1 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie,

Slides:



Advertisements
Ähnliche Präsentationen
An new European Power Network: Student Power
Advertisements

PSI and Competition The General Framework
Finding the Pattern You Need: The Design Pattern Intent Ontology
Balver Zinn Josef Jost GmbH & Co.KG Cobar
H - A - M - L - E - IC T Teachers Acting Patterns while Teaching with New Media in the Subjects German, Mathematics and Computer Science Prof. S. Blömeke,
1 | R. Steinbrecher | IMK-IFU | KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Natural Sources SNAP11.
Multi electron atoms Atoms with Z>1 contain >1 electron. This changes the atomic structure considerably because in addition to the electron-nucleus interaction,
Fakultät für informatik informatik 12 technische universität dortmund Optimizations Peter Marwedel TU Dortmund Informatik 12 Germany 2009/01/17 Graphics:
Fakultät für informatik informatik 12 technische universität dortmund Mapping of Applications to Platforms Peter Marwedel TU Dortmund, Informatik 12 Germany.
Fakultät für informatik informatik 12 technische universität dortmund Specifications Peter Marwedel TU Dortmund, Informatik 12 Graphics: © Alexandra Nolte,
Peter Marwedel TU Dortmund, Informatik 12
Fakultät für informatik informatik 12 technische universität dortmund Hardware/Software Partitioning Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund Germany Chapter.
C. Kottmeier, C. Hauck, G. Schädler, N. Kalthoff
NUMEX – Numerical experiments for the GME Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg Wolfgang Joppich PFTOOL - Precipitation forecast toolbox Semi-Lagrangian Mass-Integrating.
Paläozeanographische Modellierung André Paul Raum: GEO 5510, Tel.:
Wozu die Autokorrelationsfunktion?
Arnaud Cassan ( ARI / ZAH Heidelberg ) 4th Planet Formation Workshop MPIA, 1 st March 2006 Discovery of a cool 5.5 Earth-mass planet through gravitational.
Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung > Technologien aus Luft- und Raumfahrt für Straße und Schiene Automatic Maneuver Recognition in the.
Insulin pump therapy in adults allows metabolic control at lower rates of hypoglycemia along with reduced insulin doses – results from the nationwide DPV-survey.
Lancing: What is the future? Lutz Heinemann Profil Institute for Clinical Research, San Diego, US Profil Institut für Stoffwechselforschung, Neuss Science.
SOLNET Milan Optimization of the air-to-water heat exchanger configuration for water preheating in open district heating nets Janybek Orozaliev.
Numerical Methods in Electromagnetic Field Theory I (NFT I) / Numerische Methoden in der Elektromagnetischen Feldtheorie I (NFT I) 2nd Lecture / 2.
Three minutes presentation I ArbeitsschritteW Seminar I-Prax: Inhaltserschließung visueller Medien, Spree WS 2010/2011 Giving directions.
Hochschulteam der Agentur für Arbeit Trier Preventing the Brainware Crisis Workshop Schloss Dagstuhl Student Enrollment in Computer Science.
Institut für Wasserbau Stuttgart Geodätisches Institut Stuttgart Institut für Meteorologie und Klimaforschung IMK-IFU SPP 1257 DIRECT WATERBALANCE An interdisciplinary.
5th IAEA Technical Meeting on ECRH Gandhinagar – February 2009
Molecular Dynamics Simulations of the Sputtering of β-SiC by Ar
Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Basic Concepts in Control Theory MSc. Lei Ma 22 April, 2004.
Methods Fuzzy- Logic enables the modeling of rule based knowledge by the use of fuzzy criteria instead of exact measurement values or threshold values.
Institut für Umweltphysik/Fernerkundung Physik/Elektrotechnik Fachbereich 1 SADDU June 2008 S. Noël, K.Bramstedt,
Institut für Umweltphysik/Fernerkundung Physik/Elektrotechnik Fachbereich 1 Pointing Meeting Nov 2006 S. Noël IFE/IUP Elevation and Azimuth Jumps during.
Nonlinear Buckling Analysis of Vertical Wafer Probe Technology
20:00.
Integration of renewable energies: competition between storage, the power grid and flexible demand Thomas Hamacher.
Die Geschichte von Rudi
Case Study Session in 9th GCSM: NEGA-Resources-Approach
Institut AIFB, Universität Karlsruhe (TH) Forschungsuniversität gegründet 1825 Towards Automatic Composition of Processes based on Semantic.
Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel Bereich Energetische Biomassenutzung, Hanau Dipl.-Ing. J. Müller Bioturbine,
| DC-IAP/SVC3 | © Bosch Rexroth Pneumatics GmbH This document, as well as the data, specifications and other information set forth in.
Analysis of Cross-Polarization Modulation in Dispersion-Managed DWDM Systems Marcus Winter, Christian-Alexander Bunge, Dario Setti, Klaus Petermann LEOS.
Extrusion of nickel–titanium alloys Nitinol to hollow shapes
1 Ein kurzer Sprung in die tiefe Vergangenheit der Erde.
Ich möchte ein Eisberg sein. Last time … 3 icebergs Triangels Unique connections Ich möchte ein Eisberg sein
Manfred Hanke / Prof. Schäfer, Institut für theoretische Kern- und Teilchenphysik Compton-scattering of the cosmic background radiation off a ultrarelativsitic.
Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie,
Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten Textmasterformate durch Klicken bearbeiten Zweite Ebene Dritte Ebene Vierte Ebene Fünfte Ebene 1 Development.
INTAKT- Interkulturelle Berufsfelderkundungen als ausbildungsbezogene Lerneinheiten in berufsqualifizierenden Auslandspraktika DE/10/LLP-LdV/TOI/
Institut für Umweltphysik/Fernerkundung Physik/Elektrotechnik Fachbereich 1 K. Bramstedt, L. Amekudzi, J. Meyer IFE/IUP Tangent heights in occultation.
Fusszeilentext – bitte in (Ansicht – Master – Folienmaster, 1. Folie oben) individuell ändern! Danach wieder zurück in Normalansicht gehen! 1 OTR Shearography.
Drei Domänen des Lebens
Impairments in Polarization-Multiplexed DWDM Channels due to Cross- Polarization Modulation Marcus Winter Christian-Alexander Bunge Klaus Petermann Hochfrequenztechnik-Photonik.
Einführung Bild und Erkenntnis Einige Probleme Fazit Eberhard Karls Universität Tübingen Philosophische Fakultät Institut für Medienwissenschaft Epistemic.
Berner Fachhochschule Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL Recent activities on ammonia emissions: Emission inventory Rindvieh.
4th Symposium on Lidar Atmospheric Applications
Cross-Polarization Modulation in DWDM Systems
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher Integration of renewable energies: competition.
Adjectiv Endungen Lite: Adjective following articles and pre-ceeding nouns. Colors and Clothes.
Berner Fachhochschule Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL 95% der Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft Rindvieh Pflanzenbau.
Hier wird Wissen Wirklichkeit 1 Gravitational Radiation From Ultra High Energy Cosmic Rays In Models With Large Extra Dimensions Benjamin Koch ITP&FIGSS/University.
KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Vorlesung Knowledge Discovery - Institut AIFB Tempus fugit Towards.
Lehrstuhl für Steuerrecht und Öffentliches Recht Prof. Dr. Roland Ismer MSc Econ. (LSE)/Prof. Dr. Klaus Meßerschmidt Grundlagen Staats- und Verwaltungsrecht.
1 Stevens Direct Scaling Methods and the Uniqueness Problem: Empirical Evaluation of an Axiom fundamental to Interval Scale Level.
Technische Universität München Spatial aspects of the formation of GMO-free or GMO clubs Maarten J. Punt Technische Universität München.
Lehrstuhl für Waldbau, Technische Universität MünchenBudapest, 10./11. December 2006 WP 1 Status (TUM) Bernhard Felbermeier.
Selectivity in the German Mobility Panel Tobias Kuhnimhof Institute for Transport Studies, University of Karlsruhe Paris, May 20th, 2005.
Technische Universität München 1 CADUI' June FUNDP Namur G B I The FUSE-System: an Integrated User Interface Design Environment Frank Lonczewski.
TUM in CrossGrid Role and Contribution Fakultät für Informatik der Technischen Universität München Informatik X: Rechnertechnik und Rechnerorganisation.
OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik Institut für Apparate- und Umwelttechnik INNOVATION AND TECHNICAL PROGRESS:
1 Medienpädagogischer Forschungsverbund Südwest KIM-Studie 2014 Landesanstalt für Kommunikation Baden-Württemberg (LFK) Landeszentrale für Medien und Kommunikation.
FURTHER MASS SPECTROMETRY
 Präsentation transkript:

