On the Effect of Nucleation Undercooling on Phase Transformation Kinetics
- 03.11.2022
- Technical Article
- Verfasst von
- José Mancias
- Vahid Attari
- Raymundo Arróyave
- Damien Tourret
- Erschienen in
- Integrating Materials and Manufacturing Innovation | Ausgabe 4/2022
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Abstract
Der Artikel untersucht die Auswirkungen der Unterkühlung der Nukleation auf die Phasentransformationskinetik und verwendet Phasenfeldsimulationen, um die Annahmen der Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov-Theorie (JMAK) in Frage zu stellen. Sie untersucht, wie Schwankungen der Nukleations- und Wachstumsraten den Transformationsprozess beeinflussen, wobei sie sich insbesondere auf die Auswirkungen der ursprünglichen Partikelgröße und der treibenden Kraft konzentrieren. Die Studie vergleicht die theoretischen Vorhersagen von JMAK mit den empirischen Ergebnissen von Phasenfeld-Simulationen und enthüllt signifikante Abweichungen, die dem Zusammenbruch der JMAK-Annahmen zugeschrieben werden. Die Forschung untersucht auch die Rolle der Grenzflächenkrümmung in der Transformationskinetik und zeigt, dass sie zwar eine untergeordnete Rolle spielt, aber dennoch in umfassenden Modellen berücksichtigt werden muss. Die Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die Beschränkungen der JMAK-Theorie und lassen Möglichkeiten für die weitere Erforschung der statistischen Natur von Phasentransformationen erkennen.
KI-Generiert
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Abstract
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 radius \(r_0\) relative to the critical nucleation radius \(r^*\) has a significant effect on the rate of transformation. While PF and JMAK agree when \(r_0\) is sufficiently higher than \(r^*\), the duration of initial transient growth stage of a particle, before it reaches a steady growth velocity, increases as \(r_0/r^*\rightarrow 1\). 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 \(r_0/r^*\). 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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- Titel
- On the Effect of Nucleation Undercooling on Phase Transformation Kinetics
- Verfasst von
-
José Mancias
Vahid Attari
Raymundo Arróyave
Damien Tourret
- Publikationsdatum
- 03.11.2022
- Verlag
- Springer International Publishing
- Erschienen in
-
Integrating Materials and Manufacturing Innovation / Ausgabe 4/2022
Print ISSN: 2193-9764
Elektronische ISSN: 2193-9772 - DOI
- https://doi.org/10.1007/s40192-022-00284-1
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