Phase-Field Formulation for Quantitative Modeling of Alloy Solidification
引入相场法定量模拟合金中微观结构斑图形成。薄界面的限制，这个配方产生一个严格得多的限制界面厚度的选择比以前的配方，并允许消除非平衡效应的接口。固体扩散系数为零的枝晶生长模拟表明，界面演化和固体中的溶质分布都得到了很好的解决。
2001-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative phase field modeling of solute trapping and continuous growth kinetics in rapid solidification
溶质捕集是合金快速凝固过程中的一个重要现象，连续生长模型（CGM）是目前流行的锐界面理论。使用匹配渐近分析，我们展示了如何将二元合金相场模型的尖锐界面行为定量映射到Aziz等人的CGM动力学上。[1]，具有可控的分配系数k（V）。我们展示了参数化，使相场模型映射到相应的CGM或经典的尖锐的接口模型。我们还证明了不同的接口宽度的映射是收敛的。最后，我们提出的效果，溶质捕获可以在定向凝固模拟细胞生长。溶质捕获的处理可以很容易地实现在不同的相场模型，并预计将是一个重要的功能，在快速凝固制度，如增材制造相关的定量相场建模的未来研究。
2018-09-13 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
An Isotropic Discretization with Semi-implicit Approach for Phase Field Model of Alloy Solidification
针对相场模型离散化引起的伪各向异性问题，提出基于六边形网格的二维各向同性离散化方法，并结合半隐式算法提高计算效率，显著减少网格诱导各向异性。
2023-09-02 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative Phase Field Model of Alloy Solidification
我们提出了一个详细的推导和薄界面分析相场模型，可以准确地模拟微观结构的斑图形成的低速定向凝固的稀二元合金。相对于先前的相场模型的这一进步是通过在质量守恒关系中添加唯象的“反捕获”溶质流来实现的[A。Karma，Phys. Rev. Lett 87，115701（2001）]。这种反捕获电流抵消物理，虽然人为的大，溶质捕获效应时产生的介观界面厚度被用来模拟实验长度和时间尺度上的界面演变。此外，当固体和液体中的扩散率不相等时，它在模型中提供了额外的自由度，以抑制与该厚度成比例的其他虚假效应[R. F. Almgren，SIAM J. Appl. Math 59，2086（1999）]，其包括表面扩散和对Stefan条件的曲率校正。这种自由度也可以用来使界面的动力学过冷度任意小，甚至对于界面厚度和相场弛豫时间的介观值也是如此，就像对于纯熔体的凝固一样[A.卡玛和W J. Rappel，Phys.Rev.E53，R3017（1996）]。该模型的性能表明，通过精确计算的第一次内的相场方法的Mullins-Sekerka稳定性谱的平面界面和非线性细胞的形状为现实的合金参数和生长条件。
2004-07-27 cond-mat.mtrl-sci
Towards a quantitative phase-field model of two-phase solidification
我们建立了一个两相凝固的扩散界面模型，定量地再现了经典的自由边界问题的固液界面薄界面限制。收敛性测试和边界积分模拟的共晶生长的比较显示出良好的精度为稳态laminate，但极限环的结果取决于通过三结行为的界面厚度。这就提出了扩散多结动力学的基本问题。
2004-01-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
Stochastic phase-field simulations of symmetric alloy solidification
本文采用非变分波动相场模型研究了定向凝固的初始过渡阶段。该模型适用于二元稀溶液的对称凝固，不需要用涨落耗散定理来解释涨落统计。我们致力于我们的注意力瞬态政权期间，浓度梯度的建立和波动的作用，使界面不稳定。为此，我们计算的时间依赖的增长率的每一个模式和功率谱的波动的影响下演变的接口。定量协议时，发现比较相场模拟与理论预测。
2004-09-28 cond-mat.mtrl-sci
Interfacial undercooling in the solidification of colloidal suspensions-analyses with quantitative measurements
界面过冷度对胶体悬浮液凝固过程中微观斑图形成有重要影响。胶体悬浮液冷冻过程中存在两种界面过冷现象，即溶剂中添加剂引起的溶质过冷和颗粒引起的颗粒过冷。然而，定量识别冷冻胶体悬浮液的界面过冷度仍然缺乏，它仍然是未知的过冷度是占主导地位的。界面过冷度的揭示与冰模板多孔材料的设计密切相关。通过定量的实验测量，我们发现界面过冷度主要来自于溶剂中添加剂引起的SCS，而PCS可以忽略不计。这一发现意味着PCS理论不是胶体悬浮液固化中图案化的基本物理机制。而冰模板法中的图案可以通过调节添加剂来有效控制。
