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Theses Year : 2010

Modelling and simulation of phase transformation-mechanics coupling using a phase field method

Modélisation et simulation du couplage changement de phases-mécanique par la méthode des champs de phases

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Kais Ammar

Abstract

A general constitutive framework is proposed to incorporate linear and nonlinear mechanical behaviour laws (i.g. elastoviscoplasticity) into a standard phase field model. A finite element formulation of a coupled phase field/diffusion/mechanical problem for alloys is proposed within the general framework of continuum thermodynamics. This formulation is based on the concept of generalized stresses as proposed by Gurtin, where an additional balance equation for generalized stresses, called microforces, associated with the order parameter and its first gradient, is postulated. The formulation is used to simulate the complex morphological evolutions of the heterogeneous microstructures and to describe the diffuse interface between two phases in the presence of the stresses induced by phase transformation. Using the principles of the thermodynamics of irreversible processes, the balance and constitutive equations are clearly separated in the formulation. Also, boundary and initial conditions for the displacement, concentration and order parameter and their dual quantities are clearly stated within the formulation. The theory is shown to be well-suited for a finite element formulation of the initial boundary value problems on nite size specimens with arbitrary geometries and for very general non-periodic or periodic boundary conditions. In the diffuse interface region where both phases coexist, mixture rules taken from homogenization theory are introduced into the formulation. The consequences of the choice of a specific interface behaviour is investigated, with regard to the mechanical effect on phase equilibria (equilibrium compositions and volume fractions of the coexisting phases), as well as on the transformation kinetics. The set of coupled evolution equations, which are the local static equilibrium, the balance of generalized stresses and the balance of mass, is solved using a finite element method for the space discretization and a finite difference method for the temporal discretization. To validate the numerical finite element implementation and to illustrate the ability of the proposed model to handle precipitation together with mechanical contribution effect, some elementary initial boundary value problem in coupled diusion-elasto-plasticity on finite size specimens has been solved and validated against corresponding sharp interface analytical solutions.
Nous proposons un cadre générique, permettant l'incorporation des différentes lois de comportement de mécanique linéaires ou non-linéaires (i.e. elastoviscoplastique) dans les approches des champs de phases utilisées pour la modélisation et la simulation de la mobilité d'interfaces diffuses. Dans ce cadre, une formulation par éléments finis des modèles couplés champ de phases-élastoplasticité pour les alliages binaires est développée dans le formalisme général de la thermodynamique des milieux continus. Cette formulation est basée sur la théorie d'équilibre des microforces, proposée par Gurtin, où une équation supplémentaire, fonction du paramètre d'ordre et de son gradient, est introduite. La formulation est employée pour simuler les évolutions morphologiques complexes des microstructures hétérogènes et décrire l'interface diffuse entre deux phases en présence des contraintes induites par transformation de phase. En utilisant les principes de la thermodynamique des processus irréversibles, les lois de comportement et les équations d'évolution sont clairement exposées et séparées dans la formulation de sorte que des modèles non-linéaires et fortement couplés puissent être implantés plus facilement dans un code par éléments finis. Cette formulation peut être appliquée aux corps finis périodiques et non périodiques, aux microstructures hétérogènes. Les conditions initiales et les conditions aux limites en paramètre d'ordre et en concentration ainsi que leurs quantités duales sont clairement énoncées. Des techniques d'homogénéisation ont été utilisées pour décrire le comportement dans les interfaces diffuses. Les conséquences de ces choix de modélisation ont été déterminées en ce qui concerne les effets des contraintes mécaniques sur les équilibres de phases et la cinétique de transformation. L'ensemble des équations d'évolution couplées, à savoir l'équation d'équilibre statique local, l'équation de champ de phases et l'équation de conservation de la masse, est résolu en utilisant la méthode des éléments finis pour la discrétisation spatiale et un schéma implicite des différences finies pour la discrétisation temporelle. Afin d'illustrer l'intérêt de l'approche proposée, des calculs par éléments finis ont été effectués sur des situations élémentaires telles que le calcul des concentrations d'équilibre des phases en présence de contraintes et la croissance de précipités dans une matrice élastique ou élasto-plastique, situations pour lesquelles des solutions analytiques pour des interfaces parfaites sont disponibles.
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Dates and versions

tel-00508677 , version 1 (05-08-2010)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00508677 , version 1

Cite

Kais Ammar. Modelling and simulation of phase transformation-mechanics coupling using a phase field method. Mechanics [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. English. ⟨NNT : 2010ENMP0002⟩. ⟨tel-00508677⟩
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