Microstructure evolution under the space-time variational solidification conditions in a melt pool: A multi-scale simulation study
熔池中凝固条件是时空变化的，熔池中的微观组织演变决定了焊接件的性能。为了反映熔池内凝固条件的变化，本文将微观相场方程与宏观热过程相结合，进行了多尺度模拟。首先，采用GR模型和TF模型对熔池局部区域的单晶凝固过程进行了数值模拟。结果表明，TF模型比GR模型更能反映变化情况。其次，通过TF模型对整个熔池区域进行了单晶凝固和多晶凝固模拟。结果表明，整个熔池的凝固条件的时空变异性。同时，变化条件对微观结构的演化有显著影响，包括外延生长阶段初始不稳定性的发生和竞争生长阶段收敛晶界和发散晶界的方向性演化。此外，观察到轴向晶粒结构的形成，这可以被认为是沿轴向和径向的晶粒之间的竞争。本文的研究表明了考虑池内变化条件的必要性。同时，PF模型能够准确地模拟变条件下的微观组织演化，在研究熔池凝固动力学方面具有很大的潜力。
2022-09-15 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
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
The interface heterogeneous nucleation and dynamic dispersion of nuclei in solidification process
通过比较不同形核条件下的晶粒尺寸，探讨了不同的形核机制。原始晶核起源于特定的界面，随后随着熔体流动分散到熔体中。晶核的存活概率决定了熔体中晶核的密度，存活晶核的长大最终形成凝固晶粒。成核过程是一个动态的、不断发展的过程，并随着实际实验条件和生产条件的变化而变化。
2013-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Switching of controlling mechanisms during the rapid solidification of a melt pool in additive manufacturing
基于熔融的金属增材制造（AM）是一种突破性技术，可用于制造具有前所未有的优异性能组合的近净形状的金属部件。然而，AM处理和所得的微观结构之间的相互关系仍然没有很好地理解。这对控制AM过程中微观结构的发展以实现所需的性能提出了巨大的挑战。在这里，我们研究了一个单一的熔池的微观结构的发展，AM制造的金属部件的积木，使用相场模型专门开发的AM快速凝固。结果发现，在快速凝固过程中的熔池，固-液界面最初由溶质扩散控制，然后由热扩散控制的阶段，过冷度大于冻结范围。这种控制机制的切换导致界面速度，溶质浓度和温度的突然变化，这完美地解释了在AM中观察到的各种异质微结构的形成。通过操纵加工条件，可以控制控制机制的切换以形成精细的微观结构或层状结构，从而改善机械性能和抗开裂性。
2022-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Velocity selection problem for combined motion of melting and solidification fronts
本文讨论了两个移动固液界面的自由边界问题，这两个界面通过它们之间的液体层中的扩散场强烈地相互作用。这个问题出现在固体合金部分熔化过程中的液膜迁移（LFM）的背景下。在LFM机制中，系统选择由液膜中的扩散控制的更有效的动力学路径，而仅具有一个熔融前沿的过程将由母固相中的非常缓慢的扩散控制。相对较弱的相干应变能是线性调频的有效驱动力。在经典的枝晶生长问题，也在这种情况下，一个精确的家庭的稳态解与两个抛物线的前线和任意的速度存在，如果忽略毛细效应。我们发展了一个速度选择理论，包括各向异性表面张力的影响。与经典枝晶生长相比，熔化前沿附近固体中的强扩散相互作用和相干应变效应导致了实质性的变化。
2005-01-21 cond-mat.mtrl-sci
Understanding Homogeneous Nucleation in Solidification of Aluminum by Molecular Dynamics Simulations
采用改进的嵌入原子方法（MEAM）势，采用百万原子分子动力学（MD）模拟方法研究了铝熔体的均匀形核过程。在不受压力、自由表面效应和杂质影响的情况下，铝熔体可以自然地自发均匀形核。研究了过冷铝熔体在不同恒温条件下等温形核，过热铝熔体在不同冷却速率下淬火。测定了晶核的晶体结构、临界晶核尺寸、均匀成核的临界温度、诱导时间和成核速率。淬火模拟清楚地揭示了三个温度制度：亚临界形核，超临界形核，和固态晶粒生长制度。主晶相被确定为面心立方（fcc），但六方密堆积（hcp）和非晶态固体相也被检测到。铝熔体在凝固过程中由于层错的形成而产生六方晶系相。通过降低冷却速率，六方晶系和非晶相的体积分数降低。在盒体完全凝固后，模拟晶粒生长，并确定不同退火温度下的晶粒生长指数。