2016-07-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Extending phase field models of grain boundaries to three dimensions
在这封信中，我们描述了一种方法，将现有的多晶凝固相场模型从二维扩展到三维（3D）。
2005-02-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
An orientation-field model for polycristalline solidification with a singular coupling between order and orientation
多晶材料的凝固可以用取向场模型来模拟，取向场模型是用两个连续的场来表示的：描述热力学状态的相场和指示晶轴局部方向的取向场。现有模型的自由能泛函通常包含与取向梯度的模量成比例的项，这使得它们的数学分析复杂化，并引起晶界之间的人工长程相互作用。我们提出了一种替代模型，其中只有方向梯度的平方出现，但其中的相位和方向场耦合由一个奇异函数，发散在固相。我们表明，该模型具有稳定的晶界，其相互作用随距离呈指数衰减。此外，我们证明，各向异性的表面能可以包括在保持变分结构的模型。说明性的二维例子的数值模拟。
2012-07-27 cond-mat.mtrl-sci nlin.PS
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
Grain growth competition during melt pool solidification -- Comparing phase-field and cellular automaton models
已经提出了一个广泛的计算模型来预测凝固过程中的微观组织的发展，但他们很少被相互比较的定量和系统的基础上。在本文中，我们比较相场（PF）和元胞自动机（CA）模拟的多晶生长在一个二维的熔池条件下的增材制造（粉末床融合）。我们比较使用本地（逐点）测量，以及平均晶粒取向分布在几个模拟得到的晶粒结构。我们探讨了CA空间离散化水平和熔池纵横比对所选晶粒织构的影响。我们的模拟表明，详细的微观特征相关的瞬态生长条件和固液界面稳定性（例如，初始平面生长阶段之前，其细胞/树枝状不稳定，或早期消除不利的取向晶粒由于相邻的晶粒侧支）只能被捕获PF模拟。由此产生的PF和CA预测之间的分歧只能部分解决的CA网格的细化。然而，在整个熔池的几个模拟平均的整体晶粒分布似乎导致PF和CA之间的一个显着更好的协议，与熔池形状和CA网格的一些变化。虽然还需要进一步的研究，特别是要确定适当的选择CA空间离散化和其链接到特征微观结构的长度尺度，本研究提供了一个有用的一步，在这个方向上，通过比较这两种方法定量在过程相关的长度和时间尺度。
2022-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Linking Phase-Field and Atomistic Simulations to Model Dendritic Solidification in Highly Undercooled Melts
尽管我们对枝晶凝固的理论认识相对较好，但我们目前对这一过程进行定量建模的能力仍然非常有限。这是由于这样的事实，即枝晶的形态发展敏感地依赖于毛细管的各向异性的程度和/或固液界面的动力学性质，这对于冶金学感兴趣的材料是不精确已知的。在这里，我们模拟结晶高度过冷镍熔体使用计算效率相场模型连同各向异性最近预测的分子动力学模拟。结果进行比较的实验数据和线性化的溶解性理论，包括在界面处的毛细管和动力学效应的预测。
2001-12-10 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
Large-scale multiscale modeling of phase transformation in nanocrystalline materials: Atomistic and Phase-Field methods
本研究将原子分子动力学模拟与介观相场计算方法相结合，以研究多晶铝微结构中的相变。事实上，工程材料的微观结构计算建模可以帮助优化其工业应用的机械性能（例如涡轮叶片的定向凝固）。因此，多尺度建模方法的开发，以找到制造变量（如温度）和晶体材料的微观结构特性（如晶粒尺寸）之间的关系，这可以用来开发一个先进的制造工艺的敏感应用。结果表明，晶粒生长的原子模型可以作为研究相变动力学的第一性原理方法，更准确地描述多晶材料的形貌。另一方面，相场介观方法需要较少的计算工作量，但仍然依赖于半经验数据来捕捉准确的相变制度，这使得这种方法适合于快速检查新的制造条件以及其对多晶材料的微观结构性能的影响。
2019-06-17 cond-mat.mtrl-sci
Microstructural Pattern Formation during Far-from-Equilibrium Alloy Solidification
我们介绍了一种新的相场制剂的快速合金凝固，定量地结合在固液界面的非平衡效应在一个非常宽的范围内的界面速度。模拟发现了一种新的动力学不稳定性的枝晶尖端生长驱动的溶质捕获速度接近绝对稳定极限。他们还再现了广泛观察到的带状微观结构的形成，揭示了这种不稳定性如何触发枝晶和无偏析凝固之间的过渡。预测的能带间距与快速凝固Al-Cu薄膜中的观察结果定量一致。
