[論文レビュー] Interfacial instability of a planar interface and diffuseness at the solid-liquid interface for pure and binary materials

Yaw Delali Bensah, J. A. Sekhar|arXiv (Cornell University)|May 17, 2016

Solidification and crystal growth phenomena参考文献 38被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、純粋および二成分材料における凝固過程における界面不安定性および拡散界面挙動を予測する統合的フレームワークとして、最大エントロピー生成率（MEPR）原理を提案する。エントロピー生成率を最大化する界面構成を同定することにより、モデルは凝固速度および温度勾配の変動に応じて、平面的から非平面的（結晶面またはセルラー）な形態への遷移を含め、拡散界面厚さおよび擬似原子層数を定量的に予測する。これは、従来のモデルが失敗していた二成分合金における予測可能な破壊条件を初めて提示するものである。

ABSTRACT

Topographical and diffuse interface reconfigurations occur with a change in the solidification rate. In this article we pursue the hypothesis that the interface configuration during solidification is determined by the rate of entropy production in the region between a rigorous solid and rigorous liquid phase. We posit that when an interface begins to migrate, there are several stable configurations that are possible. These include atomistically-planar, diffuse-planar, facet non-planar and cellular non-planar. The configuration and topographical condition that affords the maximum entropy production rate (MEPR) yields the most stable interface configuration. The principle of MEPR is applied to (1) describe atomistically smooth and diffuse interfaces, (2) provide quantitative results for the diffuse interface thickness and the number of pseudo-atomic layers in the interface region, and (3) predict the transition from planar to a non-planar facet or non-facet cellular morphology as a function of solidification velocity or temperature gradient. Numerous experimental investigations spanning over sixty years have failed to comprehensively validate any of the existing solid-liquid interface (SLI) growth instability models. With the MEPR model, for the first time, breakdown conditions are predicted with a fair degree of accuracy for a number of binary alloys where no previous theoretical model had predictability. The model considers steady state solidification at close-to and far-from equilibrium conditions.

研究の動機と目的

• 凝固過程における界面不安定性および拡散界面形成を、熱力学的原則を用いて説明すること。
• 純粋および二成分系において、固体-液体界面（SLI）成長不安定性を予測するモデルの長年の欠如に応えること。
• 安定な界面構成を、エントロピー生成率（MEPR）を最大にするものとして同定すること。
• 拡散界面厚さおよび擬似原子層数を定量的に予測すること。
• 凝固速度および温度勾配の関数として、平面的から非平面的（結晶面またはセルラー）な形態への遷移を予測すること。

提案手法

• 最大エントロピー生成率（MEPR）原理を、凝固過程における最も熱力学的に安定な界面構成を同定するために適用する。
• 平衡に近い状態および非平衡状態の両方の定常状態凝固条件下を分析する。
• 剛体固体と液体相間の界面領域におけるエントロピー生成率の割合を考慮する。
• 原子的平面的、拡散平面的、結晶面非平面的、セルラー非平面的といった界面構成を、エントロピー生成率について評価する。
• MEPR最大化に基づき、拡散界面厚さおよび擬似原子層数の定量的式を導出する。
• 波形解析を組み込むことで、形態的遷移の予測を精緻化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凝固過程における固体-液体界面の安定な構成（平面的、拡散的、結晶面的、またはセルラー的）は、何によって決定されるか？
• RQ2 拡散界面の厚さおよび擬似原子層数を定量的に予測する方法は何か？
• RQ3 凝固過程において、平面的から非平面的（結晶面またはセルラー）な形態への遷移を引き起こす条件は何か？
• RQ4 従来のモデルが失敗していた二成分合金における凝固不安定性の破壊条件を、MEPR原理が予測できるか？
• RQ5 凝固速度および温度勾配の変動に応じて、異なる界面形態におけるエントロピー生成率はどのように変化するか？

主な発見

• MEPR原理は、凝固速度および温度勾配の関数として、平面的から非平面的（結晶面またはセルラー）な形態への遷移を成功裏に予測した。
• モデルは、界面領域における拡散界面厚さおよび擬似原子層数について、定量的な予測を提供した。
• 本モデルは、従来の理論的モデルが予測可能性を欠いていた二成分合金において、初めて妥当な精度で破壊条件を予測した。
• モデルは、平衡に近い状態および非平衡状態の両方の凝固条件下で有効である。
• 波形解析の組み込みにより、形態的遷移予測の精度が向上した。
• 得られた結果は、さまざまな材料において実験観察と整合しており、MEPRに基づくフレームワークの妥当性が裏付けられた。