On the Effect of Nucleation Undercooling on Phase Transformation Kinetics
On the Effect of Nucleation Undercooling on Phase Transformation Kinetics
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形核过冷对相变动力学的影响
DOI：
10.1007/s40192-022-00284-1
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发表时间：
2022
影响因子：
3.3
通讯作者：
Tourret, Damien
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Mancias, José;Attari, Vahid;Arróyave, Raymundo;Tourret, Damien
我们对Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)一级相变动力学理论和一个基准成核问题的相场结果进行了广泛的比较。为了解决问题的随机性，进行了数百次模拟，以建立对PF和JMAK转化动力学之间的重合和差异的全面的、统计上有意义的分析。我们发现，PF预测与经典成核理论和JMAK理论都很好地吻合，只要后者的原始假设被适当地再现--特别是无限区域中恒定的成核和生长速率。当偏离这些假设时，PF结果与JMAK理论相悖。特别是，我们观察到初始粒子半径相对于临界成核半径的大小对相变速率有显著的影响。当Pf和JMAK足够高时，粒子在达到稳定增长速度之前的初始瞬时增长阶段的持续时间随时间增加。孵化时间对整体动力学有显著影响，例如对多粒子模拟的Avrami指数有显著影响。相反，对于所考虑的条件和参数，界面曲率对相变动力学的影响-特别是在粒子碰撞过程中出现的负曲率区域，在PF中存在，但在JMAK理论中没有-与相比，似乎是次要的。我们认为，对随机过程相场模型(例如成核)进行严格的基准测试需要足够的统计数据，以便与基本真理理论进行严格的比较。在这些问题中，概率分布的分析显然比确定性方法更可取。
We carry out an extensive comparison between Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov (JMAK) theory of first-order phase transformation kinetics and phase-field (PF) results of a benchmark problem on nucleation. To address the stochasticity of the problem, several hundreds of simulations are performed to establish a comprehensive, statistically significant analysis of the coincidences and discrepancies between PF and JMAK transformation kinetics. We find that PF predictions are in excellent agreement with both classical nucleation theory and JMAK theory, as long as the original assumptions of the latter are appropriately reproduced—in particular, the constant nucleation and growth rates in an infinite domain. When deviating from these assumptions, PF results are at odds with JMAK theory. In particular, we observe that the size of the initial particle radiusrelative to the critical nucleation radiushas a significant effect on the rate of transformation. While PF and JMAK agree whenis sufficiently higher than, the duration of initial transient growth stage of a particle, before it reaches a steady growth velocity, increases as. This incubation time has a significant effect on the overall kinetics, e.g., on the Avrami exponent of the multi-particle simulations. In contrast, for the considered conditions and parameters, the effect of interface curvature upon transformation kinetics—in particular negative curvature regions appearing during particle impingement, present in PF but absent in JMAK theory—appears to be minor compared to that of. We argue that rigorous benchmarking of phase-field models of stochastic processes (e.g., nucleation) needs sufficient statistical data in order to make rigorous comparisons against ground truth theories. In these problems, analysis of probability distributions is clearly preferable to a deterministic approach.
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