2017-08-09 cond-mat.mtrl-sci
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
Phase-field investigation of non-isothermal solidification coupled with melt flow dynamics
Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；Johannes Gutenberg-University Mainz（美因茨约翰内斯·古腾堡大学）；Johannes-Kepler University Linz（林茨约翰内斯·开普勒大学）
本文提出一种非等温相场模型，用于固态化与熔体流动的耦合，考虑了毛细应力和交叉耦合项，以更准确地模拟热毛细效应及树状生长。
2026-03-03 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Isotropic finite-difference approximations for phase-field simulations of polycrystalline alloy solidification
合金凝固过程中微观结构斑图形成的相场模型通常使用有限差分法进行数值求解，该方法非常适合于在大规模并行计算机架构（例如图形处理单元）上进行计算高效的模拟。然而，这种方法的一个已知的缺点是，涉及空间导数的微分项的离散化引入了假晶格各向异性，可以影响固-液界面动力学。我们发现，这种影响是显着的多晶枝晶凝固的情况下，不同的晶粒的晶轴一般不符合有限差分晶格的参考轴。特别是，我们发现，与常用的有限差分实现的二元合金凝固的定量相场模型，无论是操作状态的枝晶尖端和枝晶生长取向的晶格各向异性的强烈影响。为了避免这个问题，我们使用已知的方法在实空间和傅立叶空间中推导出有限差分近似的领先的微分项在2D和3D是各向同性的顺序$h^2$的晶格间距$h$。重要的是，这些术语包括被发现对图案选择具有关键影响的反捕获电流的发散。2D和3D离散化使用近似形式的反捕获电流，便于在$O(h^2)$的相关各向同性微分算子的傅立叶空间推导，但我们也推导出该电流的标准形式的2D离散化。最后，我们给出了合金凝固的2D和3D相场模拟，表明各向同性有限差分实现可以显着减少虚假的晶格各向异性效应。
2021-10-24 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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
Solidification of the Glass-Forming Al86Ni2Co6Gd6 Melt under High Pressure
高压允许合成新的亚稳态化合物，这些化合物在正常条件下保持足够长的时间。到目前为止，人们还没有完全理解压力、玻璃形成能力和液体凝固是如何相互联系的。本文研究了在10 GPa压力下从温度为1800 K的熔体中快速冷却得到的Al_（86）Ni_2Co_6 Gd_6共晶合金的结构。X射线衍射分析和电子显微镜分析表明，样品均匀致密。该结构是精细分散的。在合金中形成了立方（cP 4/2）和四方（tI 26/1）结构的新的稳定晶相。研究表明，在10 GPa压力下获得的样品的平均显微硬度约为1700 MPa，比常压下的原始样品提高了近2倍。为了理解结果，我们使用从头算分子动力学，并研究了熔体如何随压力变化。结果表明，在1800 K的温度下，高压增加了熔体中二十面体团簇的浓度，使得在10 GPa下，二十面体内部的原子形成渗滤团簇，而在大气压下，它们没有。因此，熔体的玻璃形成能力在高压下增加，强烈影响固化过程。
2022-11-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Competitive B2 and B33 Nucleation during Solidification of Ni50Zr50 Alloy: Molecular Dynamics Simulation and Classical Nucleation Theory
采用持久胚胎法和经典形核理论研究了Ni 50 Zr 50合金中化学计量比B2和B33相的均匀形核。这两个阶段成为非常接近的竞争对手在大的过冷度，这是与实验观察。在B2相的情况下，外推到熔化温度的固-液界面（SLI）自由能的线性温度依赖性导致从毛细波动方法（CFM）获得的相同的值。在B33相的情况下，SLI自由能在大的过冷度下也是温度的线性函数，但是外推到熔化温度导致与CFM值相当不同的值。这与在名义上平坦的界面迁移的模拟中观察到的熔化温度附近的B33相的SLI性质的大的各向异性是一致的。
2019-02-23 cond-mat.mtrl-sci
