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Erschienen in: Computational Mechanics 5/2015

01.05.2015 | Original Paper

Phase-field elasticity model based on mechanical jump conditions

verfasst von: Daniel Schneider, Oleg Tschukin, Abhik Choudhury, Michael Selzer, Thomas Böhlke, Britta Nestler

Erschienen in: Computational Mechanics | Ausgabe 5/2015

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Abstract

Computational models based on the phase-field method typically operate on a mesoscopic length scale and resolve structural changes of the material and furthermore provide valuable information about microstructure and mechanical property relations. An accurate calculation of the stresses and mechanical energy at the transition region is therefore indispensable. We derive a quantitative phase-field elasticity model based on force balance and Hadamard jump conditions at the interface. Comparing the simulated stress profiles calculated with Voigt/Taylor (Annalen der Physik 274(12):573, 1889), Reuss/Sachs (Z Angew Math Mech 9:49, 1929) and the proposed model with the theoretically predicted stress fields in a plate with a round inclusion under hydrostatic tension, we show the quantitative characteristics of the model. In order to validate the elastic contribution to the driving force for phase transition, we demonstrate the absence of excess energy, calculated by Durga et al. (Model Simul Mater Sci Eng 21(5):055018, 2013), in a one-dimensional equilibrium condition of serial and parallel material chains. To validate the driving force for systems with curved transition regions, we relate simulations to the Gibbs-Thompson equilibrium condition (Johnson and Alexander, J Appl Phys 59(8):2735, 1986).

