Aluminum solidification and nanopolycrystal deformation via a Graph Neural Network Potential and Million-Atom Simulations
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
本文通过图神经网络势能和百万原子模拟研究铝的固结与变形，验证了机器学习势能的准确性，并展示了其在多晶固结模拟中的应用价值。
2026-03-25 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
A Phase-Field Study on the Effects of Nanoparticles on Solidification and Grain Growth
本文用 PRISMS-PF 开源相场模型模拟纳米颗粒团聚、异质形核与晶界钉扎，提出依赖形核率和钉扎分数的修正 Zener 晶粒尺寸关系。
2022-07-14 cond-mat.mtrl-sci
Icosahedral quasicrystal enhanced nucleation in commercially pure Ni processed by selective laser melting
这项工作提供了明确的证据，二十面体准晶（iQC）增强形核气体雾化工业纯镍粉在选择性激光熔化过程中发生。这种凝固机制，最近才在几种合金中报道，迄今为止从未在纯金属中观察到，由由于液体中存在二十面体短程有序而形成的iQC的小平面上的初级相的晶粒的凝固组成。iQC增强形核的发生已推断从观察SLM处理的纯镍样品的部分不相干的孪晶界和集群的孪晶晶粒对共享共同的<110>五重对称轴的过量分数。这项工作进一步证明，增材制造方法可能是研究凝固基础和设计前所未有的晶界网络的宝贵工具。
2022-01-10 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Samarium doping on the nucleation of fcc-Aluminum in undercooled liquids
采用分子动力学模拟研究了低Sm浓度（xSm）的Al-Sm液相中Sm掺杂对fcc-Al形核的影响。中等过冷度液体中的形核是用最近发展起来的持续胚胎法实现的。系统地计算了700 K时不同Sm含量（xSm=0，1，2，3，5%）的成核率，发现Sm掺杂使成核率降低了25个数量级，掺杂浓度仅为5%。这种效应主要与自由能垒的增加有关，Sm掺杂引起的原子核附着的抑制也有很小的贡献。
2018-05-02 cond-mat.mtrl-sci
Orbital-free DFT study of the energetics of vacancy clustering and prismatic dislocation loop nucleation in aluminum
本文采用大规模无轨道密度泛函方法，从电子结构的角度研究了铝中空位团簇的能量学。在这项研究中考虑的模拟域是一样大的那些包含一百万个原子，以准确地占电子结构和远程弹性场。我们的研究结果表明，空位团簇是一个积极有利的机制与正结合能的范围内的空位团簇在本研究中考虑。特别地，位于$\{111\}$平面中的$19$空位六方簇具有非常大的结合能，其具有代表棱柱位错环的弛豫原子结构。这表明，由19个空位形成的那些小的空位棱柱环是稳定的，从而提供了对铝中这些缺陷的成核尺寸的见解。
2015-06-09 cond-mat.mtrl-sci
The size effect on nucleation process during solidification of metals
本文通过对比薄平板和块体样品，揭示了金属凝固形核过程中尺寸效应的影响：平板样品形核主要受模具壁表面活性控制，而块体样品还受杂质、温度和密度涨落等因素共同作用。
2025-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Coupled gas and bubble dynamics at the solidification front
Université Lyon 1（里昂第一大学）；CNRS Institut Lumière Matière UMR5306（法国国家科学研究中心光物质研究所）；ESPCI Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités（巴黎物理化学高等国立学院、PSL研究大学、法国国家科学研究中心、索邦大学）
研究固态前沿处气体与气泡的耦合动力学，通过原位冷冻共聚焦荧光显微镜分析碳酸水固态前沿的气体气泡行为，揭示气泡成核、生长与吞噬的动力学机制及其与固态速度的关系。
2026-04-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
Phase-field modeling of microstructural pattern formation during directional solidification of peritectic alloys without morphological instability
在包晶合金定向凝固过程中，两个稳定的固相（母相和包晶相）竞争生长成亚稳液相，其杂质含量大于任何一个固相。当母相或两个固相在形态上不稳定时，即，对于小的温度梯度/生长速率比（$G/v_p$），一个固相通常生长出并覆盖另一个相，导致与在稀二元合金的单相凝固过程中形成的胞状-枝晶阵列结构非常类似的胞状-枝晶阵列结构。相反，当$G/v_p$大到足以使两相形态稳定时，微结构的形成受到两个固相的成核和生长之间的微妙相互作用的控制。在这种情况下观察到的结构（在对流效应被抑制的小样品中）包括垂直于生长方向的母相和周相的交替层（带），其通过一个相交替成核和横向扩散到另一个相上而形成，如最近的模型[R. Trivedi，Metall. Mater. A 26，1（1995）]，以及部分填充的带（岛），其中周晶相不完全覆盖连续生长的母相。我们开发了一个相场模型，结合成核过程，以探索这些结构的形成的周向凝固。该模型的模拟揭示了从岛屿到乐队的形态过渡，在母相上的成核后，这原来是由一个显着的恒定的加速度，和生长形态的类型，人们可能会期望在纯扩散生长条件下观察到的大样品的周边相的传播的动态。
