Solving Free Boundary Problems in Alloy Solidification under Universal Cooling Conditions
针对合金凝固的经典自由边界问题，本文提出融合锐界面与弥散界面模型的方法，通过行波相场方程、中间障碍概念及过冷度平坦化，在低计算成本下实现了逼近解析解的界面动力学模拟。
2024-05-30 cond-mat.mtrl-sci
Microstructural characterization and kinetics modelling of vermicular cast irons
采用多种实验技术（XRD、SEM、TEM和穆斯堡尔谱）对等温淬火蠕墨铸铁进行相鉴定和显微组织表征。针状组织由铁素体和奥氏体组成，其平均尺寸与钢和奥贝球铁中贝氏体铁素体的平均尺寸一致。假设贝氏体的板状形核形状，奥氏体到贝氏体转变中涉及的自由能变化的评估给出了接近从统计长度分布观察到的平均特征长度。在Avrami框架中模拟了转变的动力学;为了阐明等温淬火相变的机制，考虑了扩散控制和无扩散生长假设。结果表明，C的扩散是贝氏体层形核过程的主要原因，当C浓度足够时，贝氏体层形核过程是局部位移相变的结果，但贝氏体板的进一步长大几乎被抑制。
2006-10-03 cond-mat.mtrl-sci
An Investigation in the Kinetic Persistence of TiO$_2$ Polymorphs using Machine Learning Driven Pathfinding in Crystal Configuration Space
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文通过机器学习方法研究TiO₂多形在真实合成条件下的动能持久性，探讨了潜在能景观地形与多形体动能持久性之间的关系，提出了新的路径寻找方法。
2026-04-16 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
Kinetics of Vacancy-Assisted Reversible Phase Transition in Monolayer MoTe$_2$
结合机器学习势与平均场动力学理论，揭示了单层MoTe$_2$中空位辅助的2H与1T$^\prime$相可逆相变机制，发现其正向成核依赖空位扩散，而逆向相变为快速无扩散过程。
2025-07-16 cond-mat.mes-hall 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
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
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
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
Achieving realistic interface kinetics in phase field models with a diffusional contrast
相场模型是处理自由边界问题的有力工具。对于涉及扩散的相变，非守恒相场的演化与守恒扩散场的演化相耦合。引入这两个场之间的动力学交叉耦合[E. A.布雷纳湾Boussinot，Phys. Rev. E { \bf 86}，060601（R）（2012）]，我们解决了当考虑相之间的扩散对比时界面动力学的现实描述的长期存在的问题。使用的情况下，一个纯物质的固化，我们展示了如何消除在界面处的温度跳跃，并恢复完全平衡的边界条件。我们通过数值模拟证实了我们的结果。
2014-02-11 cond-mat.mtrl-sci
Grain Boundary Development of Silicon during Directional Solidification: A Phase-Field Study
为了在定向凝固过程中控制多晶硅的晶粒结构，应了解晶界（GBs）相对于温度梯度的发展过程。结合各向异性的界面能和各向异性的附着动力学系数的相场模型产生了生长中的硅晶体的小平面形状，这与实验观察相一致。模拟了不同生长速度下耦合硅晶粒的生长，观察了固液界面的形貌和晶界的发展过程。结果表明，晶界的方向在晶粒槽处既受动力学规律控制，也受平衡规律控制，这取决于晶界两侧晶粒的生长速度和取向关系。在具有小平面-小平面表面的凹槽下方的GB遵循两个表面的平分线，而当凹槽具有粗糙表面时，GB的方向远离平分线。这项研究提供了一种数值方法来预测晶界的发展，并从晶粒结构的演变中获得见解，这可以潜在地应用于高效率和低成本的太阳能电池。
2022-06-10 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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
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