Coupled Infrared Imaging and Multiphysics Modeling to Predict Three-Dimensional Thermal Characteristics during Selective Laser Melting
University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）
本研究针对增材制造中热条件精准解析的难题，将高速红外成像与三维多物理场模拟结合，重建熔池亚表面温度分布，估算凝固条件并预测微观组织变化，验证了实验-计算集成方法对商用增材制造微观组织原位调控的关键作用。
2025-09-16 cond-mat.mtrl-sci
Microsegregation and dendritic growth mode of Al-5wt%Cu alloy based on non-equilibrium mush zone model
研究了Al-5wt%Cu合金的微观偏析和枝晶生长方式。在凝固初期，晶体将以间断生长和周期性边界俘获的方式生长，形成无偏析的枝晶。显微偏析只存在于凝固终了阶段，残余熔体分数极小。在微小的残余熔体区，溶质从富集边界层向残余熔体的扩散和富集边界的会聚产生最终的显微偏析。
2013-08-29 cond-mat.mtrl-sci
Resolving thermal gradients and solidification velocities during laser melting of a refractory alloy
本研究利用高速红外成像技术，解析难熔合金C103激光熔化过程中的热梯度和凝固速度，揭示柱状晶向等轴晶转变机制，为增材制造微观结构控制提供指导。
2024-11-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Temperature and Pressure-Induced Atomic Structure Evolution During Solidification of Zr50Nb50 Metallic Melt via Molecular Dynamics Simulation
利用分子动力学模拟研究 Zr50Nb50 熔体在温度与压力下的结构演化，发现不同压力下发生向类晶体结构的一级相变，且最终凝固系统主要由类体心立方团簇组成。
2023-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Coupling of homogeneous and heterogeneous melting kinetics in polycrystalline materials
基于一个明确耦合均相和非均相熔化机制的新模型，分析了多晶材料的熔化动力学。这种方法的显着特点在于它的能力，不仅评估粒度分布的影响，对整体熔化动力学，但也两个熔化机制之间的竞争。我们首次揭示了多晶材料熔化的温度-时间-转变图的三部分结构，通过它可以确定主导熔化机制切换的临界温度。临界温度随平均晶粒直径的减小而增大，并遵循负幂律。结果与实验观察定性一致。
2019-08-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Iron melting curve with a tricritical point
作为一级相变的凝固在朗道理论中由与三临界现象相同的方程描述。在这里，凝固或熔化温度对压力曲线被建模为在三临界点处结束。该模型给出了相变温度对压力的二次依赖关系，并给出了系数的确定表达式。这个公式预计是普遍有效的纯材料的熔化曲线与dT/dP接近零，在非常高的P.极好的实验协议获得的铁，材料具有最高的压力数据，而准确地确定的值的系数定义的曲率。得到了在地核压力下铁的凝固温度。此外，还导出了铁的熵变、凝固潜热和体积收缩随压力和温度变化的一般公式。
2007-01-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.geo-ph
Strongly out-of-equilibrium columnar solidification during the Laser Powder-Bed Fusion additive manufacturing process
基于激光的增材制造为金属零件的3D打印提供了一条有前途的途径。我们的实验证据在激光粉末床熔融处理Inconel 718镍基合金，我们解释使用相场模拟和经典的枝晶生长理论的一个特定的柱状凝固微观结构。由于大的温度梯度和冷却速率，凝固通过枝晶阵列发生，其中特征长度尺度，即尖端半径，扩散长度和初级间距，是相同的数量级。这导致枝晶尖端之间的相互作用较弱，并且侧支化急剧减少。然后，所得的不规则的蜂窝状固化图案在与完全熔池固化相当的时间尺度上保持稳定，如在竣工材料中所观察到的。
2018-09-26 cond-mat.mtrl-sci