2001-08-22 cond-mat.mtrl-sci
Atomic-scale Nucleation and Growth Pathway of Complex Plate-like Precipitates in Aluminum Alloys
本文通过理论计算揭示铝合金中复杂板状析出相遵循层间滑移+原子重排的形核生长机制，识别出基本结构转变单元并提出与实验吻合的演化路径，为高性能铝合金设计提供理论依据。
2024-10-20 cond-mat.mtrl-sci
Aluminum oxide nucleation in the early stages of atomic layer deposition on epitaxial graphene
采用原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱（Raman）研究了在碳化硅（4H-SiC）表面单层外延石墨烯（EG）上直接原子层沉积（ALD）过程中氧化铝（Al2O3）的成核和生长机制。与对于其他类型的石墨烯通常观察到的相反，在EG的情况下观察到大且均匀密度的成核位点，并且归因于EG/SiC界面处缓冲层的存在。沉积过程的特征在于在非常早期的阶段中的Al2O3岛生长，随后在仅40个ALD循环之后由于岛聚结而形成连续的Al2O3膜（2.4 nm厚），以及随后的逐层生长。拉曼光谱分析表明ALD工艺对EG的缺陷密度和掺杂的影响很小。EG应变也几乎不受岛屿生长和合并的制度中的沉积，而一个显着的增加后，观察到一个紧凑的Al2O3膜的形成。所获得的结果对于需要集成超薄高k绝缘体的外延石墨烯的器件应用具有重要影响。
2020-07-28 cond-mat.mtrl-sci
On recrystallization nucleation in pure aluminum
本文针对纯铝再结晶形核，提出无需预先存在胚胎的机制，认为原子改组可创造新取向，可能改变对再结晶早期阶段的理解。
2023-05-15 cond-mat.mtrl-sci
Probing the Nucleation of Al2O3 in Atomic Layer Deposition on Aluminum for Ultrathin Tunneling Barriers in Josephson Junctions
超薄介质隧穿势垒是约瑟夫森结（JJ）超导量子比特的关键。然而，通过氧扩散热氧化铝的流行技术产生了有问题的缺陷，例如氧空位，这被认为是两级波动的主要来源，并有助于量子比特的退相干。开发用于改进隧穿势垒的替代方法变得迫切和必要。氧化铝（Al 2 O3）的原子层沉积（ALD）是解决Al 2 O3隧穿势垒中的氧空位问题的有希望的替代方案，并且其自限制生长机制提供了原子级精度的隧穿势垒厚度控制。在金属上的Al 2 O3的ALD中的关键问题是金属表面上缺乏羟基，这阻止了三甲基铝（TMA）的成核。在这项工作中，我们探索了铝表面的修改，水脉冲曝光，然后TMA脉冲曝光，以评估ALD作为JJ量子比特的可行技术的可行性。ALD Al 2 O3膜从40埃到100埃生长在1.4埃到500埃的Al上，并用椭圆偏振法和原子力显微镜进行表征。测得1.2埃/循环的生长速率，并观察到界面层（IL）。由于IL厚度取决于Al的可用性并在2 nm处饱和，因此选择超薄Al润湿层可能会导致超薄ALD Al 2 O3隧道势垒。
2014-05-14 cond-mat.mtrl-sci
Remarks on some open problems in phase-field modelling of solidification
三个不同的主题在凝固的相场建模进行了讨论，特别强调目前可用的建模方法的局限性。首先，薄界面限制的双边相场模型进行了检查，它表明，反陷阱电流一般不足以消除所有的薄界面的影响。其次，分析了多晶凝固的取向场模型，指出在共格多晶物质中，取向场的标准弛豫运动方程是不正确的。第三，它指出，标准的程序，将波动相场的方法不能直接用于定量描述成核。
2010-04-26 cond-mat.mtrl-sci
Analysis of acoustic emission during the melting of embedded indium particles in an aluminum matrix: a study of plastic strain accommodation during phase transformation
声发射在这里被用来研究熔化和固化的嵌入式铟颗粒的尺寸范围为0.2至3 μ m的直径，并显示，位错产生发生在铝基体中，以适应2.5%的体积变化。铟颗粒熔化产生的体积平均声能类似于连续冷却时贝氏体形成的报道。为了适应体积变化，提出了棱柱环的产生机制，并计算出Al-17 In合金位错密度几何必要增加的上限为4.1 x 10^9 cm^-2。热机械处理也用于改变铟颗粒在铝基质内的尺寸和分布。当熔化的铟颗粒与晶界相关联时或在固化时发生伴随声发射的位错产生，其中固-液界面充当自由表面以促进位错产生。对于需要过热并表现出升高的熔化温度的铟颗粒，没有观察到声发射。声发射工作证实了先前提出的松弛机制，从以前的内部摩擦的研究，并观察到这些微米级的颗粒熔化的crack是矩阵约束的结果。
2012-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Systematic discovery of new nano-scale metastable intermetallic eutectic phases in laser rapid solidified Aluminum-Germanium alloy
本文系统发现激光快速凝固Al-Ge合金中形成层片间距约60 nm的亚稳AlxGey金属间共晶相，结合电子显微表征、DFT建模和动力学相图揭示其晶体结构与形成机制。
2024-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Maximum Likelihood Analysis of Reaction Coordinates during Solidification in Ni