2023-01-08 cond-mat.mtrl-sci nlin.PS physics.comp-ph
Linear morphological stability analysis of the solid-liquid interface in rapid solidification of a binary system
在线性近似下，分析了平面固-液界面在小扰动下的界面稳定性。按照Trivedi和Kurz（Trivedi R，Kurz W. Acta Metall 1986;34：1663），其推进了Mullins和Sekerka（Mullins WW，Sekerka RF. J Appl Phys 1964; 35：444）的情况下，快速凝固，我们扩展了该模型，通过引入局部非平衡的溶质扩散场周围的界面。在局部非平衡溶质扩散的存在下，给出了扰动界面周围的热质输运问题的一个解。利用发展中的局部非平衡凝固模型，线性形态稳定性的自洽分析与归因于边缘（中性）和绝对形态稳定的快速移动的界面。特别考虑的情况下，在负和正的温度梯度凝固的界面稳定性。相对于Hoglund和Aziz（Hoglund DE，Aziz MJ. Mat Res Soc Symp Proc 1992;205：325）对Si-Sn合金快速凝固过程中界面破裂的临界溶质浓度的研究。
2003-10-06 cond-mat.mtrl-sci
A unified theory of grain growth in polycrystalline materials
晶粒生长是在细胞结构中观察到的普遍和基本的现象，其中晶粒组装体被晶界网络分开，包括金属和陶瓷。然而，60多年来，粮食增长的基本机制仍然不明确。基于晶界迁移和毛细驱动力之间的经典线性关系的晶粒生长模型，通常预测正常的晶粒生长。尽管经过几十年的努力，但缺乏定量的晶粒异常生长模型。在这里，我们提出了一个统一的模型来定量地揭示晶粒生长的演变，它预测的正常，异常和停滞行为的晶粒生长在多晶材料。该模型表明，晶界迁移与毛细驱动力之间的关系一般是非线性的，但在特定情况下会转变为经典的线性关系。此外，在多晶SrTiO 3中观察到的晶粒生长实验证明了统一模型的有效性。该研究为理解和预测多晶材料中晶粒生长提供了一个统一的定量模型，从而为优化多晶材料性能的微观结构设计提供了有益的指导。
2018-12-14 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative theory of the grain boundary impact on the open-circuit voltage of polycrystalline solar cells
薄膜多晶光致发光是一种成熟的商业相关技术。然而，关于晶界在这些材料性能中的作用以及这些缺陷可能限制进一步进展的程度的基本问题仍然存在。在这项工作中，我们首先扩展以前的分析柱状晶界开发一个模型的“倾斜”晶界的复合电流。然后，我们考虑系统与多个，相交的晶界和数值确定的参数空间，我们的分析模型准确地描述了复合电流。我们发现，对于与薄膜光电性能相关的材料参数，我们的模型可以应用于计算具有非均匀晶界网络的材料的开路电压。该模型弥补了纳米级表征观察到的晶界特性分布与其对宏观器件开路电压的影响之间的差距。
2019-02-10 cond-mat.mtrl-sci
On the role of boron, carbon and zirconium on hot cracking and creep resistance of additively manufactured polycrystalline superalloys
研究了三种不同硼、碳和锆含量的镍基高温合金的热裂敏感性和蠕变抗力。对于含硼、碳且不含锆的合金，可实现无裂纹和抗蠕变部件。然后，我们合理化这一结果，通过评估硼，碳和锆是如何分布在晶界上的建成和热处理的微观结构的合金含有所有这些元素。观察是通过扫描和透射电子显微镜，原子探针断层扫描。在完工显微组织中，由于溶质分配到液体中以及凝固和冷却期间有限的固态扩散，硼、碳和锆在高角度晶界处偏析。热处理后，晶界处硼和碳的偏聚量显著增加。相比之下，在晶界处未发现锆，但其在热处理期间形成的γ '沉淀物处分配。已知在竣工状态下晶界处锆的存在容易增强热裂纹，而其在热处理微观结构中的缺失强烈表明该元素对抗蠕变性没有重大影响。根据我们的观察，我们提出了合金设计指南，以避免在制造过程中出现热裂纹，并在热处理后达到所需的蠕变性能。
2021-05-18 cond-mat.mtrl-sci
Logarithmic wave-mechanical effects in polycrystalline metals: Theory and experiment
具有对数非线性的Schrodinger型波动方程出现在具有毛细作用和表面张力的Korteweg型材料的流体动力学模型中，该材料可以经历液-固或液-气相变。该理论的预测之一是以气泡（拓扑相）或细胞（非拓扑相）的形式出现的密度不均匀性的周期性模式。这种不均匀性描述的对数波方程，高斯和扭结，在附近的液-固相变的孤子解。在凝固过程中，这些不均匀性成为成核中心，从而形成金属颗粒的多晶结构。该理论预测了这样的细胞内的材料密度的高斯分布，这应该表现在晶粒内的显微硬度的高斯样分布。我们报告的铁素体钢S235/A570，铜C-Cu/C14200，奥氏体钢X10 CrNiTi 18 -10/AISI 321，和铝镁合金5083/5056的晶粒结构的大规模周期性的实验证据，以及高斯型的平均晶粒内的显微硬度在这些材料。