Simulation of temperature, stress and microstructure fields during laser deposition of Ti-6Al-4V
研究了Ti-6Al-4V熔池定向凝固过程中原始柱状$β$相、界面$L$相和$α$相的演化规律。有限元模拟估算了熔池中的凝固温度场和速度场，并分析了激光粉末床熔化过程中凝固件中的应力场和热变形。相场模型使用温度场和速度场来预测柱状前$β$（Ti）相的形成。在从过冷液体固化$β$相的过程中，$β$柱内低于固相线温度的残余液体导致$α$相。有限元模拟的应力应变场与微观结构场的长度尺度和体积分数相关。最后，$β$（Ti）细胞在凝固过程中的合并行为进行了说明。上述分析很重要，因为它们可以用于热处理过程的后续建模的主动控制。
2018-09-04 cond-mat.mtrl-sci
Structure and solidification of the (Fe0.75B0.15Si0.1)100-xTax (x=0-2) melts: experiment and machine learning
Fe-B-Si系统是合成具有优异磁性能和机械性能的新型功能材料的基体。这一领域的进展与寻找最佳掺杂条件有关。本文从理论和实验两个方面研究了Ta合金化对（Fe 0.75B 0.15Si 0.1）100-xTax（x = 0 - 2）过冷熔体结构、过冷度和凝固过程中结构形成的影响。Ta的低浓度使标准从头算和机器学习研究复杂化。在这种情况下，我们开发了一种快速稳定的机器学习原子间势（MLIP）训练技术，并揭示了过冷熔体的结构。MLIP分子动力学模拟结果表明，在Ta浓度为1at. %时，在熔体中的化学短程有序中存在与Ta原子的相互作用中的变化相关联的急剧变化。这种效应导致系统中团簇形成的重组。同时，我们的实验研究表明，Ta含量为1at. %最容易过冷。与Ta的合金化促进了Fe2B初晶的形成，并且在大于1.5at. %的浓度下Ta，也是FeTaB。因此，接近1原子% Ta时，熔体的晶化进行得很好：形成两个中间亚稳相Fe_3B和Fe_2Ta Laves相。此外，在快速淬火条件下的非晶化的最高趋势是由Ta浓度为1原子%的熔体表现出的。研究结果不仅为Fe-B-Si材料的优化合金化提供了理论依据，而且为低掺杂浓度金属合金的数值设计提供了一种机器学习方法。
2022-11-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
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
Analytical model for balling defects in laser melting using rivulet theory and solidification
Stanford University（斯坦福大学）；SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；European Synchrotron Radiation Facility（欧洲同步辐射装置）；University College London（伦敦大学学院）；Research Complex at Harwell, Rutherford Appleton Laboratory（拉瑟福·阿普尔顿实验室哈韦尔研究中心）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
本研究针对激光熔化中的球化缺陷，改编细流不稳定性模型构建了考虑流体不稳定性与凝固竞争的解析模型，通过实验验证了模型偏差及熔池长度与球化波长不等的机制，明确了流动与热传输的重要性。
2025-04-21 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
High-speed synchrotron X-ray imaging of melt pool dynamics during ultrasonic melt processing of Al6061
针对激光增材制造中金属超声处理细化微观结构的机制未被直接观测的问题，采用高速同步辐射X射线成像结合多物理场模拟，揭示了20.2kHz超声对Al6061熔池的作用及提升零件质量的潜力。
2024-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Model for solute diffusion during rapid solidification of binary alloy in semi-infinite volume
基于局部非平衡方法，考虑了二元合金在半无限体积内快速凝固过程中溶质扩散的一维模型。在该模型的范围内，假设质量运输由电报员方程描述。基本假设涉及界面处的扩散通量和溶质浓度的行为。在这些量由指数函数叠加给出的条件下，求出了决定熔体中流量和溶质分布的电报方程的解，并在此基础上研究了近表面区的不同凝固状态和分配系数的行为。根据模型参数，分析了完全凝固后固体中的浓度分布。