了解凝固过程中晶体成核的基本机制是预测和控制材料性能的一个基本方面。经典成核理论（CNT）假设均质成核通过过冷液体内的随机波动发生，生长团簇的结构类似于最稳定的体相，并且核尺寸是该过程的唯一反应坐标（RC）。然而，已知许多材料在结晶过程中表现出多个步骤，形成不同的多晶型物。因此，经常需要更复杂的RC来捕获关于流程的所有相关信息。在这项工作中，我们采用过渡路径采样连同候选序参量的极大似然分析，以确定合适的反应坐标的成核机制在Ni的凝固过程中。与CNT相比，重加权路径系综的分析表明，围绕晶体簇的预结构化液体区域是增强RC的相关序参量，因此在生长核和界面自由能的描述中起着关键作用。我们表明，出现在液体内的预结构化的液体簇作为前体的结晶在一个非经典的两步机制，预先确定的多晶型物的协调，正在选择。
2018-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Icosahedral quasicrystal-enhanced nucleation in Al alloys fabricated by selective laser melting
选择性激光熔化（SLM）正在迅速发展成为主流技术。然而，这种增材制造方法的非平衡条件所固有的固化和微结构发展的基本机制仍然是未知的，这与传统加工技术的典型机制有很大不同。在这项工作中，在深入表征的微观结构的Al 7075 SLM处理的样品，从粉末混合物含有ZrH 2微粒，证明了发生二十面体准晶增强成核激光制造过程中。迄今为止，仅在含有微量Cr添加物的铸造Al-Zn和黄金合金中观察到这种凝固机制（Kurtuldu等人，2013）或Ti（Chen等人，2018）和Ir（Kurtuldu等人，2014），通过存在异常高比例的孪晶边界和位于等轴、随机织构化的超细晶粒基质内的孪晶最近邻之间的五重取向对称性来证明。这项研究证明了增材制造方法为研究新的物理冶金现象以及先进金属的设计提供了广泛的可能性。
2021-05-11 cond-mat.mtrl-sci
Phase-Field Modeling of Solidification in Light-Metal Matrix Nanocomposites
定量相场方法已被改编为模型凝固在金属基纳米复合材料（MMNC）的存在下，在一个单一的组分液体。固定尺寸和形状的纳米颗粒由附加场表示。相应的运动方程被假定为确保弛豫动力学，并且可以由随机力（实现布朗运动）或外部场补充。纳米颗粒的特征在于两个模型参数：他们的流动性和接触角，他们实现与固液界面。我们调查的问题，如何可以影响晶粒尺寸分布的纳米粒子上的异质成核和前粒子的相互作用。此外，我们探讨如何材料和工艺参数，如温度，密度和尺寸/形状分布的纳米粒子，影响微观结构的演变。
2014-06-10 cond-mat.mtrl-sci
Multiscale dendritic needle network model of alloy solidification with fluid flow
我们提出了一个多尺度凝固模型的数学公式，在液相中的对流。该模型是二元合金中晶体生长的枝晶针网络方法的扩展。我们提出了一个简单的数值实现的基础上有限差分和逐步逼近的任意方向的抛物线树枝状分支。二维模型的结果进行了验证，对参考基准解决方案的稳定，不稳定，和浮力流，以及在扩散制度的稳态枝晶生长。强迫流动下的等轴生长的模拟产生的枝晶尖端速度在10%的定量相场的结果从文献。最后，我们进行了说明性的模拟多晶凝固的物理参数的铝-10wt%的铜合金。所得的微观结构显示出显着的差异时，考虑到自然浮力相比，一个纯粹的扩散运输制度。由此产生的模型开辟了新的途径，计算和定量调查的影响，流体流动和重力诱导的浮力后，选择树枝状微观结构。进一步正在进行的开发包括定向凝固条件的等效公式和三维模型的实施，这对于与实验测量进行定量比较至关重要。
2019-04-16 cond-mat.mtrl-sci
Polymorphism, crystal nucleation and growth in the phase-field crystal model in 2d and 3d
我们应用一个简单的动力学密度泛函理论，相场晶体（PFC）模型的过阻尼保守动力学，以解决多态性，晶体成核，和晶体生长的扩散控制的限制。我们细化的相图为3D，并确定线自由能在2D中，在2D和3D的成核势垒的高度，通过解决各自的欧拉-拉格朗日（EL）方程。我们证明了在PFC模型中，体心立方（bcc），面心立方（fcc）和六方密堆积结构（hcp）竞争，而简单立方结构是不稳定的，并且可以通过改变模型参数来调整相位偏好：接近临界点时，bcc结构是稳定的，而远离临界点时，fcc结构占优势，在它们之间存在hcp稳定域。我们注意到，随着距离临界点的距离的增加，平衡形状从球形变化到特定的小平面形状：菱形十二面体（bcc），截角八面体（fcc）和六棱柱体（hcp）。求解提供有守恒噪声的PFC模型的运动运动方程，凝固开始于非晶前体相的成核，稳定的结晶相成核到该非晶前体相中。生长速率被发现是时间依赖性和各向异性，其中各向异性取决于驱动力。我们表明，由于扩散控制的生长机制，这是特别相关的胶体系统中的晶体聚集，树枝状生长结构演变的大规模等温单组分PFC模拟。最后，我们提出的二元PFC模型中的共晶凝固的结果。
2010-03-04 cond-mat.mtrl-sci
Development and Validation of Interatomic Potential for Sc and Al-Sc Alloys: Thermodynamics, Solidification, and Intermetallic Ordering
Merrimack College（梅里马克学院）
本文提出了一种用于钪和铝-钪合金的改进嵌入原子方法势能，通过统一热力学和凝固行为，实现了对合金相变和有序结构的准确模拟。
2025-12-10 cond-mat.mtrl-sci
Nucleation of Al3Zr and Al3Sc in aluminum alloys: from kinetic Monte Carlo simulations to classical theory