1 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, A multi-component theory of solid mixtures with higher gradients and its application to binary alloys by A. Brandmair, 1) T. Böhme, 1),2) W. Dreyer, 3) W.H. Müller 1) STAMM 2008 Symposium on Trends in Applications of Mathematics to Mechanics Levico Italy, September 24, ) Technische Universität Berlin Institut für Mechanik - LKM Einsteinufer 5 Einsteinufer 5 D Berlin D Berlin German Federal Environmental Foundation 2) ThyssenKrupp Steel AG Werkstoffkompetenzzentrum Werkstoffkompetenzzentrum Physikalische Technik Physikalische Technik Kaiser-Wilhelm-Straße 100 Kaiser-Wilhelm-Straße 100 D Duisburg D Duisburg 3) Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik Angewandte Analysis und Stochastik Mohrenstr. 39 Mohrenstr. 39 D Berlin D Berlin

2 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

3 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

4 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, SMT SnPb solder joints: formation of interface cracks spinodal decomposition microstructural coarsening Ball Grid Arrays and solder ball before and after 4000 temperature cycles aging at RT after (a) 2h, (b) 17d and (c) 63d (a) after solidification, (b) 3h and (c) 300 h at 125°C MELF miniature resistor and solder joint before and after 3000 temperature cycles Microstructural changes in solids I Will and, if so, how will the microstructural change influence the material properties ? Will and, if so, how will the microstructural change influence the material properties ?

5 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Introduction: Microstructural changes in solids II after solidification after 2h after 20h after 40h Ag-Cu: aging at 1000 Kelvin Ag-rich Cu-rich cracks along the phase boundaries SnPb solder balls with lead-free bumps decomposition + coarsening in the bulk Cu Leadfree solder, e.g., AgCu28: Formation of Inter-Metallic Compounds IMCs (Cu 6 Sn 5, Ag 3 Sn) at the interface and in the bulk Leadfree solder, e.g., SnAg3.8, SnAg3.8Cu0.7: thor.inemi.org/webdownload/newsroom/Articles/Lead-Free_Watch_Series/Oct05.pdf Will and, if so, how will the microstructural change influence the material properties ? Will and, if so, how will the microstructural change influence the material properties ?

6 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Triggered by different diffusion coefficients Cu atoms move to pile up IMCs. Kirkendall voids appear, e.g., between Cu substrate and thin Cu 3 Sn layer due to migration of Cu atoms from Cu 3 Sn to Cu 6 Sn 5, which is much faster than Sn-diffusion from Cu 6 Sn 5 towards Cu 3 Sn. Unbalanced Cu-Sn interdiffusion generates atomic vacancies at lattice sites which coalesce to voids. Model: vacancy diffusion Introduction: Microstructural changes in solids III Will and, if so, how will the microstructural change influence the material properties ? Will and, if so, how will the microstructural change influence the material properties ?