2009-12-23 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
Orientation selection in alloy dendritic evolution during melt-pool solidification
本研究针对金属增材制造中高速凝固熔池的枝晶取向选择机制未明的问题，采用二维相场模型探究二元合金胞状-枝晶阵列倾斜生长的影响因素，建立取向选择图谱，为相关材料的亚晶结构等调控提供参考。
2025-01-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Heat transfer in rapidly solidifying supercooled pure melt during final transient
建立了一维过冷熔体凝固末期的传热模型。确定温度分布的Stefan问题的条件下，解决了（i）界面接近试样表面以恒定的速度$V$ ;（ii）的凝固潜热线性依赖于界面温度;（iii）所有的物理量给出的界面位置的指数函数的线性组合。首先，我们找到相应的双曲Stefan问题的解决方案，在该框架内的热传递是由电报方程描述。然后，通过极限转移$V/V_H \rightarrow 0$ $(V_H \rightarrow \infty)$，得到了初始抛物Stefan问题的解，其中$ V_H $是热扰动的传播速度，其中双曲热模型转化为抛物热模型.
2012-08-24 cond-mat.mtrl-sci
Sensitivity of Numerical Predictions to the Permeability Coefficient in Simulations of Melting and Solidification Using the Enthalpy-Porosity Method
高度的不确定性和相互矛盾的文献数据的渗透系数（也被称为糊状区常数）的值，其目的是阻尼糊状区中的流体速度，并抑制它们在固体区域，是一个关键的缺点时，使用的固定网格孔隙度技术建模非等温相变过程。在本研究中，数值预测的敏感性，这个系数的值进行了审查。使用基于有限体积的等温和非等温熔化和凝固问题的数值模拟，灵敏度增加的原因被确定。结果表明，渗透系数对固液界面形态和相变速率的影响与泥层厚度和速度场有关。它表明，数值预测的等温相变问题是独立的渗透系数足够细的网格。它还表明，渗透系数的选择的敏感性可以通过适当定义的Péclet数进行评估。
2020-04-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.flu-dyn
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
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
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
Atomic dynamics and local structural disorder during ultrafast melting of polycrystalline Pd
该研究利用分子动力学模拟揭示多晶钯超快熔化中RMSD原子动力学与中心对称性偏离所表征的局域无序之间的差异机制。
2025-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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
Explicit temperature coupling in phase-field crystal models of solidification
我们提出了一个相场晶体（PFC）凝固模型，占热传输和温度依赖的晶格参数。弹性效应的特点是通过连续的弹性场计算的微观密度场。我们展示了模型的能力，通过选定的数值研究，重点是从熔体中的二维晶体的原型生长，从而在多面的形状和枝晶。这项工作为包括热膨胀在内的综合性凝固细观模型奠定了基础。
2022-05-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
An integrated model for the post-solidification shape and grain morphology of fusion welds