Zr和Sc在铝合金中沉淀形成化合物Al 3 Zr和Al 3Sc，其对于低过饱和固溶体具有L12结构。本研究的目的是在原子尺度上模拟这种沉淀动力学，并建立一个基于经典成核理论的介观模型，以便扩展可以模拟的过饱和和退火时间的领域。我们用从头计算和实验数据拟合了描述Al-Zr和Al-Sc体系热力学的伊辛模型。动力学行为描述的原子-空位交换机制。这使我们能够模拟与动力学Monte Carlo算法的Al 3 Zr和Al 3Sc的沉淀动力学。这些动力学，然后用来测试经典的成核理论。在这个目的中，我们推导出从我们的原子模型的各向同性界面自由能，这是一致的实验动力学和成核自由能推导出的。我们测试不同的平均场近似（布拉格-威廉姆斯近似以及集群变分法）这些参数。经典的成核理论是一致的动力学蒙特卡罗模拟，只有当使用CVM：它设法再现在亚稳固溶体中的簇的尺寸分布和它的演变，以及稳态的成核速率。我们还发现，毛细管近似中使用的经典成核理论的作品令人惊讶的是，相比之下，直接计算的自由能的形成小L12集群。
2004-02-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Crystal Nucleation in Al-Ni Alloys: an Unsupervised Chemical and Topological Learning Approach
结晶是材料凝固的基本过程，决定了材料的微观结构。在原子尺度上的复杂现象的驱动下，它对合金的理解仍然是难以捉摸的。采用大尺度分子动力学模拟方法研究了典型过冷Al-Ni二元合金的均匀形核途径。一个无监督的拓扑学习分析表明，成核集首先从化学排序，其次是键取向排序的基础晶相。我们的研究结果还表明，不同的多晶型物的选择，这取决于组合物。Al 50 Ni 50的形核过程是一个单一的台阶，B2短程有序的出现，而Al 25 Ni 75的形核过程是一个向L12相的台阶形核过程。进一步讨论了纯Al和纯Ni对应物形核的影响。
2022-10-04 cond-mat.mtrl-sci
Interatomic machine learning potentials for aluminium: application to solidification phenomena
在通过原子尺度上的模拟来研究凝固过程中，晶体成核或非晶化的建模需要构建能够再现固态和液态的性质的原子间相互作用。考虑到深过冷条件下的罕见成核事件或结构弛豫，需要比\textit{ab initio}分子动力学（AIMD）可实现的更大的长度尺度和更长的时间尺度。这个问题是通过经典的MD模拟，使用一个完善的高维神经网络潜在的AIMD生成的一组相关的配置训练。我们的数据集包含不同压力下的各种晶体结构和液态，包括它们在广泛温度范围内的时间波动，仅考虑它们的能量标签。应用于元素铝，所产生的潜力被证明是有效的，以重现基本的结构，动力学和热力学量的液体和过冷状态，而不需要包括既不明确的力量，也不是所有种类的配置在训练过程中。结晶的早期阶段进一步研究了更大的规模与一百万个原子，使我们能够解开功能的均匀成核机制在fcc相在环境压力下，以及在bcc相在高压下前所未有的精度接近\textit{ab initio}之一。在这两种情况下，观察到单步成核过程。
2022-08-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Microstructure evolution and heterogeneous nucleation in ternary Al-Cu-Ni alloys
采用多相场模型对三元Al-Cu-Ni合金的凝固过程进行了模拟，结果表明，通过耦合各相的真实热力学参数和演化方程，可以得到真实的微观组织。对模型函数的各个界面的稳定性要求保证了在$n$维相场空间中不存在“鬼”相。特别构造的热噪声项干扰了稳定性，并可根据能量和浓度条件产生产物相的异相成核。特别感兴趣的是，在三相点中，第四相的成核发生而没有额外的噪声。另一个观察结果是在各种合金中的共晶状或包晶状结构的生长。
2013-07-12 cond-mat.mtrl-sci
Phase field theory of polycrystalline solidification in three dimensions
本文提出了一种多晶凝固的相场论，它能在三维空间描述具有不同晶向的各向异性颗粒的形核和生长。与二维情况相反，其中单个取向场就足够了，在三维中，需要最少三个场。晶界的自由能被假定为与相邻晶体之间的角度差成比例，这里用四个对称欧拉参数的差来表示。由变分原理得到这些场的运动方程。说明性的计算进行多晶凝固枝晶，针和球晶生长形态。
2005-02-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Atomistic and continuum modeling of non-equilibrium melting of aluminum
在考虑和不考虑电子子系统的情况下，对铝的非平衡熔化进行了MD模拟。在此基础上，提出了一个熔化的连续介质模型，该模型用浓度场和熔化点的大小来描述当前的相态。通过热流分析，导出了熔化区的生长方程。基于热涨落方法建立了熔化点的形核方程。提出了利用MD模拟结果确定模型系数的方法。采用连续介质模型研究了强流电子束能量吸收区铝的非平衡熔化问题。
2015-12-24 cond-mat.mtrl-sci
Operando study of the evolution of peritectic structures in metal solidification by quasi-simultaneous synchrotron X-ray diffraction and tomography
University of Hull（赫尔大学）；Westlake University（西湖大学）；Diamond Light Source Ltd.（钻石光源有限公司）；Research Complex at Harwell（哈韦尔研究综合体）；Kunming University of Science and Technology（昆明理工大学）
本研究通过同步辐射X射线衍射与断层扫描技术，实现实时观察Al-Mn合金固结过程中共晶结构的形核与共生长动力学，揭示相共生长动力学及空间、晶体学和组分关系，发现Al4Mn六方柱状结构具有高各向异性生长行为，并形成Mn富集扩散层，影响后续相变。
2025-12-29 cond-mat.mtrl-sci
Probing the dynamics of quasicrystal growth using synchrotron live imaging