2022-12-13 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Element-Specific Solute Trapping and Grain Structure Evolution during Laser Powder Bed Fusion of Multicomponent Alloys
University of Michigan, Dearborn（密歇根大学迪尔伯恩分校）；Texas A&M University（德克萨斯农工大学）；AlphaSTAR Technology Solutions（AlphaSTAR技术解决方案）；University of Michigan, Ann Arbor（密歇根大学安娜堡分校）
本研究通过CALPHAD辅助高斯过程回归相场方法，揭示了多组分合金在激光粉末床熔融快速凝固中元素特异性溶质捕获对形核和晶粒演化的调控机制，并得到EBSD验证。
2026-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative phase-field modeling of two-phase solidification
本文建立了一个定量模拟低速共晶和包晶凝固过程的相场模型。它的基石是一个平滑的自由能泛函，其设计使得连接任何两个阶段的稳定解决方案完全不受第三阶段的影响。对于这个功能的最简单的选择，两个固-液界面的运动方程可以映射到单相凝固的标准相场模型，并可以消除所有的薄界面修正的固-液界面的动态。这意味着模拟结果变得与扩散界面的厚度W无关。因此，使用远大于物理界面厚度的W值可以获得准确的结果，这使得模拟现实的实验参数是可行的。收敛的模拟结果与减少W明确证明。相应的自由边界问题的边界积分制定的结果进行了比较。除了在分歧点附近出现差异外，发现了极好的一致性。这些差异表明，与自由边界问题的标准假设相反，在平衡状态下，相场模型的扩散三结区域可以（i）稍微偏离接触角的杨氏定律，以及（ii）在每个时刻与固-固界面形成有限角度的方向上前进。虽然偏差（i）在界面厚度消失的极限下外推到零，但（ii）中的小角度大致保持不变，这表明它可能是一种真正的物理效应，即使对于原子尺度的界面厚度也存在。
2005-02-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
On the effect of Ti on Oxidation Behaviour of a Polycrystalline Nickel-based Superalloy
钛通常被添加到镍超合金中，但对抗氧化性具有有据可查的有害影响。目前的工作构成了第一个原子尺度的定量测量晶界和块体成分的氧化物规模的当前一代多晶镍高温合金通过原子探针断层扫描进行。钛被发现是特别有害的氧化皮生长通过晶界扩散。
2018-10-24 cond-mat.mtrl-sci
Response-function-optimized phase field modeling of solute trapping and solute drag in rapid alloy solidification
VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.（芬兰技术研究中心）；McGill University（麦吉尔大学）
研究快速合金凝固微观结构预测问题，核心方法是基于优化校准策略将目标响应函数嵌入相场公式获优化扩散率函数，主要贡献为证明模型准确性通用性、研究溶质拖拽影响及扩展到多元合金，为相关模拟提供途径。
2026-10-14 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Mapping of Microstructure Transitions during Rapid Alloy Solidification Using Bayesian-Guided Phase-Field Simulations
本研究结合高保真相场模拟与贝叶斯主动学习方法，绘制Fe-Cr合金快速凝固中微观组织转变图谱，验证经典KGT模型的预测准确性并发现低G下的中间型微观组织，为合金工艺参数设计提供计算工具。
2025-08-01 cond-mat.mtrl-sci
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
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
Orientation gradients in rapidly solidified pure aluminum thin films: comparison of experiments and phase-field crystal simulations
对薄膜铝样品的快速凝固实验表明，结晶晶粒内存在晶格取向梯度。为了研究这一现象，单组分相场晶体（PFC）模型，捕获的固体，液体和蒸汽相的属性，提出了定量模拟纯铝。该模型的粗粒度振幅表示用于模拟接近微米尺度的样品中的凝固。模拟重现实验观察到的取向梯度内的结晶晶粒生长时，在实验相关的快速淬火。我们提出了一个因果关系的缺陷和取向梯度之间的形成。
2021-03-31 cond-mat.mtrl-sci
Can Symmetric Tilt Grain Boundaries Represent Polycrystals?
