eutectics and polycrystals with a particular focus on the effects of the solid-solid boundary anisotropy. During thin-film directional solidification experiments on lamellar eutectics, it has been observed that in response to the IB anisotropy, lamellae grow at an angle with the growth axis. We characterize this drift angle using our numerical simulations and then compare it successfully with a recent theoretical prediction. Then, we exploit this IB anisotropy in bulk lamellar eutectics to understand the emergence of certain minimum energy directions in the system leading to preferred orientations in the microstructure. Then, we repeat our thin-film eutectic study for polycrystals with grain boundaries, motivated by the fact that anisotropic low-angle grain boundaries or sub-boundaries grow at an angle with respect to the growth axis. We quantify this tilt angle and compare it successfully with a recent analytical prediction. In this way, we establish the influence of the solid-solid boundary anisotropy on the directionally solidified microstructures.
Les microstructures qui se forment lors de la solidification d'alliages contiennent différent types d'interfaces: des interfaces solide-liquid (SL), des joints de grain (grain boundaries, GB) et des joints interphase (interphase boundaries, IB). Tandis que les interfaces solide-liquide ont beaucoup été étudiés, les interfaces solide-solide (GB et IB) ont reçu peu d'attention. Récemment, il a été démontré que l'anisotropie de ces interfaces solide-solide peut aussi avoir une influence marquée, en particulier sur la texture et les orientations des motifs sélectionnés. Dans cette thèse, la relation entre anisotropie solide-solide et sélection morphologique est étudiée à l'aide de simulations numériques de microstructures de solidification. Nous utilisons un modèle multi-champ-de-phase récemment développé. Ce modèle est basé sur une fonctionnelle grand-canonique qui combine les énergies libres de volume et de surface. Sa minimisation donne les équations de mouvement pour les champs de phase et de concentration. Ce code est utilisé pour examiner trois problèmes qui viennent de la solidification directionnelle d'alliages eutectiques et dilués, avec une attention particulière aux effets de l'anisotropie des interfaces solide-solide. Durant la solidification d'alliages eutectiques en échantillons minces, il a été observé qu'en réponse à l'anisotropie des IB, les lamelles eutectiques croissent dans une direction qui fait un angle bien défini avec la direction de croissance principale. Nous caractérisons cet angle dans nos simulations numériques, et trouvons un bon accord avec une théorie récente de la croissance anisotrope. Ensuite, nous examinons le lien entre l'anisotropie des IB et l'émergence d'orientations préférentielles dans des systèmes étendus. Finalement, nous répétons notre étude d'échantillons minces pour des polycristaux, dans lesquels des GB de faible désorientation croissent également avec un angle défini par rapport à la direction principale de croissance. Nous déterminons cet angles de croissance et trouvons à nouveau un bon accord avec des prédictions théoriques. De cette manière, nous confirmons l'influence de l'anisotropie solide-solide sur les microstructures de solidification directionnelle.
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Dates and versions

tel-01204752 , version 1 (24-09-2015)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01204752 , version 1

Cite

Supriyo Ghosh. Effects of solid-solid boundary anisotropy on directional solidification microstructures. Engineering Sciences [physics]. Ecole Polytechnqiue, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01204752⟩
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