准晶生长的动力学是凝聚态物质中一个尚未解决的问题。通过同步辐射实时成像，刻面生长进行的切向运动的凸台在固-液界面上清楚地证明了所有沿凝固的二十面体AlPdMn准晶。界面动力学的影响是显着的，使新的小面晶粒的形核和自由生长发生在熔体中的凝固速率增加时。详细解释了这些晶粒的演化，揭示了铝排斥在毒化晶粒生长和驱动流体流动中的关键作用。
2005-07-06 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modeling of crystal nucleation in undercooled liquids -- A review
我们回顾了相场模型如何有助于理解晶体成核的各个方面，包括均匀和非均匀的过程，以及它们在微观结构演变中的作用。我们回顾了传统的相场方法，依赖于空间平均（粗粒度）的序参量捕获冻结，并通过最近开发的相场晶体模型，工作在分子尺度上，同时采用时间平均粒子密度，并被视为简单的动力学密度泛函理论的经典粒子所获得的结果。除了均匀成核和非均匀成核的简单情况之外，这些技术所解决的现象包括前体辅助成核、共晶和相分离系统中的成核、通过竞争成核过程的相选择、生长前沿成核、生长前沿成核、生长前沿成（在凝固前沿形成新取向的晶粒的过程）产生晶体层和球晶，等轴凝固组织由生长控制的胞状组织向形核控制的胞状组织转变。
2019-11-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Efficient and quantitative phase field simulations of polycrystalline solidification using a vector order parameter
提出了一种基于巨势泛函的矢量序参量相场模型，作为模拟合金多晶凝固的新方法。在这种方法中，巨势密度被设计为包含一组离散的有限阱，这是一种自然允许使用单个矢量场的多个晶粒的生长和受控相互作用的特征。我们验证了二元合金中的枝晶凝固在薄界面极限下遵循既定的定量行为。此外，它表明，晶界能和溶质反扩散定量与早期的理论工作是一致的，通过一个简单的固-固相互作用参数控制晶界能。此外，当考虑多晶聚集体和它们的粗化，我们表明，动力学遵循预期的抛物线生长规律。最后，我们展示了如何这个新的矢量序参量模型可以用来描述成核多晶系统通过热波动的矢量序参量，一个功能，迄今为止缺乏多相或多序参量为基础的相场模型。所提出的矢量序参量模型为多晶材料的模拟提供了一种实用而有效的计算工具。我们还讨论了扩展的序参量，以更高的维度作为一个简单的方法来模拟多个固相。
2021-02-22 cond-mat.mtrl-sci
The densification mechanism of squeeze casting
基于经典凝固理论和塑性形变理论，分析了挤压铸造过程中的凝固过程。在忽略熔体密度变化的情况下，冲头速度与凝固速度之间存在线性关系。为了获得无缺陷的铸件，冲头速度应大于凝固速度。并对致密化机理进行了探讨。塑性形变将导致中心熔融金属的径向移动，从而减小从中心到型壁的温度梯度，这为获得无缺陷铸件提供了条件：同时形核。
2009-03-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Role of pre-ordered liquid in the selection mechanism of crystal polymorphs during nucleation
采用过渡路径取样法研究了钼凝固过程中均匀形核的原子机制。该机制的特点是形成一个预结构区域的高键取向秩序的过冷液体，然后由结晶体相的成核的中心内的生长固体集群。这种前体在该过程中起着至关重要的作用，因为它提供了液体和结晶核之间的扩散界面，这降低了界面自由能并促进了体相的成核。此外，预定区域的结构特征不同于液相和固相，并且预选成核的特定多晶型物。Mo的成核机制与表现出不同结晶体相的金属的成核机制的相似性表明，前体的形成是在这些材料中观察到的一般特征。前体的结构特征对最终结晶体相的强烈影响表明，对于所研究的系统，多晶型物选择发生在成核的非常早期的阶段。
2020-06-09 cond-mat.mtrl-sci
Solidification Characteristics of Laser-Powder Bed Fused AlSi10Mg: Role of Building Direction
研究了激光-粉末床熔合（LPBF）成形方向对AlSi 10 Mg合金显微组织演变的影响。如实验制造的零件所示，构建方向可以影响凝固行为并促进胞状枝晶微结构中的形态转变。建立了AlSi 10 Mg合金激光加工过程的热模型，系统地研究了激光加工条件对熔池热特性的影响，为激光加工AlSi 10 Mg合金提供了指导。然后，我们采用了多序参量相场模型，研究LPBF-AlSi 10 Mg在稀释极限的微观结构演变，使用水平和垂直建设方向作为输入的底层热条件。这里采用的相场模型的目的是模拟凝固，允许考虑到形态学现象，包括柱状等轴过渡（CET）从孕育剂颗粒的异相成核。相场模型首先验证对先前开发的稳态CET理论的Hunt \cite{hunt1984steady}的预测。然后，它是用于在瞬态条件下研究微观结构的演变，揭示了形核率是显着较高的水平建造的样品，由于较大的成分过冷度，这是与实验观察相一致。我们进一步量化的局部冷却条件的建设方向的影响，从而对晶粒形态。
2020-03-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Homogeneous Nucleation of Undercooled Al-Ni melts via a Machine-Learned Interaction Potential
针对过冷 Al-Ni 熔体，构建高维神经网络势函数进行大规模分子动力学模拟，克服了第一性原理计算尺度限制，揭示了纯 Ni 与 AlNi 合金均以单步路径分别形核为 fcc 与 B2 结构。
2024-10-10 cond-mat.mtrl-sci
Crystal Nucleation in Eutectic Al-Si Alloys by Machine-Learned Molecular Dynamics
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, SIMaP（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，格勒诺布尔理工学院，材料科学研究所）