7 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

8 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Experiments I: Setup & realization material eutectic Ag-Cu temperature 970 K aging time h etching (for Ag) solution of NH 3 -H 2 O 2

9 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, instantaneous decomposition coarsening (Ostwald ripening) light: α-phase (Ag-rich), dark: β-phase (Cu-rich) after solidification after 2h aging after 20h aging after 40h aging Experiments II: Micrographs

10 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Experiments III: Image analysis determination of the β-areas and the total number of β-precipitates N by means of Digital Image Analysis (DHS TM ) Attention: 2D analysis of a 3D problem (observation of one cross-section) Solution: statistical averaging sufficient large areas of intersection analysis of various micrographs at each coarsening stage (individual photo) (individual stage) (spherical phases) (oblate spheroids) (cf., Underwood, 1970)

11 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, faster coarsening rate for oblate spheroids with and t 1/3 - dependence well-known from LSW-theories Experiments IV: Coarsening rates 1/3

12 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

13 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Nomenclature I motion displacements, velocity, deformation gradient strains and stresses

14 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Nomenclature II Primary variables: Variables determined by partial mass balances (w/o chemical reactions), and balance of momentum and internal energy: total mass balance (no external forces) constitutive equations for sought in a situation where solids separated by phase boundaries move toward equilibrium higher gradient theories which, again, is characterized by a boundary higher gradient theories required !

15 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Constitutive relations for the diffusion flux (w/o thermo-diffusion) w/o gradientswith density gradients (w/o strain gradients) ( : mobility) chemical potential Helmholtz free energy density functional derivative:

16 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Constitutive relations for the stress tensor without gradients Castiglianos 2nd theorem specific Helmholtz free energy with density gradients (no strain gradients) pressure

17 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

18 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Entropy principle I: Historic remarks E ntropy principles: a) Clausius & Duhem (18th century) b) Coleman-Noll (1963) c) Green-Nagdhi (1967) d) Müller (1968), Liu (1972) Shortcomings of the above principles: a) Entropy flux relation, application to mixtures of solids ? b) Entropy balance global / local / principle for every constituent (too strong) ? c) Lagrange multipliers in order to consider the balances as constraints (some class of materials requires additional constraints, e.g., materials with gradients as variables) Therefore: Attempt to formulate a strategy based on commonly accepted points of the aforementioned principles

19 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Entropy principle I: Historic remarks E ntropy principles: a) Clausius & Duhem (18th century) b) Coleman-Noll (1963) c) Green-Nagdhi (1967) d) Müller (1968), Liu (1972) Shortcomings of the above principles: a) Entropy flux relation, application to mixtures of solids ? b) Entropy balance global / local / principle for every constituent (too strong) ? c) Lagrange multipliers in order to consider the balances as constraints (some class of materials requires additional constraints, e.g., materials with gradients as variables) Therefore: Attempt to formulate a strategy based on commonly accepted points of the aforementioned principles R. Clausius P. M. M. Duhem

20 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, E ntropy principles: a) Clausius & Duhem (18th century) b) Coleman-Noll (1963) c) Green-Nagdhi (1967) d) Müller (1968), Liu (1972) Shortcomings of the above principles: a) Entropy flux relation, application to mixtures of solids ? b) Entropy balance global / local / principle for every constituent (too strong) ? c) Lagrange multipliers in order to consider the balances as constraints (some class of materials requires additional constraints, e.g., materials with gradients as variables) Therefore: Attempt to formulate a strategy based on commonly accepted points of the aforementioned principles Entropy principle I: Historic remarks B.D. Coleman W. Noll A.E. Green P.M. Nagdhi I. Müller I-S. Liu

21 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, E ntropy principles: a) Clausius & Duhem (18th century) b) Coleman-Noll (1963) c) Green-Nagdhi (1967) d) Müller (1968), Liu (1972) Shortcomings of the above principles: a) Entropy flux relation, application to mixtures of solids ? b) Entropy balance global / local / principle for every constituent (too strong) ? c) Lagrange multipliers in order to consider the balances as constraints (some class of materials requires additional constraints, e.g., materials with gradients as variables) Therefore: Attempt to formulate a strategy based on commonly accepted points of the aforementioned principles Entropy principle I: Historic remarks Duhem: radiation: ideal gas: mixtures:

22 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Entropy principle I: Historic remarks Clausius: E ntropy principles: a) Clausius & Duhem (18th century) b) Coleman-Noll (1963) c) Green-Nagdhi (1967) d) Müller (1968), Liu (1972) Shortcomings of the above principles: a) Entropy flux relation, application to mixtures of solids ? b) Entropy balance global / local / principle for every constituent (too strong) ? c) Lagrange multipliers in order to consider the balances as constraints (some class of materials requires additional constraints, e.g., materials with gradients as variables) Therefore: Attempt to formulate a strategy based on commonly accepted points of the aforementioned principles

23 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Entropy principle I: Historic remarks E ntropy principles: a) Clausius & Duhem (18th century) b) Coleman-Noll (1963) c) Green-Nagdhi (1967) d) Müller (1968), Liu (1972) Shortcomings of the above principles: a) Entropy flux relation, application to mixtures of solids ? b) Entropy balance global / local / principle for every constituent (too strong) ? c) Lagrange multipliers in order to consider the balances as constraints (some class of materials requires additional constraints, e.g., materials with gradients as variables) Therefore: Attempt to formulate a strategy based on commonly accepted points of the aforementioned principles

24 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Entropy principle I: Historic remarks E ntropy principles: a) Clausius & Duhem (18th century) b) Coleman-Noll (1963) c) Green-Nagdhi (1967) d) Müller (1968), Liu (1972) Shortcomings of the above principles: a) Entropy flux relation, application to mixtures of solids ? b) Entropy balance global / local / principle for every constituent (too strong) ? c) Lagrange multipliers in order to consider the balances as constraints (some class of materials requires additional constraints, e.g., materials with gradients as variables) Therefore: Attempt to formulate a strategy based on commonly accepted points of the aforementioned principles

25 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Entropy principle II: Formulation Two constitutive quantities: entropy density and entropy flux. Constitutive relation of the entropy density: Local balance for entropy density: Entropy production positive definite & of the form fluxes x driving forces: (Absolute) temperature defined as follows: Stress tensor decomposed into an elastic and a dissipative part: 2 nd law

26 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Entropy principle III: The evaluation procedure H.W. Alt, I. Pawlow: On the entropy principle of phase transition models with a conserved order parameter. Advances in Mathematical Science and Applications, 6(1), pp. 291–376, 1996: Balances interpreted as evolution equations for variables: Balances viewed as a system of algebraic equations, i.e., choose right hand sides arbitrarily & calculate left hand sides. Right hand sides of the balances + chain rule list of arbitrary terms: Construct constitutive relations such that 2nd law is identically satisfied.

27 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

28 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Mixtures w/o higher gradients I: Choice of variables Simple -component mixture without reactions / viscous effects: Different representations of entropy density: with a constant number of variables, e.g.: Different representations useful under different circumstances, e.g.:

29 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Mixtures w/o higher gradients II: Entropy production Local entropy balance: Chain rule for Kinematic relation right hand side of balances (note: balance of momentum not required for exploitation, since not in ), chain rule kinematic relation

30 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Mixtures w/o higher gradients III: Entropy production Substitution and rearrangement: a) separate terms into flux / force: b) separate terms linear in (cf., arbitrary terms) Definition entropy-flux (first parenthesis): Residual inequality: Q P terms linear in drop out Galileian invariance

31 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Mixtures w/o higher gradients IV: Heat & diffusion flux Helmholtz free energy density experimentally inconvenient quantity (chemical potential) Legendre Transformation Constraint (Fouriers law of heat conduction) ( : mobility) No coupling, quadratic form Q-bit