通过一个综合的宏/细观计算模型，我们研究了焊缝熔化和凝固过程中的发展形状和晶粒形态。除了宏观的表面张力驱动的流体流动和传热，我们预测的凝固过程中使用的细观模型占现实的凝固动力学，而不是准平衡热力学。宏观尺度和中尺度之间的紧密耦合将我们的结果与以前发表的研究区分开来。包括马兰戈尼驱动的流体流动和传热，在加热和冷却过程中，被发现是至关重要的，准确地预测熔池形状和晶粒形态。然而，如果只有焊池的形状是感兴趣的，热力学准平衡凝固模型，忽略凝固动力学，被发现是足够的，包括流体流动和传热时。我们证明，添加足够浓度的约1 $μ$ m直径的TiN晶粒细化颗粒有效地触发了从柱状枝晶到等轴晶粒的有利过渡，因为它允许后者在柱状枝晶前沿的过冷熔体中非均匀地成核。这种从柱状生长到等轴生长的过渡对于广泛不同的焊接条件是可实现的，并且其精确的性质对颗粒的浓度和不准确地已知的模型参数相对不敏感。
2015-03-04 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Effects of isotherm patterns on cellular interface morphologies of melt pool origin
本研究通过三维相场模拟探究增材制造中不同等温线模式对熔池胞状界面形态的影响，发现等温线微小变化显著影响微观结构，非平面等温线产生更细胞状结构且减少偏析，为凝固材料宏观描述提供依据。
2024-11-22 cond-mat.mtrl-sci
On the role of confinement on solidification in pure materials and binary alloys
我们使用相场模型来研究约束对枝晶生长的影响，在过冷熔体中凝固的纯材料中，以及在稀二元合金的定向凝固中。具体而言，我们观察到的效果不同的垂直域范围（$δ$）尖端的选择，通过量化的枝晶尖端速度和曲率的函数$δ$，和其他工艺参数。随着$δ$的减小，我们发现枝晶尖端的工作状态受到有限边界存在的显著影响。对于特定的边界条件，我们观察到的开关的生长状态从3-D到2-D在非常小的$δ$，在纯材料和合金。我们表明，从合金模型的结果相比，从实验研究调查这种效果。
2006-06-14 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
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
A novel Grand-Potential Phase-Field Lattice-Boltzmann model for multi-phase solidification with convection
Indian Institute of Science（印度科学学院）；The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Indian Institute of Technology Madras（印度理工学院马德拉斯分校）
本研究开发耦合大势相场模型与格子玻尔兹曼方法的计算框架，模拟带对流的多相凝固，揭示对流对合金凝固微观结构演化的影响机制。
2026-08-28 cond-mat.mtrl-sci
Predictive modeling of solidification during laser additive manufacturing of nickel superalloys: Recent developments, future directions
与传统制造工艺相比，增材制造（AM）工艺生产的零件具有更好的物理、化学和机械性能。在AM工艺中，复杂的零件几何形状是由多组分合金粉末以逐层的方式通过多道激光熔化、固化和固态相变在较短的制造时间内以最小的表面精加工以合理的成本生产的。然而，越来越需要通过例如应力消除热处理和热等静压对制造的部件进行后处理，以始终实现均匀的微观结构和性能。AM工艺中的凝固控制晶粒的尺寸、形状和分布、生长形态、元素偏析和沉淀、随后的固态相变以及最终的材料性质。这个过程中的关键问题与多物理场（如流体流动和热量和质量的扩散）和多尺度（长度，时间和温度范围）的挑战有关，这些挑战是由于AM加工过程中局部快速加热和冷却而产生的。通过多尺度建模和模拟，将越来越好地理解合金化学-工艺-微观组织-性能-性能在这一过程中的相互关系。
2017-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Revealing the effects of laser beam shaping on melt pool behaviour in conduction-mode laser melting
本研究通过模拟与实验，揭示激光束整形对316L不锈钢传导模式激光熔化中熔池热流场、焊珠轮廓及凝固组织的影响，并探讨柱状晶向等轴晶转变。
2023-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Phase-Field Approach for Faceted Solidification