本研究利用机器学习分子动力学方法，揭示了等温Al-Si合金中形核机制，发现Al在亚共晶条件下形核，Si在超共晶条件下形核，且两者生长形态不同。
2025-06-10 cond-mat.mtrl-sci
Peaked bulk crystal nucleation in charged sphere melts from salt concentration dependent crystallization experiments at very low metastability
我们确定了散装晶体成核率在低亚稳带电球的水悬浮液。实验进行依赖于电解质浓度和两个不同的粒子数密度。随时间变化的成核速率显示出明显的初始峰值，而凝固后的晶体尺寸分布偏向于更大的晶粒尺寸。在每个浓度下，成核速率密度最初随盐浓度的增加而呈指数下降。然而，完整的数据集，显示出一个意想不到的缩放的成核速率密度与亚稳态倍的粒子数密度。用经典成核理论对结果进行参数化处理，发现核表面和成核势垒的界面自由能非常低，远低于热能。我们尝试性地将我们的观察结果归因于由所采用的条件化技术引入并充当成核种子的双重态的存在。
2021-11-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Modeling of Nucleation Processes
成核是一级相变的开始，通过该一级相变，亚稳相转变成更稳定的相。当一个初始处于平衡状态的初始系统由于外部参数如温度或压力的变化而不稳定时，就会发生这种相变。如果扰动足够小，系统不会变得不稳定，而是保持亚稳态。在扩散转变中，系统然后通过第二相的成核、生长和粗化而演变。这种相变在材料科学中的许多情况下都有发现，如液滴从过饱和蒸气中冷凝、固化、从过饱和固溶体中沉淀等。所有这些不同过程的初始阶段都可以在同一个框架内得到很好的描述。自1927年由Volmer、Weber和Farkas首次提出，并于1935年由Becker和Döring修改以来，经典成核理论一直是模拟相变中成核阶段的合适工具。在这篇文章中，我们首先描述了这个理论。一种动力学方法，簇动力学，也可以用来描述成核。这构成了本文的第二部分。强调了这两种描述之间的联系和区别。自其最初的公式，经典的成核理论已被丰富，以考虑到这一事实，即集群以外的单体可以迁移和反应。它还被扩展到多组分系统。这些初步形式主义的推广。
2010-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Overcoming the time limitation in Molecular Dynamics simulation of crystal nucleation: a persistent-embryo approach
在大多数情况下，从液体晶体成核是太罕见的传统分子动力学（MD）模拟的有限的时间尺度内访问。在这里，我们开发了一种“持久胚胎”的方法，以促进晶体成核的MD模拟，防止小晶体胚胎熔化使用外部弹簧力。我们将这种方法应用到纯Ni的情况下，一个温和的过冷度，没有形核可以观察到在传统的MD模拟，并获得与实验数据吻合良好的形核率。此外，该方法适用于模拟一个更缓慢的事件：在一个强大的玻璃形成Cu-Zr合金的B2相的成核。在相同的过冷度下，形核速率比Ni小8个数量级，这很好地解释了合金良好的玻璃成形性。因此，我们的工作开辟了一个新的途径来研究凝固在现实的实验条件下，通过原子计算机模拟。
2018-02-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Additively manufacturable high-strength aluminum alloys with thermally stable microstructures enabled by hybrid machine learning-based design
本研究针对增材制造铝合金高强度与热稳定性难以兼顾的问题，结合CALPHAD-ICME与贝叶斯优化的混合机器学习方法逆向设计合金成分，制备出兼具高强度、抗开裂性与高温稳定性的可增材制造铝合金。
2025-01-19 cond-mat.mtrl-sci
Derivation of the phase field crystal model for colloidal solidification
相场晶体模型目前被广泛用于预测晶体的成核和生长。对于具有完全过阻尼单个颗粒运动的胶体凝固，我们证明了相场晶体动力学可以通过动态密度泛函理论从微观Smoluchowski方程推导出来。不同的基本近似进行了讨论。特别是，相场晶体模型的一个变种，提出了涉及比标准相场晶体模型更少的近似。最后我们用动态密度泛函理论检验了这些相场晶体模型的有效性。特别是，从过冷熔体的线性晶体前的速度进行比较作为一个功能的过冷度的二维胶体悬浮液的平行偶极子。只有通过在相场晶体模型中对自由能进行剧烈缩放才能获得良好的一致性，以便与体凝固转变点相匹配。
2009-05-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Shock responses of nanoporous aluminum by molecular dynamics simulations
采用非平衡分子动力学模拟对纳米多孔铝的冲击响应进行了系统的研究。位错形核位置主要集中在空洞表面赤道附近的低纬区域。我们提出了一个连续波反射理论和一个分解的剪切应力模型来解释位错形核位置的分布。模拟揭示了两种机制的空洞崩溃：塑性机制和内部喷射机制。在相对较弱的冲击下，导致空洞横向坍塌的塑性机制占主导地位;而随着冲击强度的增加，导致空洞真空纵向填充的内部喷射机制起着更重要的作用。此外，异常热力学现象（即，温度随压力下降而升高）。这一现象与传统的朗肯-雨果尼奥理论不相容，可以用空穴坍缩的非平衡过程来解释。研究了空泡塌陷对纳米铝层裂断裂的影响。在相同加载速度下，np-Al的层裂强度低于单晶Al，但层裂阻力高于单晶Al，这是由于冲击波在np-Al中传播时热耗散和应力衰减的综合影响所致。
2016-10-13 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Precipitation in Al-Zr-Sc alloys: a comparison between kinetic Monte Carlo, cluster dynamics and classical nucleation theory
