PhD Positions, Bachelor and Master Theses

A PhD position is available at the University of Warwick to study the interface dynamics and properties in aluminium-steel fusion welding. The project will be supervised by Dr Peter Brommer (Engineering) and Dr Prakash Srirangam (Warwick Manufacturing Group). For full details see https://warwick.ac.uk/fac/sci/hetsys/themes/projectopportunities/hp2024-12

Aluminium and steel are widely employed metallic materials for automotive applications, such as in vehicle frames. Joining of these two dissimilar metals by fusion welding results in formation of brittle aluminium-iron compounds at the interface, which degrade the performance of the weld. Looking at the motion of individual atoms, we will use modelling techniques such as Molecular Dynamics (MD) and Kinetic Monte Carlo (KMC) combined with transmission electron microscopy analysis to study how iron and aluminium atoms react at the weld interface to find weld conditions where favourable intermetallic compounds form at interface.

Dissimilar metals joining is gaining importance in various engineering applications such as automotive, aerospace, batteries and electronic industries. Aluminium (Al) and steel are two major important materials used in the automotive sector. Joining these two materials is always challenging due to their differences in physical and mechanical properties. Also, joining of steel to Al by fusion welding methods such as laser welding results in formation of brittle iron intermetallic compounds (IMC) in the weld zone which hampers the mechanical properties. The weld zone properties ultimately depend on the type of IMCs, their average size, shape and distribution. The formation of IMCs at the weld joint greatly depends on the mutual solubility of iron (Fe) and aluminium (Al), diffusion of atoms at the interface, presence of dislocations etc. A better understanding of IMCs formation during laser welding of dissimilar steel to Al would not only lead to improved mechanical properties of weld joints, but also help to achieve net zero emissions with usage of light-weight materials for engineering applications.

In this project, we focus on understanding the interaction between Fe and Al atoms at the weld interface during fusion welding of steel to Al alloy. In the Brommer group, we will employ atomic level modelling techniques, particularly molecular dynamics (MD) and Kinetic Monte Carlo (KMC), to study atomic motion during and after laser irradiation, as well as the mechanical properties of the weld. The effect of weld parameters on interfacial properties, vacancies and dislocations via mutual diffusion of Fe and Al will be experimentally supported with TEM microscopy analysis performed at WMG (Srirangam Group). Image recognition techniques would then allow direct comparison between simulation and experiment.

This project would suit a student interested in developing and improving atomic scale simulation models of this technologically and industrially highly relevant process. The integration with experimental materials characterisation measurements is a key feature of this project. There are also international collaboration opportunities, e.g. with the University of Stuttgart for the simulation of laser-matter interactions. The position is open to both UK and international students. The deadline for applications is 29 February 2024.

Bisher wurden fast ausschließlich reine Materialien untersucht. Ersten Arbeiten an Al-Ni-Materialien haben gezeigt, dass ein großes Interesse besteht, das verhalkten dieses Systems weiter zu untersuchen. Bisher wurden einige Verbindungen betrachtet, sowie ein einfaches Al auf Ni System. Diese Arbeiten sollen in dieser Bachelorarbeit weitergeführt werden.

Voraussetzungen: Kenntnisse im Bereich atomistischer Simulationen und der Umgang mit Linux sind von Vorteil.

In dieser Arbeit sollen mehrere aufeinanderfolgende Pulse in getrennten Simulationen untersucht werden. Die Herausforderung ist die Präparation der Probe zwischen den Pulsen um einen stabilen Zustand herzustellen.

Voraussetzungen: Kenntnisse im Bereich atomistischer Simulationen und der Umgang mit Linux sind von Vorteil.

Die Wärmeleitung in Metallen wird durch die Elektronen vermittelt und ist deshalb ein Quanteneffekt. Sie kann also nicht mit einer klassischen Molekulardynamiksimulation untersucht werden. Definiert man für Elektronen und Kristallgitter separate Temperaturen, so kann man ein Zwei-Temperatur-Modell einführen, das die Wärmeleitung korrekt beschreibt. Dazu werden die Elektronen mit einer Kontinuumsgleichung für die Wärme und die Gitteratome mit Molekulardynamik behandelt. Ziel der Bachelorarbeit ist es, Simulationen mit unserem institutseigenen Molekulardynamikpaket IMD und einem weiteren Paket (LAMMPS) durchzuführen. Beide unterstützen das Zwei-Temperatur-Modell, wodurch ein Vergleich der Ergebnisse möglich wird.

Voraussetzungen: Kenntnisse im Bereich atomistischer Simulationen und der Umgang mit Linux sind von Vorteil

Quasikristalle sind wohlgeordnete Materialien, die nichtkristallographische Symmetrien aufweisen. Sie treten oft in Metallegierungen auf, wurden aber auch schon bspw. in der Gruppe Bechinger durch Kolloide in aperiodischen Laserfeldern realisiert. Je nach Vorbildung können Bachelorarbeiten zu Computersimulationen, zu gruppentheoretischen Themen oder zu Eigenschaften von quasikristallinen Mustern angeboten werden.

Voraussetzungen: Kenntnisse im Bereich atomistischer Simulationen und der Umgang mit Linux sind von Vorteil. Alternativ: Gruppentheoretische Methoden in der Physik.

In dieser Bachelorarbeit soll mit Hilfe ein neu entwickeltes Tersoff-Potenzials für Germanium für endliche Elektronentemperaturen weiterentwickelt werden. Unter starkem Laserbeschuss werden in Germanium Ladungsträger erzeugt, die dazu führen, dass sich die Bindungszustände komplett ändern und die atomistischen Wechselwirkung von der Elektronentemperatur abhängt. Diese wiederum wird von der Ladungsträger dichte mitbestimmt.

Voraussetzungen: Kenntnisse im Bereich atomistischer Simulationen und der Umgang mit Linux sind von Vorteil

Simulationen der Laserablation in Metallen können mit Hilfe des Zwei-Temperatur-Modells (TTM) durchgeführt werden. Das vorhandene Programm koppelt Molekulardynamik mit einer partiellen Differentialgleichung, die die zeitliche Entwicklung der Elektronentemperatur beschreibt. Dies ist notwendig, da eine reine Molekulardynamikrechnung die schnelle Wärmeleitung der Elektronen nicht modellieren kann. Obwohl unsere Probengrößen klein sind gegenüber den in der Industrie eingesetzten, haben wir wertvolle Erkenntnisse aus der Simulation räumlicher Gaußpulse gewonnen. Diese sollen nun in der angebotenen Arbeit auf Tophat Pulse erweitert werden.

Voraussetzungen: Kenntnisse im Bereich atomistischer Simulationen und der Umgang mit Linux sind von Vorteil.