Dual phase patterning during a congruent grain boundary phase transition in elemental copper
晶界的相行为对界面性能有很大的影响。关于元素金属系统中晶界相的出现以及它们如何转变的知之甚少。在这里，我们观察到的纳米级图案化的晶界由两个交替的晶界相具有不同的原子结构元素铜的原子分辨率成像。通过晶界结构搜索发现了相同的晶界相，表明一级相变。有限温度原子模拟揭示了一个全等，在环境压力下，这些阶段之间的无扩散过渡。在室温下，晶界的图案化由分离相段的晶界相结主导。我们的分析表明，在低温下的相结的流动性降低动力学限制的转变，但它们之间的排斥弹性相互作用和断开可以另外稳定的斑图形成。
2021-09-30 cond-mat.mtrl-sci
Semi-Empirical Kinetic Model for Phase Selection in Rapidly Solidified Multicomponent Concentrated Alloys
Oles Honchar Dnipro National University（奥列斯·洪恰尔第聂伯罗国立大学）；Dniprovsky State Technical University（第聂伯罗国立技术大学）
研究快速凝固多组分浓合金相选择，建立半经验动力学框架，结合临界冷却速率、拓扑依赖性排序及玻璃形成能力校正，能捕捉晶格变化、描述相分离抑制、识别多相结晶，区分合金玻璃形成能力，为相竞争评估提供实用方法。
2026-07-13 cond-mat.mtrl-sci
Phase-Field Model of Freeze Casting
Northeastern University（东北大学）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
本文提出一个定量相场模型，用于模拟水基溶液定向固结过程，揭示了冰-水界面的各向异性能量和动力学特性，以及冰晶生长的各向异性动力学影响。
2026-03-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Growth of different faces in a body centered cubic lattice: a case of the phase-field-crystal modeling
晶体生长的界面能和动力学系数强烈地依赖于晶格面。为了研究不同晶面的动力学各向异性和速度，我们使用双曲（修改）相场晶体模型，该模型考虑到原子密度（作为慢热力学变量）和原子通量（作为快热力学变量）。该模型涵盖了凝固过程中小驱动力和大驱动力下界面传播的缓慢和快速机制。以体心立方晶格侵入均质液体为例，研究了推进波前沿选定晶向传播的动力学机制。得到的速度和速度序列为不同的面孔与已知的结果进行了比较。
2020-03-18 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
The solidification of a disk-shaped crystal from a weakly supercooled binary melt
冰晶从液相生长的物理学，特别是在盐的存在下，受到的关注远远少于雪晶从汽相生长。通过过冷盐水溶液的固化的所谓的冰渣冰的生长与基面中的晶体生长一致，所述基面中的晶体生长受到从固-液界面扩散去除固化的潜热的限制，同时受到垂直方向上的附着动力学的限制。这导致形成具有与半径相比低的厚度纵横比的近似盘形晶体，因为径向生长比轴向生长快得多。我们用数值方法计算了盘状晶体在纯熔体和二元熔体中生长的速度，考虑了相对较慢的轴向生长、流体相中溶解溶质的影响以及固相和液相之间热性质的差异。我们确定了控制晶体生长的主要物理机制，并表明，扩散去除的潜热释放，也拒绝在生长界面的盐是显着的。我们的计算表明，某些以前的参数化，缩放参数的基础上，大大低估了晶体生长速率的一个因素的顺序为10-100低纵横比磁盘，并提供了一个参数化模型中使用的冰晶生长环境设置。
2015-07-31 cond-mat.mtrl-sci physics.ao-ph
Local collective dynamics at equilibrium BCC crystal-melt interfaces
我们提出了一个经典的分子动力学研究的集体动力学性质的共存液相平衡体心立方（BCC）铁晶体-熔体界面。对于三个界面取向（100），（110）和（111），集体动力学的特征在于通过计算的中间散射函数，动力学结构因子和密度弛豫时间在一个连续的局部区域的兴趣。在所有三个BCC晶体-熔体界面取向的集体动力学的各向异性加速观察。这一趋势与先前观察到的液-气界面局部集体动力学的减缓明显不同[Acta Mater 2020;198：281]。通过研究界面密度弛豫时间，我们重新审视了最近发展的凝固晶体-熔体界面动力学系数的时间相关的Ginzburg-Landau（TDGL）理论的有效性，结果与非平衡MD模拟测量的CMI动力学系数的大小和动力学各向异性非常一致