Zr和Sc在铝合金中析出形成Al 3 ZrxSc 1-x化合物，在低过饱和度下，该化合物具有L12结构。本研究的目的是在原子尺度上模拟沉淀的动力学，并建立介观模型，以扩大范围的过饱和度和退火时间，可以模拟到实际感兴趣的值。为此，我们利用从头计算和实验数据拟合了描述Al-Zr-Sc体系热力学的Ising型模型。采用基于原子-空位交换机制的动力学Monte Carlo算法研究了沉淀动力学。集团动力学模型，然后在介观尺度上的所有不同阶段的均匀沉淀在两个二元Al-Zr和Al-Sc合金。这种技术正确地管理，以再现动力学蒙特卡罗模拟的降水动力学以及实验观察。对成核阶段的研究表明，只要考虑体系的短程有序趋势，经典理论就能很好地适用。这使我们能够提出一个扩展的三元Al-Zr-Sc合金的经典形核理论。
2005-07-18 cond-mat.mtrl-sci
Solute segregation in polycrystalline aluminum from hybrid Monte Carlo and molecular dynamics simulations with a unified neuroevolution potential
本研究通过GPUMD中的混合蒙特卡洛与分子动力学方法，结合神经进化势，模拟15种溶质在多晶铝中的偏析，揭示其对强度的影响及晶界内聚力和位错机制，助力合金设计。
2024-04-21 cond-mat.mtrl-sci
Thermodynamic approach to liquid-to-glass transformation as an arrest transition in polydisperse solution
热力学多组分溶液凝固方法的液体到玻璃化转变的建议和实际机制的玻璃化，而不是粘性减速，被确定。由于液态下的多分散聚集，玻璃形成液体，不管化学组成如何，似乎是各种准组分的混合物，其热力学量不应以实际化学组分的摩尔浓度表示，而是以主要结构单元的相对浓度表示。从热力学上讲，任何玻璃形成剂都将表现为多组分溶液，并在表观液相线和固相线温度之间的连续温度范围内固化，该温度范围可被确定为玻璃化转变范围。使用扩展的不可逆热力学的多分散性的解决方案，它表明，在淬火，扩散和布朗在这样的解决方案中的质量传递是否定的热去除时间尺度内，这导致在动态逮捕成核和生长的集群和固-液相分离。快速溶液固化通过连续温度范围内的连续团簇冻结进行，与团簇尺寸分散性一致，这可以用静态多分散分形系综中的渗滤来描述，其中玻璃化转变温度自然出现为渗滤阈值。多组分溶液凝固框架被证明是协调定性和定量与模式耦合-随机一阶跃迁的情况。最后，论证了液-玻璃转变是热力学液-固相变，物质的玻璃态表现为缺陷在理想基体中的固体过饱和溶液，玻璃不能达到的真正平衡结构是晶态结构。
2022-09-13 cond-mat.mtrl-sci
Application of Finite Element, Phase-field, and CALPHAD-based Methods to Additive Manufacturing of Ni-based Superalloys
在这项工作中使用的数值模拟研究方面的显微组织和显微偏析的镍基高温合金在激光粉末床熔融增材制造过程中的快速凝固。有限元分析的热建模模拟激光熔池，表面温度与Inconel 625上的原位热成像测量结果一致。提取模拟熔池的几何和热特征，并用于随后的中尺度模拟。在两个长度尺度上模拟了熔池中的凝固。采用Scheil-Gulliver凝固模型和DICTRA软件计算了Inconel 625多元合金枝晶间的显微偏析。相场模拟，使用Ni-Nb作为一个二元类似物的Inconel 625，产生的显微组织与主细胞/树枝状臂间距与实测间距在实验观察到的显微组织和较小程度的显微偏析比预测的DICTRA模拟协议。的组合物配置文件是用来比较热力学驱动力的成核对实验观察到的沉淀物通过电子和X射线衍射分析确定。我们的分析列出了可能由富枝晶间成分的FCC相形成的沉淀物，并将这些沉淀物与在两个温度下1小时热处理的实验观察到的相进行比较：1143 K（870°C）下的应力消除或1423 K（1150°C）下的均匀化。
2017-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Numerical Investigation of Mechanical Properties of Aluminum-Copper Alloys at Nanoscale
纳米压痕是一种强大的工具，能够提供在纳米尺度上的材料弹性和塑性响应的基本见解。纳米尺度的合金特别有趣，因为原子研究揭示的局部异质性和变形机制为理解硬化机制提供了更好的方法，以构建更坚固的材料。本文采用原子模拟的方法研究了Al-Cu合金中的纳米压痕，通过位错驱动机制研究了加载方向、Cu合金化比例对压痕的影响。此外，一个低保真度的有限元（FE）模型已被开发用于纳米压痕模拟，其中纳米级材料的属性是从原子模拟。材料性能，如硬度和折合模量，计算从FE和MD模拟，然后比较。考虑到这两种数值方法之间的根本差异，从本研究中得到的有限元结果符合相当从MD模拟。这为在不需要高保真度结果的情况下使用FE以减少的模拟时间和成本找到合金的材料特性铺平了道路。计算结果包括载荷-位移分析、位错密度、位错环形核与扩展、应力分布和表面压痕。本文所采用的将原子数据纳入有限元模拟的技术可以进一步扩展，以寻找其他复杂合金材料的力学和断裂性能。
2020-09-29 cond-mat.mtrl-sci
The Crystallography of Aluminum and its Alloys
本章从纯铝开始，讨论晶体结构的形式和可用于描述晶体结构的不同晶胞。面心立方晶格参数和热膨胀系数在纯铝的测量进行审查和parametrisations，让读者评估他们在整个温度范围内，铝是固体。介绍了一种称为空位三角形的新概念，并证明它是确定铝熔点附近空位浓度的有效手段。德拜-沃勒因子，定量的热振动的铝原子在纯铝，审查和参数化的全范围的温度下，铝是固体。回顾了纯铝中原子间键合的性质及其表征的历史，得出了纯铝是四面体键合的明确结论。铝合金的晶体学，然后讨论的纯铝所涵盖的所有概念，使用突出的合金的例子。介绍了固态形核和沉淀物生长的电子密度域理论，并从晶体学的角度讨论了这一理论作为合理化合金相变的新手段。
