Homogeneous crystallization of supercooled aluminum melt. A molecular dynamics study
Kinetics of crystal nucleation in supercooled aluminum melt is studied by molecular dynamics (MD) method. The melt is described by embedded atom method (EAM) potential. Lifetimes of metastable phase are calculated for a set of pressures and temperatures. Crystal nucleation rates are obtained. An analysis of crystalline cluster formation kinetics is performed. Based on this analysis, the critical crystal nucleus sizes are estimated. Crystal nucleation at relatively low undercoolings is shown to proceed in several stages. The correspondence between our results and the classical nucleation theory is discussed.
molecular modeling, material sciences, crystallization, metastable states, nucleation, clusters
В работе рассматривается моделирование гомогенного зарождения кристалла в переохлажденном расплаве алюминия методом молекулярной динамики (МД). Для моделирования используется потенциал погруженного атома. По результатам МД моделирования определены средние времена жизни метастабильной фазы при различных температурах и давлениях. Определены частоты нуклеации. Проведен анализ кинетики формирования кристаллических кластеров. На его основе оценен критический размер зародыша. Показан ступенчатый механизм образования зародыша при малых пересыщениях. Производится сравнение полученных результатов с классической теорией нуклеации.
1. Murray B.J., Wilson T.W., Broadley S.L., Wills R.H. // Atm. Chem. Phys. Discuss. 2010. V. 10, N.4. Pp. 9695–9729. 2. Forrest S.R., Burrows P.E. // Supramolec. Sci. 1997. V. 4, N. 1-2. Pp. 127 – 139. 3. Fedorchenko A.I., Chernov A.A. // Int. J. Heat Mass Transfer. 2003. V. 46. Pp. 921–929. 4. Dolan D.H., Gupta Y.M. // J. Chem. Phys. 2004. V. 121, N. 18. Pp. 9050–9057. 5. Dolan D.H., Knudson M.D., Hall C.A., Deeney C.// Nature Phys. 2007. V. 3. P. 342. 6. Фунтиков А.И. // ТВТ. 2009. Т. 47. № 2. С. 221. 7. Funtikov A.I.// in Physics of Extreme States of Matter – 2010 / Ed. by ac. V.E. Fortov et al. 2010. P.59. 8. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы: Пер. с нем., Под ред. К.М. Горбуновой, А.А. Чернова. М.: Нау- ка, 1986. 9. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972. 10. Gibson J.B., Goland A.N., Milgram M., Vineyard G.H. // Phys. Rev. 1960. V. 120, N. 4. Pp. 1229–1253. 11. Rahman A. // Phys. Rev. 1964. V. 136, N. 2A. Pp. A405– A411. 12. Frenkel D., Smith B. Understanding Molecular Simulation: from Algorithms to Applications. New York: Academic Press, 1996. 13. Норман Г.Э., Стегайлов В.В. // ДАН. 2002. Т. 386. № 3. С. 1-5. 14. Norman G.E., Stegailov V.V. // Mol. Simul. 2004. V. 30, N. 6. Pp. 397–406. 15. Куксин А.Ю., Норман Г.Э., Писарев В.В., Стегайлов В.В., Янилкин А.В. // ТВТ. 2010. Т. 48. № 4. С. 536-543. 16. Куксин А.Ю., Янилкин А.В. // ДАН. 2007. Т. 413. № 5. С. 615-619. 17. Kuksin A., Norman G., Pisarev V., Stegailov V., Yanilkin A. // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. N. 17. P. 174101. 18. Wedekind J., Strey R., Reguera D. // J. Chem. Phys. 2007. V. 126, N. 13. P. 134103. 19. Mendelev M.I., Kramer M.J., Becker C.A., Asta M. // Philosophical Magazine. 2008. V. 88. N. 12. P. 1723-1750. 20. Kelton K.F. // Solid State Physics – Advances in Research and Applications. 1991. V.45. P. 75-177.
