Simulation of the nucleation of the precipitate Al3Sc in an Aluminum Scandium alloy using the kinetic Monte Carlo method

Abstract

As estruturas de precipitados desempenham uma função fundamental nas ciências dos materiais devido à capacidade de obstruir o movimento de deslocamentos dentro do material. Esta tese de mestrado debruça-se sobre uma aplicação baseada na mecânica estatística, nomeadamente o método Monte Carlo, no estudo e previsão do fenómeno de precipitação em ligas de alumínio. A liga de alumínio em estudo é a liga alumínio escândio. Esta tese aborda temas como a mecânica computacional, mecânica estatística, ciências dos materiais, difusão, e ainda métodos de mineração de dados (data mining). A tese descreve as condições que influenciam a precipitação e como controlar este fenómeno. O resultado desta tese é um conjunto de aplicações de software que permitem (i) efetuar a simulação de Monte Carlo, (ii) analisar os resultados usando a técnica de mineração DBSCAN e (iii) comparar os resultados da simulação com a teoria clássica da nucleação. Os resultados práticos obtidos com estas aplicações são: - Relatórios da simulação, da análise dos clusters/precipitados com o algoritmo DBSCAN e da aplicação da teoria clássica da nucleação; - Ficheiros para visualização 3D da simulação (em vários pontos ao longo do tempo); - Ficheiros para visualização 3D dos precipitados. Larry Gonick é um cartoonista que desenhou cartoons para a revista Discover. É autor de um vasto conjunto de livros das quais quero mencionar: “The Cartoon Guide to Statistics” da qual esta figura foi retirada e que me parece adequado na forma como ilustra vários temas que esta tese aborda: estatística, aleatoriedade, “salto” e “barreira”.

Precipitate structures play a fundamental function in the material science due to the capacity of representing strong obstacles for dislocations movements within the material. This master thesis focuses on the elaboration and application of mechanical statistics knowledge, namely the kinetic Monte Carlo method, on the study and prediction of the phenomenon of precipitation in an aluminum alloy. The alloy under analysis is the aluminum scandium alloy. This thesis tackles subjects such as computational mechanics, mechanical statistics (the kinetic Monte Carlo method), material science, the precipitation phenomenon, the diffusion phenomenon, what influences this phenomenon and how to control it and also predict it, as well as data mining (namely clustering). The outcome of this thesis is a set of software applications that allow (i) to perform Monte Carlo simulations, (ii) to analyze the results using the DBSCAN clustering technique, and (iii) to compare the simulation results with the classical nucleation theory. Practical results obtained with these applications are: - Reports about the simulation, the analysis of clusters/precipitates with DBSCAN algorithm, and the application of the classical nucleation theory; - Files for 3D visualization of the simulation (at various points over time); - Files for 3D visualization of the precipitates. Larry Gonick is a cartoonist that sketched the bimonthly “Science Classics” cartoon for the science magazine Discover besides being the author of several books as for example: The Cartoon Guide to Statistics. The figure above was taken from this book and by which I do think it is very adequate in illustrating subjects addressed by this thesis, such as statistics, randomness, jump and barrier.