2020-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Atomic scale investigation of grain boundary structure role on deformation and crack growth dynamics in Aluminum
采用分子动力学方法研究了晶界结构对界面塑性和界面裂纹动力学的影响<100><110>。在模拟与裂纹在接口处，本研究表明如何最大正常强度的接口相关的GB能量，GB取向差，和GB的结构描述。例如，在GB结构描述中，包含D结构单元（SU）或堆垛层错的GB的正常界面强度（θ 13（510）θ=22.6°和θ 97（940）θ=47.9°）显示界面强度与包含有利SU的其他评估的GB相比显著降低<100>。在接口的情况下<110>，在GB结构中的E SU的存在下，降低了35%的最大正常界面强度。进一步调查的变形在裂纹尖端的GB含有E结构显示，E SU进行原子洗牌，以适应内在的堆垛层错（ISF）沿界面，这反过来又作为一个网站的部分位错成核。有趣的是，无论GB的取向差，GB接口检查这里包含的E结构在其结构期间表现出相对较小的变化，在最大正常强度的接口。裂纹尖端前的GB体积发生结构重排，进而影响裂纹扩展机制。在大多数GB中，裂纹扩展是由于位错发射的交替机制，其次是位错的传播（钝化）和解理/裂纹前进。此外，沿GB界面的裂纹扩展速率受到界面处的初始自由体积的强烈影响，即，沿着具有较高初始自由体积的界面观察到更快的裂纹生长。
2013-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Microstructural diversity, nucleation paths and phase behaviour in binary mixtures of charged colloidal spheres
我们研究低盐，二元水悬浮液的带电胶体球的尺寸比Φ = 0.57，数密度低于共晶数密度n_E，和数分数p = 1.00-0.40。由均匀剪切熔体凝固获得的典型相是体心立方结构的替代合金。在严格气密的小瓶中，多晶固体在长时间内对熔化和进一步相变是稳定的。为了比较，我们也准备了相同的样品，缓慢和机械不受干扰的商业狭缝细胞去离子。这些细胞的特点是一个复杂的，但良好的再现性序列的全球和局部梯度的盐浓度，数密度和组成诱导连续去离子，电泳运输和差异沉降的组件，分别。此外，它们提供了适合β相非均质成核的扩展底表面。我们给出了一个详细的定性表征的结晶过程中使用成像和光学显微镜。与体样品相比，在狭缝单元中的初始合金形成不是体积填充的，并且我们现在还观察到具有低溶解度的奇数组分的α和β相。除了最初的均匀成核路线，梯度的相互作用打开了各种进一步的结晶和转化途径，导致微观结构的巨大多样性。在随后的盐浓度增加时，晶体再次熔化。基于壁的卵石状β相晶体和多面α晶体最后熔化。我们的观察结果表明，在体实验中形成的替代合金均匀成核和随后的增长是机械稳定的情况下，固-液界面，但结晶亚稳。
2023-02-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A molecular dynamics study of path-dependent grain boundary properties in nanocrystals prepared using different methods
晶界是不稳定的。因此，它们的性质应该是路径依赖的：使用不同方法制备的纳米晶体中的晶界可能表现出不同的性质。使用分子动力学模拟，我们研究了纳米晶体的晶粒边界形成的淬火，凝固与预诱导形核网站，和Voronoi镶嵌。一些属性被发现是路径依赖：淬火模型具有较低的边界能量每原子，较小的边界过剩自由体积每原子，和较慢的晶粒生长比Voronoi模型。我们推测这些差异是由于淬火模型中存在大量的退火孪晶所致。另一方面，其他属性是路径无关的，如杨氏模量，泊松比，晶界能量和边界过剩自由体积之间的比率。本研究的结果加深了对纳米晶结构与性能关系的理解，并为今后纳米晶材料的模拟研究提供了指导。
2021-04-28 cond-mat.mtrl-sci
On probabilistic aspects in the dynamic degradation of ductile materials
动态载荷产生高应力波，导致韧性材料如铝、铜、镁或钽的开裂。在此用来解释空穴数量随应力速率变化的主要机制是成核抑制，这是由已经成核的空穴的生长引起的。在概率模型的框架下，研究了层裂强度和临界时间随加载速率的变化关系。本方法，解释了以前的实验结果的应变率依赖性的层裂强度，被施加到分析钽的实验数据。
2009-10-27 cond-mat.mtrl-sci
Non-equilibrium Molecular Dynamics Study of Surface Wettability Effects on Pool Boiling of Water over Nanoscale Aluminum Substrate
Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Zanjan（赞詹大学工程学院机械工程系）
本研究通过非平衡分子动力学模拟，发现增强铝表面亲水性可降低爆炸沸腾点、提高临界热流密度，从而提升纳米尺度热管理性能。
2025-10-25 cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus physics.atom-ph
Solid-liquid interface free energy through metadynamics simulations
固液界面自由能γsl是控制凝固过程中形核和长大等现象的关键参数。在获得精确的实验值方面存在固有的困难，并且先前使用原子模拟来计算γsl的方法在计算上要求很高。本文提出了一种新的方法，即从用亚自洽方法重建的相变自由能图中得到γsl。我们将其应用到基准情况下的Lennard-Jones潜力和结果证实了以前获得的最可靠的数据。我们证明了我们的新方法的几个优点：它是简单的实施，强大的和免费的滞后问题，它允许一个严格的和无偏的估计的统计不确定性，它返回一个很好的估计的热力学极限与系统的大小只有几百个原子。因此，它是有吸引力的使用更现实和具体的模型的原子间的力量。
2010-05-19 cond-mat.mtrl-sci