2022-07-29 cond-mat.mtrl-sci
Plastic flow in solids with interfaces
本文发展了塑性变形固体中非共格界面等温无扩散演化的非平衡理论。界面的不可逆动力学是由其正常运动、不相干性（滑移和取向差）和固有塑性流动驱动的;并且纯粹由远离界面的本体中的塑性形变驱动。使用连续理论的缺陷分布（在散装和在界面上），我们制定了一个一般的运动学框架，推导出相关的平衡定律和跳跃条件，并规定一个界面演化的物理一致的本构/动力学结构。
2011-11-25 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.MP
Thermodynamics of Non-equilibrium Diffuse-Interfaces in Mesoscale Phase Transformations
我们提出了一个新的相场公式的非平衡界面动力学。扩散界面被认为是许多代表性体积元（RVE）的积分，其中有两个保守和两个非保守浓度场的两相混合物。这种分离浓度场的特殊方式导致除了相边界迁移之外的两个不同的耗散过程，即，在单个RVE内的不同相之间的跨锐界面扩散和在单个相内的不同RVE之间的跨扩散界面扩散。提出了一个两部分机制来平衡RVE中的无扩散和扩散过程的驱动力和能量耗散。此外，经典的界面摩擦和溶质阻力可以恢复通过积分扩散界面。与锐界面理论相比，扩散界面能自洽地再现原子模拟的部分阻力。
2023-03-17 cond-mat.mtrl-sci
Stable Phase Field Approximations of Anisotropic Solidification
Imperial College London（帝国理工学院）；Universität Regensburg（雷根斯堡大学）
针对具有高度各向异性表面能和动力学效应的凝固相场模型，提出无条件稳定的有限元逼近，并证明其稳定性及数值有效性。
2012-10-25 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Transient Liquid Phase Bonding of NiTi Using Cu- and Nb-base Interlayers
Northwestern University（西北大学）；University of Maryland（马里兰大学）
该研究采用CALPHAD方法筛选确定铜基、铌基中间层，通过瞬时液相扩散连接实现了NiTi合金的高强度、近无金属间相接头，且保留了超弹性等功能性能。
2026-08-04 cond-mat.mtrl-sci
Formation of magnetic nanocolumns during vapor phase deposition of a metal-polymer nanocomposite: experiments and kinetic Monte Carlo simulations
金属-聚合物纳米复合材料由于其有趣的功能应用在过去几年中得到了广泛的研究。它们通常通过气相沉积产生，这通常导致在有机基质中自组织形成球形金属纳米颗粒，而纳米柱仅在非常特定的条件下获得。实验\cite{Grev+06}已经表明，在简单的单步工艺中金属和有机组分的共蒸发可以引起嵌入含氟聚合物基质中的超高密度Fe-Ni-Co纳米柱状结构的形成。在这里，我们提出了一个动力学蒙特卡罗方法，这是基于一个新的模型，涉及的熔点的纳米级和凝固所需的临界纳米颗粒尺寸的抑郁症。此外，我们提出了新的实验结果下降到沉积温度的\cel{-70}，也报告的磁性。模拟提供了一个详细的了解从球形团簇生长形成的细长结构的过渡，并与实验定量一致。
2013-02-11 cond-mat.mtrl-sci physics.plasm-ph
Scaling of alloy interfacial properties under compositional strain
在材料生长和凝固过程中出现的复杂形态和微观结构通常由界面的平衡和动力学性质及其结晶各向异性决定。然而，有限的知识是可用于合金化，特别是这些界面特性的组成产生的弹性效应。在这里，我们系统地研究了这种成分的合金模型系统的界面性质的相场晶体分析的基础上，包括固-液界面自由能，动力学系数，和晶格钉扎强度的影响。这些界面量在各种范围内的材料参数的标度关系进行了识别和预测。我们的研究结果表明，合金结构和浓度的介观和微观长度尺度之间的耦合的重要影响，以及成分变化引起的压缩和拉伸界面应力的影响。这里开发的方法提供了一种有效的方法来系统地识别这些关键的材料特性，超越了传统的原子和连续体的方法。
2016-02-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Phase Field Model for Non-equilibrium Interface Conditions
本文提出一种统一经典锐界面与弥散界面理论的新相场公式，通过 Al-Cu 合金快速凝固验证其能表征溶质截留与拖曳等非平衡动力学特征，为非平衡界面提供新理解。