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Literatur
1.
Zurück zum Zitat Voigt W (1889) Über die Beziehung zwischen den beiden Elastizitätskonstanten isotroper Körper. Annalen der Physik 274(12):573CrossRef Voigt W (1889) Über die Beziehung zwischen den beiden Elastizitätskonstanten isotroper Körper. Annalen der Physik 274(12):573CrossRef
2.
Zurück zum Zitat Reuss A (1929) Berechnung der Fließgrenze von Mischkristallen auf Grund der Plastizittitsbedingung fiir Einkristalle. Z Angew Math Mech 9:49CrossRef Reuss A (1929) Berechnung der Fließgrenze von Mischkristallen auf Grund der Plastizittitsbedingung fiir Einkristalle. Z Angew Math Mech 9:49CrossRef
3.
Zurück zum Zitat Durga A, Wollants P, Moelans N (2013) Evaluation of interfacial excess contributions in different phase-field models for elastically inhomogeneous systems. Model Simul Mater Sci Eng 21(5):055018CrossRef Durga A, Wollants P, Moelans N (2013) Evaluation of interfacial excess contributions in different phase-field models for elastically inhomogeneous systems. Model Simul Mater Sci Eng 21(5):055018CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Johnson WC, Alexander JID (1986) Interfacial conditions for thermomechanical equilibrium in two-phase crystals. J Appl Phys 59(8):2735CrossRef Johnson WC, Alexander JID (1986) Interfacial conditions for thermomechanical equilibrium in two-phase crystals. J Appl Phys 59(8):2735CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Moelans N, Blanpain B, Wollants P (2008) An introduction to phase-field modeling of microstructure evolution. Calphad 32(2):268CrossRef Moelans N, Blanpain B, Wollants P (2008) An introduction to phase-field modeling of microstructure evolution. Calphad 32(2):268CrossRef
6.
Zurück zum Zitat Chen LQ (2002) Phase-field models for microstructure evolution. Annu Rev Mater Res 32(1):113CrossRef Chen LQ (2002) Phase-field models for microstructure evolution. Annu Rev Mater Res 32(1):113CrossRef
7.
Zurück zum Zitat Ammar K, Appolaire B, Cailletaud G, Forest S (2009) Combining phase field approach and homogenization methods for modelling phase transformation in elastoplastic media. Revue européenne de mécanique numérique 18(5–6):485CrossRef Ammar K, Appolaire B, Cailletaud G, Forest S (2009) Combining phase field approach and homogenization methods for modelling phase transformation in elastoplastic media. Revue européenne de mécanique numérique 18(5–6):485CrossRef
8.
Zurück zum Zitat Khachaturyan A (1983) Theory of structural transformation in solids. Wiley, New York Khachaturyan A (1983) Theory of structural transformation in solids. Wiley, New York
9.
Zurück zum Zitat Spatschek R, Müller-Gugenberger C, Brener E, Nestler B (2007) Phase field modeling of fracture and stress-induced phase transitions. Phys Rev E 75(6):1CrossRef Spatschek R, Müller-Gugenberger C, Brener E, Nestler B (2007) Phase field modeling of fracture and stress-induced phase transitions. Phys Rev E 75(6):1CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Mennerich C, Wendler F, Jainta M, Nestler B (2011) A phase-field model for the magnetic shape memory effect. Arch Mech 63:549MathSciNet Mennerich C, Wendler F, Jainta M, Nestler B (2011) A phase-field model for the magnetic shape memory effect. Arch Mech 63:549MathSciNet
11.
Zurück zum Zitat Schneider D, Schmid S, Selzer M, Böhlke T, Nestler B (2014) Small strain elasto-plastic multiphase-field model. Comput Mech 55(1):27–35CrossRef Schneider D, Schmid S, Selzer M, Böhlke T, Nestler B (2014) Small strain elasto-plastic multiphase-field model. Comput Mech 55(1):27–35CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Schneider D, Selzer M, Bette J, Rementeria I, Vondrous A, Hoffmann MJ, Nestler B (2014) Phase-field modeling of diffusion coupled crack propagation processes. Adv Eng Mater 16(2):142–146CrossRef Schneider D, Selzer M, Bette J, Rementeria I, Vondrous A, Hoffmann MJ, Nestler B (2014) Phase-field modeling of diffusion coupled crack propagation processes. Adv Eng Mater 16(2):142–146CrossRef
13.
Zurück zum Zitat Steinbach I, Apel M (2006) Multi phase field model for solid state transformation with elastic strain. Physica D 217:153CrossRef Steinbach I, Apel M (2006) Multi phase field model for solid state transformation with elastic strain. Physica D 217:153CrossRef
14.
Zurück zum Zitat Apel M, Benke S, Steinbach I (2009) Virtual dilatometer curves and effective youngs modulus of a 3D multiphase structure calculated by the phase-field method. Comput Mater Sci 45(3):589CrossRef Apel M, Benke S, Steinbach I (2009) Virtual dilatometer curves and effective youngs modulus of a 3D multiphase structure calculated by the phase-field method. Comput Mater Sci 45(3):589CrossRef
15.
Zurück zum Zitat Silhavy M (1997) The mechanics and thermodynamics of continuous media, 1997th edn. Springer, BerlinCrossRef Silhavy M (1997) The mechanics and thermodynamics of continuous media, 1997th edn. Springer, BerlinCrossRef
16.
Zurück zum Zitat Kim SG, Kim WT, Suzuki T (1999) Phase-field model for binary alloys. Phys Rev E 60(6 Pt B):7186CrossRef Kim SG, Kim WT, Suzuki T (1999) Phase-field model for binary alloys. Phys Rev E 60(6 Pt B):7186CrossRef
17.
Zurück zum Zitat Plapp M (2011) Unified derivation of phase-field models for alloy solidification from a grand-potential functional. Phys Rev E 84(3):031601CrossRef Plapp M (2011) Unified derivation of phase-field models for alloy solidification from a grand-potential functional. Phys Rev E 84(3):031601CrossRef
18.
Zurück zum Zitat Choudhury A, Nestler B (2012) Grand Potential formulation for multi-component phase transformations combined with thin-interface asymptotics of the double obstacle potential. Phys Rev E Stat Nonlinear Soft Matter Phys, pp 1–36 Choudhury A, Nestler B (2012) Grand Potential formulation for multi-component phase transformations combined with thin-interface asymptotics of the double obstacle potential. Phys Rev E Stat Nonlinear Soft Matter Phys, pp 1–36
19.
Zurück zum Zitat Nestler B, Garcke H, Stinner B (2005) Multicomponent alloy solidification: phase-field modeling and simulations. Phys Rev E 71(4):1CrossRef Nestler B, Garcke H, Stinner B (2005) Multicomponent alloy solidification: phase-field modeling and simulations. Phys Rev E 71(4):1CrossRef
20.
Zurück zum Zitat Slawinski MA (2010) Waves and rays in elastic continua, 2nd edn. World Scientific Pub Co, LondonCrossRef Slawinski MA (2010) Waves and rays in elastic continua, 2nd edn. World Scientific Pub Co, LondonCrossRef
21.
Zurück zum Zitat Gross D, Seelig T (2011) Bruchmechanik: Mit einer Einführung in die Mikromechanik. Springer, BerlinCrossRef Gross D, Seelig T (2011) Bruchmechanik: Mit einer Einführung in die Mikromechanik. Springer, BerlinCrossRef
22.
Zurück zum Zitat Mai AK, Singh SJ (1991) Deformation of elastic solids. Prentice Hall, Englewood Cliffs Mai AK, Singh SJ (1991) Deformation of elastic solids. Prentice Hall, Englewood Cliffs
23.
Zurück zum Zitat Cha PR, Yeon DH, Yoon JK (2001) A phase field model for isothermal solidification of multicomponent alloys. Acta Mater 49(16):3295–3307CrossRef Cha PR, Yeon DH, Yoon JK (2001) A phase field model for isothermal solidification of multicomponent alloys. Acta Mater 49(16):3295–3307CrossRef
24.
Zurück zum Zitat Voorhees PW, Johnson WC (1986) Interfacial equilibrium during a first-order phase transformation in solids. J Chem Phys 84(9):5108CrossRef Voorhees PW, Johnson WC (1986) Interfacial equilibrium during a first-order phase transformation in solids. J Chem Phys 84(9):5108CrossRef
25.
Zurück zum Zitat Johnson WC (1987) Precipitate shape evolution under applied stress thermodynamics and kinetics. Metall Trans A 18(2):233–247CrossRef Johnson WC (1987) Precipitate shape evolution under applied stress thermodynamics and kinetics. Metall Trans A 18(2):233–247CrossRef
26.
Zurück zum Zitat Simo J, Hughes T (1998) Computational inelasticity. Springer, New York Simo J, Hughes T (1998) Computational inelasticity. Springer, New York
Metadaten
Titel
Phase-field elasticity model based on mechanical jump conditions
verfasst von
Daniel Schneider
Oleg Tschukin
Abhik Choudhury
Michael Selzer
Thomas Böhlke
Britta Nestler
Publikationsdatum
01.05.2015
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Computational Mechanics / Ausgabe 5/2015
Print ISSN: 0178-7675
Elektronische ISSN: 1432-0924
DOI
https://doi.org/10.1007/s00466-015-1141-6

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