该研究针对用高对称重合位置点阵晶界代表多晶晶界的模拟常规做法，通过定量比较晶界原子位点与性能谱，以溶质偏析为例证明Σ<10的高对称倾斜晶界无法准确反映多晶晶界环境，会带来认知偏差。
2023-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Unified derivation of phase-field models for alloy solidification from a grand-potential functional
在文献中，对于合金凝固问题，可以找到两种完全不同的相场公式：第一种是假设扩散界面上的材料处于固液之间的中间状态，具有独特的局部成分。在第二种情况下，界面被视为两相的混合物，每一个保留其宏观性质，并为每个阶段引入一个单独的浓度场。它在这里示出，这两种类型的模型可以通过标准的变分过程，如果一个大的潜在功能是作为一个出发点，而不是一个自由能功能。动力学变量是化学势而不是组分。在这个框架中，可以建立与纯物质凝固的相场模型的完全类比。这种类比，然后利用制定定量相场模型的合金与任意相图。数值模拟结果表明，该方法的精度与不同的界面厚度。
2011-05-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Scalable Autoregressive Deep Surrogates for Dendritic Microstructure Dynamics
本文提出基于短轨迹相场模拟训练的自回归深度代理模型，实现枝晶微结构演化在可扩展时空尺度上的高效准确预测，加速超两个数量级，并在Al-Cu合金凝固中验证了其与相场基准的高度一致性。
2025-11-05 cond-mat.mtrl-sci
Morphological stability of solid-liquid interfaces under additive manufacturing conditions
了解与增材制造（AM）相关的速度下的快速凝固行为对于控制微观结构选择至关重要。虽然原位可视化凝固动力学现在是可能的，系统的研究AM条件下的微观结构的结果相比，凝固理论仍然缺乏。在这里，我们测量固体-液体界面速度的Ni-Mo-Al合金单晶AM条件下与同步辐射X射线成像，表征的微观结构，并显示与经典理论的差异，关于平面固液界面的绝对稳定的起始速度。实验观察表明，细胞/树枝状微观结构可以持续在速度大于预期的绝对稳定性极限，带状结构的形成理论上应该出现。我们表明，理论和实验观察可以调和适当占溶质捕集和动力学过冷的速度依赖的合金的固相线和液相线温度的影响。进一步的理论发展和关键的热物理参数的准确评估-如液体扩散系数，固-液界面过剩自由能，和动力学系数-仍然需要定量研究这种差异，并铺平道路的预测和控制的微观结构选择快速凝固条件下。
2023-03-16 cond-mat.mtrl-sci
The influence of anisotropy on the evolution of interfacial morphologies in directional solidification: A phase-field study
通过调节界面能、曲率和速度，各向异性在界面过程和传输过程之间的相互作用中起着重要作用，决定了凝固结构。本文通过定量相场模型，研究了各向异性对定向凝固界面形貌演化的影响。为了代表不同的界面各向异性，执行具有不同的择优晶体取向的凝固过程。系统地讨论了各向异性对形貌演化的影响。在平面生长阶段，界面各向异性对输运过程和形貌演化没有影响。在平面失稳的起始时刻，各向异性通过调整界面刚度决定了详细的演化。在平面胞状转变阶段，由于各向异性的影响，界面曲率从θ0=0°减小到θ0=40°。因此，界面前的溶质浓度从θ0=0°增加到θ0=40°，而界面的瞬时速度从θ0=0°减小到θ0=40°。在准稳态阶段，各向异性决定了一次枝晶的生长方向和尖端速度，以及侧枝的开始。
2022-10-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Delayed solidification of soft glasses: New experiments, and a theoretical challenge
当受到大振幅振荡剪切应力时，Laponite水悬浮液在长延迟时间tc后显示出突然的固化转变。我们测量的应力幅值，频率，并对年龄依赖的初始损耗模量的TC的依赖性。乍一看，我们的观察出现定量一致的一个简单的软玻璃流变（SGR）型模型，在该模型中，介观元素的障碍交叉是纯粹的应变诱导。对于给定的应变幅γ0，每个单元可以根据其局部屈服应变是否超过γ0而被分类为流体或固体。每个循环，屈服单元的势垒高度E根据固定的先验分布ρ（E）重新分配：这固定了流体单元变成固体的每个循环概率R（γ0）。当固体元素的分数增加时，γ0下降（在恒定的应力幅下），因此R（γ0）增加。这种正反馈解释了长时间延迟后突然固化的原因。因此，该模型似乎直接将宏观流变学与介观势垒高度统计联系起来：在其概念范围内，我们的数据指向ρ（E）的幂律，而不是SGR中通常假设的指数形式。然而，尽管这一明显的成功，更仔细的研究表明，该模型的假设不能与我们的实验中出现的极大的应变振幅。因此，锂皂石延迟固化的定量解释仍然是一个开放的理论挑战。
2012-04-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Benchmarking of Massively Parallel Phase-Field Codes for Directional Solidification
