Deterministic and stochastic dynamics in spinodal decomposition of a binary system

A model for diffusion and phase separation, which takes into account hyperbolic relaxation of the solute diffusion flux, is developed. Such a ‘hyperbolic model’ provides analysis of ‘hyperbolic evolution’ of patterns in spinodal decomposition in systems supercooled below critical temperature. Analytical results for the hyperbolic model of spinodal decomposition are summarized in comparison with outcomes of classic Cahn−Hilliard theory. Numeric modelling shows that the hyperbolic evolution leads to sharper boundary between two structures of a decomposed system in comparison with prediction of parabolic equation given by the theory of Cahn and Hilliard. Considering phase separation processes in stochastic systems with a field-dependent mobility and an internal multiplicative noise, we study dynamics of spinodal decomposition for parabolic and hyperbolic models separately. It is that the domain growth law is generalized when internal fluctuations are introduced into the model. A mean field approach is carried out in order to obtain the stationary probability, bifurcation and phase diagrams displaying re-entrant phase transitions. We relate our approach to entropy-driven phase-transitions theory.Розвинуто модель дифузії та фазового розшарування, який враховує гіперболічну релаксацію дифузійного потоку. Такий «гіперболічний модель» призводить до «гіперболічного» рівнання щодо формування модульованих структур при спинодальнім розпаді в системах, охолоджених нижче критичної температури. Аналітичні результати для гіперболічного моделю спинодального розпаду порівнюються із відповідними результатами, що випливають з класичної теорії Кана—Хіллярда. За допомогою чисельного моделювання показано, що еволюція системи в гіперболічнім моделю призводить до різкої міжфазної межі у порівнянні з обчисленнями за параболічним модельом Кана−Хіллярда. З розглядом процесів фазового розшарування в стохастичних системах із залежною від поля концентрації рухливістю та внутрішнім мультиплікативним шумом вивчається динаміка спинодального розпаду для параболічного та гіперболічного моделів. Показано, що закон зростання розмірів зерен може бути узагальнений введенням у розгляд внутрішніх флюктуацій, залежних від поля концентрації. Для дослідження стаціонарної картини (функції розподілу, біфуркаційних та фазових діяграм) розвинуто теорію середнього поля, в рамках якої встановлено, що відповідні перетворення носять реверсивний характер. Показано, що опис процесу фазового розшарування у стохастичних системах із внутрішнім шумом забезпечується використанням теорії ентропійнокерованих фазових переходів.В работе развита модель для описания диффузии и фазового расслоения, которая учитывает гиперболическую релаксацию диффузионного потока. Такая «гиперболическая модель» приводит к гиперболическому уравнению описания формирования модулированных структур при спинодальном распаде в системах, охлажденных ниже критической температуры. Аналитические результаты для гиперболической модели спинодального распада сравниваются с соответствующими результатами, следующими из классической теории Кана—Хилларда. С помощью численного моделирования показано, что эволюция системы в гиперболической модели приводит к резким межфазным границам в сравнении с вычислениями согласно параболической модели Кана—Хилларда. При рассмотрении процессов фазового расслоения в стохастических системах с зависимой от поля концентрации подвижностью и внутренним мультипликативным шумом изучена динамика спинодального распада для параболической и гиперболической моделей. Показано, что закон роста размеров зерен может быть обобщен введением в рассмотрение внутренних флуктуаций, зависимых от поля концентрации. Для исследования стационарной картины (функции распределения, бифуркационных и фазовых диаграмм) развита теория среднего поля, в рамках которой установлено, что соответствующие превращения носят реверсивный характер. Показано, что описание процесса фазового расслоения в стохастических системах с внутренним шумом обеспечивается использованием теории энтропийноуправляемых фазовых переходов

Properties of pattern formation and selection processes in nonequilibrium systems with external fluctuations

We extend the phase field crystal method for nonequilibrium patterning to stochastic systems with external source where transient dynamics is essential. It was shown that at short time scales the system manifests pattern selection processes. These processes are studied by means of the structure function dynamics analysis. Nonequilibrium pattern-forming transitions are analyzed by means of numerical simulations.Comment: 15 poages, 8 figure

Generation of defects and disorder from deeply quenching a liquid to form a solid

We show how deeply quenching a liquid to temperatures where it is linearly unstable and the crystal is the equilibrium phase often produces crystalline structures with defects and disorder. As the solid phase advances into the liquid phase, the modulations in the density distribution created behind the advancing solidification front do not necessarily have a wavelength that is the same as the equilibrium crystal lattice spacing. This is because in a deep enough quench the front propagation is governed by linear processes, but the crystal lattice spacing is determined by nonlinear terms. The wavelength mismatch can result in significant disorder behind the front that may or may not persist in the latter stage dynamics. We support these observations by presenting results from dynamical density functional theory calculations for simple one- and two-component two-dimensional systems of soft core particles.Comment: 25 pages, 11 figure

Linear morphological stability analysis of the solid-liquid interface in rapid solidification of a binary system

The interface stability against small perturbations of the planar solid-liquid interface is considered analytically in linear approximation. Following the analytical procedure of Trivedi and Kurz (Trivedi R, Kurz W. Acta Metall 1986;34:1663), which is advancing the original treatment of morphological stability by Mullins and Sekerka (Mullins WW, Sekerka RF. J Appl Phys 1964;35:444) to the case of rapid solidification, we extend the model by introducing the local nonequilibrium in the solute diffusion field around the interface. A solution to the heat- and mass-transport problem around the perturbed interface is given in the presence of the local nonequilibrium solute diffusion. Using the developing local nonequilibrium model of solidification, the self-consistent analysis of linear morphological stability is presented with the attribution to the marginal (neutral) and absolute morphological stability of a rapidly moving interface. Special consideration of the interface stability for the cases of solidification in negative and positive thermal gradients is given. A quantitative comparison of the model predictions for the absolute morphological stability is presented with regard to experimental results of Hoglund and Aziz (Hoglund DE, Aziz MJ. Mat Res Soc Symp Proc 1992;205:325) on critical solute concentration for the interface breakdown during rapid solidification of Si--Sn alloys.Comment: 33 pages, 4 figure

Dendritic solidification and fragmentation in undercooled Ni-Zr alloys

Kinetics of dendritic solidification and fragmentation of dendritic crystals in undercooled Ni–Zr samples are studied. Using the capacitance proximity sensor technique and a high-speed-camera system, the dendrite growth velocity has been measured as a function of initial undercooling in solidifying droplets processed by the electromagnetic levitation technique. Analyses of solidified droplets give evidence to a transition from coarse grained dendrites to grain refined dendrites (CG-GR) at small undercooling, a transition from grain refined dendrites to coarse grained dendrites (GR-CG) at moderate undercooling, and to a second transition from coarse grained dendrites to grain refined dendrites (CG-GR) at a higher undercooling. Predictions of a sharp-interface model are compared with the results of experiments on Ni–Zr samples