我们扩展了相场方法来模拟多面材料的凝固。我们的方法包括使用一个近似的伽玛图与圆形的尖点，可以任意接近真正的伽玛图与尖锐的尖点，对应于多面的方向。相场方程在薄界面极限下求解，并在固液界面处达到局部平衡[A。卡玛和W J. Rappel，Phys.Rev.E53，R3017（1996）]。我们的方法的收敛性首先证明了平衡形状。然后研究了过冷熔体中多面针状晶体的生长，作为过冷度和尖点振幅δ的函数，γ图的形式为1+ δ（|sin（θ）|+|cos（θ）|).相场结果与实验观察到的标度定律“λ与V的平方根成反比”一致，其中λ是小面长度，V是生长速率。此外，V和λ与三角洲的变化被发现是合理的预测由近似尖锐的界面分析理论，包括毛细管效应，并假设圆形和抛物线的形式，针晶体的前部和尾部粗糙的部分，分别。
2003-02-18 cond-mat.mtrl-sci
The Effect of short-range order on the viscosity and crystallization of Al-Mg melts
本文用粘度法和热分析法研究了Mg含量在2.5~95at. %范围内的Al-Mg熔体的过冷粘度随浓度的变化规律进行了研究结果表明，粘度的温度依赖性很好地描述了指数依赖。粘度的浓度依赖性不是单调的，并且反映了液相中化学短程有序的变化。Al-Mg熔体过冷度的浓度依赖性由凝固过程中形成的固相类型决定，也反映了液相中化学短程有序在20和80at. %时最显著的变化mg.浓度范围为0 - 10、40 - 50和90 - 100原子%的铝镁合金镁合金易发生非平衡结晶，形成准共晶，凝固时无中间金属间相。
2022-12-08 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Diffuse interface models of solidification with convection: The choice of a finite interface thickness
薄界面限制的目的是尽量减少所产生的影响，从一个数值界面厚度，固有的扩散界面模型的凝固和微观结构的演变，如相场模型。虽然这个问题的原始配方被限制为扩散运输，我们认为在这里的情况下，熔体对流。使用的耦合相场流体动力学方程的分析，我们在这里表明，这样一个薄的接口限制也存在，如果运输包含扩散和对流。通过比较模拟研究，利用薄界面条件，与解析尖锐的界面理论，对流下的枝晶尖端生长测试这种预测。
2019-09-18 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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
Grain refinement of stainless steel in ultrasound-assisted additive manufacturing
通过基于熔融的增材制造（AM）或3D打印制造的金属和合金经历了复杂的熔化和凝固动力学，对有效控制晶粒结构提出了挑战。在这里，我们报告使用高强度超声波，控制316L不锈钢AM过程中的凝固过程。我们发现，使用超声波有利于柱状等轴转变，促进形成细等轴晶粒与随机晶体织构。此外，超声波的使用增加了晶粒的数量密度从305 mm-2至2748 mm-2，尽管在AM过程中的熔池中的冷却速率和温度梯度的相关降低。我们的晶粒尺寸和冷却速率之间的关系的评估表明，在AM过程中的微晶的形成是由超声增强。此外，超声波的使用通过降低大部分熔池中的温度梯度来增加凝固期间的成分过冷量，从而产生有利于晶粒成核、生长和存活的环境。这一新的认识为更好地利用超声波控制AM制造的金属产品中的晶粒结构提供了机会。
2020-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
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
Single-Track Melt-Pool Measurements and Microstructures in Inconel 625
我们使用单轨激光熔化实验和模拟Inconel 625，以估计所产生的熔池的尺寸和微观结构。我们的工作是基于实验设计的方法，它使用多个激光功率和扫描速度的组合。单轨实验产生一定尺寸的熔池。这些尺寸合理地与我们的有限元计算一致。相场模拟预测的尺寸和偏析的蜂窝状微观结构，形成沿熔池边界的凝固条件，作为熔池尺寸的函数而变化。
2018-02-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Pattern formation during melting of lamellar eutectics
Access e.V.（Access协会）；Sorbonne Université, CNRS, Institut des Nanosciences de Paris（索邦大学，法国国家科学研究中心，巴黎纳米科学研究所）
研究层状共晶在定向熔化过程中的图案形成，通过实验与模拟揭示熔速和预固态微结构间距对熔化模式的影响及物理机制。
2026-04-16 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