32 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Mixtures w/o higher gradients V : Selected results Pressure Legendre transform applied to P-bit Gibbs-Duhem relation 2 nd Piola-Kirchhoff stress tensor

33 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

34 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Mixtures with higher gradients I: Functional representations functional representation of the entropy density Note:- Choice of Higher Gradients depends on the problem - Present choice: Convenient for diffusion problems & for definition of the chemical potential

35 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Mixtures with higher grad. II: Specialization to binary alloy Now: Binary alloy A-B: Relating difference of chem. pot. to derivative of Helmholtz free energy density: with Helmholtz free energy density diffusion flux for a binary alloy: (isothermal case)

36 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Transformation to the reference configuration / re-definition of mobility Problem with free energy density (more general case): Decomposition & Taylor expansion HGC can be identified & calculated by microscopic atomistic theories (e.g., EAM) it follows (Böhme et al., 2007): (periodic arrangement of the lattice) Approach for elastic contributions phase diagram ? ? leading term Mixtures with higher grad. III: Specialization to binary alloy

37 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Partial mass balance & mass concentration : Material parameters: Mixtures with higher grad. IV: Specialization to binary alloy

38 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

39 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Application: Spinodal decomposition in AgCu I: Simulations in 1D (no external stress) Study concentration development along a line

40 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Application: Spinodal decomposition in AgCu II: Simulations in 1D (no external stress) Fortran 95, FFTPack, explicit Euler scheme

41 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Application: Spinodal decomposition in Ag-Cu II: Simulations in 1D (tensile stress: 10 3 MPa) Fortran 95, FFTPack, explicit Euler scheme stresses accelerate coarsening

42 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Application: Spinodal Decomposition in Ag-Cu III: 2D (no external stress) initial 3000 time loops 6000 loops loops Cu-rich phase Ag-rich phase

43 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

44 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Experiment and simulation: Coarsening rates By image analysis of experiments and computer generated microstructural evolution 3D simulations required ?

45 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

46 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Average elastic properties by homogenization I Homogenization performed by S.V. Sheshenin, M. Savenkova (FE-program Elast) Boundary value problem (plane strain analysis) for a given micrograph (= RVE): Loading sequences applied, e.g.: etc.

47 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Average elastic properties by homogenization II AgCu28 simulated temporal development of microstucture Conclusion material is cubic, just like its constituents Ag and Cu changing microstructure leads to no change in elastic coefficients

48 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Average elastic properties by homogenization III SnPb37 effective elastic moduli of simulated microstucture Conclusions composite material is less tetragonal due to the slight difference between C 1111 and C 2222 for Sn and the presence of the cubic Pb laminate theory gives similar results: Attention lead (Pb) is cubic = 3 elastic constants, tin (Sn) is tetragonal = 6 elastic constants 2D excerpt:

49 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Outline Introduction and motivation: Three types of microstructural change An experimental investigation of spinodal decomposition and coarsening Constitutive equations for diffusion flux and stress Some continuum theory: Entropy principle Classical theory of mixtures: w/o higher gradients Theory of mixtures for heterogeneous solids (with higher gradients) Reduction to the case of binary mixtures Numerical simulation of spinodal decomposition and coarsening Comparison with the experiment Homogenization and effective properties Conclusions and outlook

50 Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Conclusions and Outlook Phase field / higher gradient models to be used for microstructural changes in multi- component alloys should not simply be postulated but rather based on balance laws for physical quantities. Material theory should and can be used to derive the corresponding field equations. Material parameters in these relations should not simply be guessed, rather they should be obtained from experiments that are independent of the to-be-described phenomenon and, eventually, also be obtained from atomic methods (e.g., embedded atom methchnique). The spinodal decomposition observed in some solder/welding materials as well as the subsequent process of coarsening can be modeled quantitatively using such a strategy. Homogenized elastic properties for experimentally observed as well as predicted micrographs showing microstructural change have been obtained. Non-linear homogenized material properties were not obtained yet.