Northeastern University（东北大学）；University of Michigan（密歇根大学）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
本文比较了两种先进的相场代码在模拟实验相关条件下合金固结的性能，评估了其在2D和3D中枝晶形态、初级间距和尖端动力学的预测能力，以及数值收敛性和计算性能。
2026-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Influence of grain morphology and orientation on saturation magnetostriction of polycrystalline Terfenol-D
本文用有限元法研究了显微结构对Terfenol-D（Tb $_{0.27}$ Dy $_{0.73}$ Fe $_{2}$）饱和磁致伸缩的影响。该模型是基于磁饱和时的平衡磁弹性应变张量，并表明，晶体取向可能发挥更重要的作用，比晶粒的形态饱和磁致伸缩。我们还计算了饱和磁致伸缩对取向生长晶体方向上晶粒分布的色散角的依赖性$<011>$和$<111>$，发现非高度取向的晶粒分布显着降低饱和磁致伸缩。这一结果表明，在合成晶粒取向多晶Terfenol-D的高质量控制的重要性，并提供了一个定量估计的取向晶粒分布的分散角的可接受的值的范围。
2021-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Interfacial instability of a planar interface and diffuseness at the solid-liquid interface for pure and binary materials
随着凝固速率的变化，会发生形貌和扩散界面的重构。在这篇文章中，我们追求的假设，在凝固过程中的界面配置是由严格的固体和严格的液相之间的区域的熵产生率。我们认为，当一个接口开始迁移时，有几种稳定的配置是可能的。这些包括原子平面、扩散平面、小平面非平面和蜂窝非平面。提供最大熵产生率（MEPR）的配置和地形条件产生最稳定的界面配置。MEPR的原理应用于（1）描述原子级光滑和扩散界面，（2）提供扩散界面厚度和界面区域中伪原子层的数量的定量结果，以及（3）预测作为凝固速度或温度梯度的函数的从平面到非平面小面或非小面胞状形态的转变。60多年来的大量实验研究未能全面验证任何现有的固液界面（SLI）生长不稳定性模型。与MEPR模型，第一次，击穿条件的预测具有相当程度的准确性，为一些二元合金，没有以前的理论模型具有可预测性。该模型考虑稳态凝固在接近和远离平衡条件。
2017-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Multiple scattering theory for polycrystalline materials with strong grain anisotropy: theoretical fundamentals and applications
本文的工作是作者先前工作“强性质涨落非均匀弹性介质的多次散射理论”的理论基础和应用的自然推广，为发展强散射非均匀弹性介质的多次散射模型奠定了基础。在这项工作中，相应的多重散射理论的多晶材料与随机取向的各向异性微晶的发展。作为超声无损检测的应用，本文计算了航空工程中最重要的多晶材料之一高温钛合金的色散和衰减系数。研究了晶粒对称性、晶粒尺寸和合金元素对色散和衰减行为的影响。获得的关键信息对定量评估平均晶粒尺寸、监测相变、甚至估计燃气涡轮发动机中钛部件的化学成分的逐渐变化具有重要意义。对于地震学应用，在整个频率范围内获得了地球最上层内核的六方和立方多晶铁模型的速度和Q因子。这项工作提供了一个通用的，定量的模型表征各种多晶材料。它还可以扩展到包含更复杂的微观结构，包括具有或不具有纹理的椭球形晶粒，甚至多相多晶材料。该模型在航空航天结构的超声无损检测和评价中具有很大的应用潜力。为地震资料定量解释和反演地球内核物质组成和构造形成提供了理论框架。
2017-10-10 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Eutectic colony formation: A phase field study
在三元合金凝固过程中，当成分接近二元共晶谷时，通常会观察到共晶两相胞，也称为共晶团。与在稀二元合金中形成的凝固细胞类似，菌落形成是由宏观平面共晶凝固前沿的形态不稳定性触发的，所述形态不稳定性是由于在液体中扩散的三元杂质的两个固相的排斥。在这里，我们开发了一个相场模型的二元共晶与稀三元杂质，我们调查的动态模拟的初始线性政权的这种不稳定性，和随后的高度非线性演化的界面，导致充分发展的两相细胞的间距远大于片层间距。我们发现与我们最近的线性稳定性分析[M. Plapp和A. Karma，Phys.Rev.E60，6865（1999）]，其预测了可能是静止的或振荡的长波长模式引起的波前的不稳定。然而，一个很好的比较，揭示了通常归因于卡恩的假设，即薄片生长垂直于凝固前沿的包络线是弱违反相场模拟。我们发现，即使弱，这种违反有一个重要的定量影响的稳定性的共晶阵线。我们还研究了充分发展的殖民地的动态，发现复合共晶前沿的大规模信封不收敛到一个稳定的状态，但表现出细胞消除和尖端分裂事件的最大倍模拟。
2001-12-11 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative 3D mapping of chemical defects at charged grain boundaries in a ferroelectric oxide