2023-03-31 cond-mat.mtrl-sci
Boundary conditions and heat resistance at the moving solid--liquid interface
导出了凝固纯熔体固液界面的边界条件。在推导过程中采用了Gibbs界面模型。边界条件既包括体相在界面处的状态量，也包括表征界面表面的量，如表面温度和表面热流。引入表面温度作为自变量，使我们能够描述在界面处的散射能量。对于平面界面的稳态运动，得到了跨相界温度不连续性的表达式。考虑了Kapitza阻力对界面速度的影响。结果表明，热阻导致凝固动力学的非线性，即“速度-过冷度”关系。找到了平面界面稳态运动的条件。
2016-11-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
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
Porous crystals in charged sphere suspensions by aggregate-driven phase separation
本研究通过光学显微镜观察带电胶体悬浮液，发现聚集体驱动的相分离可形成多孔晶体，其稳定性与慢速生长的纯相晶体相当，为多孔材料制备提供新路径。
2023-06-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Geometry of triple junctions during grain boundary premelting
晶粒边界（GB）的能量大于固/液界面能量的两倍，表现出预熔现象，在略低于本体熔化温度的温度下形成原子级薄的液体层。预熔可能对多晶材料的结构完整性和机械高温性能产生严重影响，在固化的最后阶段期间也会形成裂纹。干GB和沿着GB传播的液体层的两个固/液界面之间的三重连接不能根据杨氏定律从宏观连续性质和表面张力平衡来定义。我们展示了如何将原子尺度的物理学使用一个分离的潜力正规化的三重结的状态，并产生一个良好定义的微观接触角的平衡。我们支持这一发现的动力学模拟，使用多相场模型与障碍物的潜力，纯动力学和扩散条件。一般来说，我们的研究结果应该提供的GB相变的动力学的见解，其中与液态金属脆化的复杂现象是一个例子。
2021-11-15 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Thermodynamic phase-field model for microstructure with multiple components and phases: the possibility of metastable phases
从基本的热力学和动力学原理出发，建立了一个适用于任意数量组分和相的微结构扩散界面模型，并在变分框架内进行了形式化。该模型包括一个组成梯度能量捕获溶质捕获，因此适合于研究的现象，其中的界面宽度起着重要的作用。从均匀自由能的泰勒展开的非均匀自由能泛函的推导揭示了如何在质量约束下指定每个组分和相的界面性质。组分的扩散势被定义为远离稀溶液极限，并且使用多障碍屏障函数来约束相分数。该模型被用来模拟凝固通过形核，预熔在相界和三重结，小颗粒的内在不稳定性，溶质熔化导致不同的扩散系数在固体和液体。亚稳自由能表面的形状被发现在微观结构的演变中发挥了重要作用，并可能解释为什么有些系统在相边界和相三重连接处预熔，而其他人没有。
2011-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Martensitic-like transition between liquid crystalline and crystalline phases of prototypical discotic organic semiconductor
Rice University（莱斯大学）；Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福同步辐射光源，SLAC国家加速器实验室）；Prairie View A & M University（普雷里维尤A&M大学）
研究了HAT6有机半导体中液晶柱状六方相与晶体相之间通过类似马氏转变的机制进行相变，展示了其方向相关性、结构可逆性和超快动力学特性。
2026-03-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Fixed-grid sharp-interface numerical solutions to the three-phase spherical Stefan problem
San Diego State University（圣地亚哥州立大学）
本文提出固定网格尖界面方法解决三相球形Stefan问题，验证了纳米粒子相变中动能项的重要性。
2026-02-09 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