氧化物界面的极性不连续性和结构变化可以引起各种各样的电子和离子现象。在外延系统中，包括铁电畴壁和超晶格中的界面，相关的效应已经被深入研究。在这里，我们研究多晶铁电ErMnO3中的极性不连续性和晶界处的局部化学之间的关系。使用取向映射和不同的扫描探针显微镜技术，我们表明，多晶材料开发带电的晶界增强电子电导。通过进行原子探针断层扫描测量，我们发现在所有的晶界的铒和氧的耗尽的富集。所观察到的组成变化转化为超过可能的极化驱动效应的电荷，表明结构现象而不是静电决定了局部化学组成和电子输运行为的相关变化。研究表明，带电晶界的行为明显不同于带电畴壁，在极性氧化物界面的性能工程提供了额外的机会。
2023-03-23 cond-mat.mtrl-sci
Comparing mesoscopic models for dendritic growth
我们提出了一个定量的基准多尺度模型的枝晶生长模拟。我们专注于基于相场，树枝状针网络和晶粒包络动力学的方法。作为第一步，我们专注于在三维过饱和液体中的等轴晶粒的等温生长。一个定量的相场制定凝固的稀二元合金被用作参考基准。我们研究了数值和建模参数的影响，在针为基础的和基于的方法，在他们的能力，定量再现相场参考结果。根据这个基准，我们讨论了定量和有效地预测瞬态和稳态的枝晶生长的每种方法的能力和局限性。我们确定的参数，产生一个很好的折衷之间的准确性和计算效率，在针为基础的模型和针为基础的模型。我们希望这些结果将指导这些模型的进一步开发和利用，并最终铺平道路，定量桥接的枝晶尖端规模与整个实验和凝固过程。
2020-06-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Unraveling impacts of polycrystalline microstructures on ionic conductivity of ceramic electrolytes by computational homogenization and machine learning
本研究针对氧化物陶瓷晶界离子电导率低的瓶颈，通过有限元均匀化计算分析多晶微观结构对离子电导率的影响，构建图神经网络模型实现电导率精准预测，为微观结构优化提供定量指导。
2024-05-15 cond-mat.mtrl-sci
Ubiquitous short-range order in multi-principal element alloys
该研究通过增材制造与定量电镜表征发现CoCrNi基多主元合金中的短程有序在凝固过程中普遍形成，且对冷却速率和退火不敏感，为SRO工程调控提供了新思路。
2024-02-23 cond-mat.mtrl-sci
High-rate Plastic Deformation of Nanocrystalline Tantalum to Large Strains: Molecular Dynamics Simulation
在这里，我们使用大规模的分子动力学（MD）模拟的高速率变形的纳米晶体钽调查的过程与塑性形变的应变高达100%。我们使用的初始原子配置，通过模拟的凝固在Streitz等人的工作[物理评论快报。96，（2006）225701]。这些3D多晶系统具有10-20 nm的典型晶粒尺寸。我们还研究了快速淬火液体（非晶态固体）钽。我们应用一个恒定的体积（等容），恒温（等温）剪切变形的应变率范围内，并计算得到的应力-应变曲线的大应变单轴和双轴压缩。我们研究的速率依赖性和识别塑性形变机制。通过一种新的技术，计算局部晶粒取向，返回它作为一个四元数为每个原子的机制的识别。我们发现位错和孪晶过程都很重要，它们在这些极细晶组织中的弱应变硬化中相互作用。
2009-02-26 cond-mat.mtrl-sci
GRAINSMITH: A Generator of Polycrystalline Models for Atomistic Simulations with Statistical and Grain-Boundary Morphology Control
Fırat University（埃尔津詹大学）
GRAINSMITH是一个开源Python包，通过统计控制和可选的晶界形态生成可复现的多晶原子模型，支持多种晶体学特征，用于分子动力学模拟和微观结构效应研究。
2026-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modeling of microstructure evolution: Recent applications, perspectives and challenges
简要回顾了相场法模拟微观结构演化的研究进展。重点放在最近的应用相场模拟固态微观结构的演变和凝固，已经比较和/或验证实验。它们显示了相场建模的潜力，可以对加工和微观结构之间的联系进行定量预测。最后，一些当前的挑战，在综合计算材料工程的背景下，扩展相场模型的应用。
2021-04-20 cond-mat.mtrl-sci
Stochastic 3D microstructure modeling of twinned polycrystals for investigating the mechanical behavior of $γ$-TiAl intermetallics
本文提出含相邻孪晶和内含孪晶的γ-TiAl多晶随机三维微观结构模型，结合傅里叶全场计算揭示孪晶对弹性响应的软化作用远大于形貌差异，并验证了双尺度均匀化估计。
2024-02-28 cond-mat.mtrl-sci
An integrated full-field model of concurrent plastic deformation and microstructure evolution: Application to 3D simulation of dynamic recrystallization in polycrystalline copper
在高温下的许多时间依赖性变形过程产生显著的并发微观结构变化，可以以深刻的方式改变机械性能。这种微观结构的演变通常是缺乏中尺度变形模型和模拟。在这里，我们提出了一个集成的全场建模方案，耦合的机械响应与底层的微观结构的演变。作为第一个演示，我们集成了基于快速傅立叶变换的弹粘塑性（FFT-EVP）模型与相场（PF）再结晶模型，并进行三维（3D）模拟多晶铜的动态再结晶（DRX）。FFT-EVP和PF之间基于物理的耦合是通过以下方式实现的：（1）在FFT-EVP中采用基于位错的本构模型，其允许将预测的位错密度分布转换为存储的能量分布并传递到PF，以及（2）实施用于DRX的随机成核模型。与实验DRX应力-应变曲线校准，集成模型能够提供全场的力学和微观结构信息，从DRX可以实现定量描述和分析。有人建议，DRX的启动发生显着早于以前的预测，由于非均匀变形。DRX晶粒被揭示为在晶界和结（例如，四重连接），并且在生长期间倾向于保持与旧晶粒的三线。由此产生的应力重分布被发现有深远的影响，随后的位错演化和软化。
2015-12-02 cond-mat.mtrl-sci
PolyCrysDiff: Controllable Generation of Three-Dimensional Computable Polycrystalline Material Structures
PolyCrysDiff通过条件潜在扩散框架实现了可计算的多晶材料三维微结构可控生成，有效提升了晶粒属性控制精度，为多晶材料的优化设计提供新方法。
2026-03-12 cond-mat.mtrl-sci cs.CV
Phase-field modeling of biomineralization in mollusks and corals: Microstructure vs. formation mechanism
虽然生物结晶过程已在微观尺度上进行了广泛的研究，解决这种现象的中尺度方面的模型是罕见的。在这项工作中，我们调查是否相场论发展在材料科学描述复杂的多晶结构的介观尺度上可以有意义地适用于模拟生物系统中的结晶。我们展示了相场技术的能力，通过模拟一系列的微观结构中观察到的软体动物壳和珊瑚骨骼，包括颗粒状，棱柱状，片状/柱状珍珠层，和洒球晶结构。我们还比较了两种可能的钙化微观机制：经典的路线，通过从流体状态和非经典的路线，结晶的无定形前体沉积在固化前通过离子的离子添加。我们表明，适当选择的模型参数的微观结构中发现的生物矿化系统中可以得到沿这两条路线，虽然时间尺度的非经典路线似乎更现实。模拟和天然生物矿物的相似性表明，在生物体中观察到的巨大生物复杂性之下，生物结构的基本设计原理可以用简单的数学来理解，并通过相场论来模拟。
2020-12-01 cond-mat.mtrl-sci
Accurate Nanoscale Mapping of Electric Fields across Random Grain Boundaries in Polycrystalline Oxides Using Precession-Assisted 4D-STEM
Technical University of Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；Lanzhou University（兰州大学）；University of Stuttgart（斯图加特大学）
本文提出一种结合电子束预倾与先进后处理的方法，用于准确提取多晶氧化物中晶界处的局部电场和电荷分布，通过比较传统CoM方法，展示了其在BaTiO3和SrTiO3中的优越性。
2026-04-24 cond-mat.mtrl-sci
Room-Temperature Intrinsic and Extrinsic Damping in Polycrystalline Fe Thin Films
我们研究室温磁弛豫多晶铁膜。面外铁磁共振（FMR）测量显示，吉尔伯特阻尼参数$\approx$ 0.0024的Fe膜的厚度为4-25 nm，无论其微结构特性。与薄膜微观结构的显着不变性强烈表明，在室温下的多晶金属中的固有吉尔伯特阻尼是纳米晶粒的局部性质，从晶界和薄膜粗糙度的影响有限。相比之下，铁膜的面内FMR线宽表现出明显的非线性频率依赖性，表明存在较强的非本征阻尼。为了拟合我们的面内FMR数据，我们使用了两种类型的关联函数，旨在描述在膜中的不均匀性的空间分布的晶粒到晶粒的双磁振子散射模型。然而，这两个关联函数都不能用物理上合理的参数定量地再现实验数据。我们的研究结果推进的内在吉尔伯特阻尼结构无序的薄膜的基本理解，同时表明需要更深入地研究微观结构的无序如何管理外在阻尼。
2022-02-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phase-Field Model with Reduced Interface Diffuseness
我们通过引入抛物型双阱势和将溶质再分布（或潜热释放）局部化到相场界面内的一个狭窄区域中，来最小化相场模型中的界面扩散。尽管该模型采用了带尖点的抛物型势、高度局部化的溶质再分布和不连续的扩散函数，但在数值计算中仍有很好的效果。对单侧系统枝晶凝固的计算与反陷阱模型[A. Karma，Phys. Rev. Lett. 87，115701（2001）]，表明可以有效地抑制异常界面效应。该方法可以很容易地推广到多组分或多相体系。
2002-07-14 cond-mat.mtrl-sci
