A size-dependent ductile fracture model: Constitutive equations, Numerical implementation and Validation
从分子动力学、离散位错动力学和连续介质力学数值模拟中，已经预测了多孔韧性材料在微米或纳米尺度上的尺寸效应，这是几何必要位错的结果或由于空隙基质界面的存在。对于给定的孔隙率，随着空隙尺寸减小，需要更高的应力来使材料变形。然而，大多数用于韧性断裂建模的多孔材料的均质化模型是尺寸无关的，即使在结构材料中通常观察到微米或纳米孔隙。基于文献中提出的纳米多孔材料的屈服准则，提出了一个轴对称加载条件下的多孔材料的尺寸相关的均匀化模型，包括孔隙生长和合并以及孔隙形状的影响。详细介绍了本构方程的数值实现。通过与考虑界面应力的多孔单胞有限元模拟进行比较，验证了均质化模型，该模型与用于推导屈服准则的模型一致，旨在对空隙矩阵界面处的额外硬化进行建模。最后讨论了改进模型的可能性，并从理论上推导了改进的屈服准则和演化规律。
2019-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Theoretical estimates for flat voids coalescence by internal necking
在大多数情况下，由内部颈缩引起的空隙合并是与延性断裂相关的最后一个微观事件，并且对应于相邻空隙之间的局部塑性流动。与聚结开始相关的宏观载荷是基于极限分析经典地估计的。然而，一个严格的上限数学表达式所需的极限载荷的扁平空隙聚结，保持有限的硬币形空隙/裂纹仍然是不可用的。因此，基于极限分析，理论上的上限估计-积分表达式和封闭形式的公式-得到的极限载荷的圆柱形单位细胞的圆柱形平板空洞的边界条件，允许评估合并，轴对称应力状态。这些估计，导致有限的极限载荷的硬币形裂纹，被证明是非常好的协议与数值极限分析，圆柱形和球形空隙。并给出了拉剪复合载荷下聚结的近似计算公式。因此，这些合并标准可以用来预测韧性断裂模型中的内部颈缩的空隙合并的开始。
2016-08-10 cond-mat.mtrl-sci
Dislocation nucleation in shocked fcc solids: effects of temperature and preexisting voids
本文用分子动力学模拟方法研究了面心立方Lennard-Jones固体模型Ar在冲击波作用下位错形核的定量行为。在理想晶体中，发现Hugoniot弹性限度（HEL）是温度的线性递减函数：从接近零度到熔化温度。在有缺陷的晶体与空隙，位错被发现成核的空隙表面上。当空穴半径为3.4纳米时，HEL也急剧下降到完美晶体的15%。随着空穴半径的增大，HEL的下降幅度增大，但HEL对温度的变化不敏感。
2005-03-01 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Grain Orientation and Local Strains on Void Growth and Coalescence in Titanium
韧性断裂在具有弱力学各向异性的金属如铜和铝中得到了广泛的研究。更各向异性的金属，特别是那些具有六方晶体结构的金属（例如钛）的断裂仍然远未被理解。本文研究了工业纯钛（CP-Ti）的韧性断裂过程，着重研究了晶粒取向和局部应变状态对孔洞生长的影响。一种实验方法被开发出来，以直接关系到一个空洞的生长在三个维度，其底层的晶粒取向。晶粒取向得到了电子背散射衍射含空隙的CP-Ti片之前，他们的扩散连接。空隙尺寸的变化进行了测量，在现场应变的X射线断层扫描系统。嵌入的晶粒取向和它的邻居的空洞的生长速率和合并的强烈影响已被实验量化。有限元晶体塑性模拟，同时考虑到晶粒取向和局部应变状态被发现预测的实验空隙增长。基底滑移占主导地位的晶粒显示出最大的空隙生长速率，因为它们更接近于有利于空隙生长和聚结的平面应变条件。
2019-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Correlating toughness and roughness in ductile fracture
本文采用弹粘塑性本构关系，对含两种空穴形核第二相粒子的塑性固体进行了Ⅰ型平面应变、小尺度屈服条件下的三维延性裂纹扩展计算。本文给出了以空穴形核粒子随机分布为特征的三维材料微结构的全场解。裂纹扩展阻力曲线和断裂表面粗糙度统计使用标准程序计算。所考虑的空隙成核颗粒体积分数的范围引起韧性值JIC，其变化为四倍。对于所有考虑的体积分数，计算的断裂表面是自仿射的约两个数量级的尺寸范围内的粗糙度指数为0.54 $\pm$ 0.03。对于小空隙成核颗粒体积分数，平均大颗粒间距作为一个单一的主导长度尺度。在这个制度中，相应于自仿射行为的截止的断裂表面的相关长度被发现是线性相关的JIC，从而定量相关的韧性和断裂表面粗糙度。
2013-07-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Atomistic simulations on ductile-brittle transition in <111> BCC Fe nanowires
通过分子动力学模拟研究了温度对$<$ 111 $>$ BCC Fe纳米线拉伸变形和断裂行为的影响。模拟已进行了在不同的温度范围内10-1000 K采用恒定的应变速率的$1\times$ $10^8$ $s^{-1}$。结果表明，在低温下（10-375 K），纳米线屈服通过一个尖锐的裂纹的成核和脆性的方式失败。另一方面，在450-1000 K范围内的高温下，观察到屈服时多个1/2 $<$ 111 $>$位错的成核，随后是导致延性破坏的显著塑性形变。在400 K的中间温度下，纳米线通过与裂纹尖端处的许多移动的1/2 $<$ 111 $>$和固定的$<$ 100 $>$位错相关联的裂纹成核而屈服，并且以延性方式失效。在$<$ 111 $>$ BCC Fe纳米线中观察到的延性-脆性转变适当地反映在失效时的应力-应变行为和塑性应变中。随着纳米线尺寸的增加，韧脆转变增加。断裂行为的变化已被讨论的屈服和断裂应力的相对变化和相对于温度的滑移行为的变化。此外，位错增殖机制的扭结形核从纳米线表面观察到在高温下已被提交。
2017-10-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Void Nucleation, Growth, and Coalescence in Irradiated Metals
介绍了一种新的计算处理致密，刚性，耦合反应速率方程研究的成核，生长，和可能的合并的空穴在中子辐照金属。辐射损伤模型的创建弗伦克尔对缺陷和氦杂质原子。一个多维的集群大小分布函数允许独立的演变的空位和氦含量的空腔，区分空隙和气泡。一个模型与固着腔和集群集群聚结可能会导致双峰最终空腔尺寸分布与共存的小，高压气泡和大，低压空隙。一个模型，包括不受阻碍的空腔扩散和合并，最终从系统中删除的小氦气泡，只留下大的空隙。空穴聚结也降低了末端空穴密度，并可大大改变孕育期和末端溶胀速率。沉淀物对空隙/气泡的温度依赖性捕获以及吸附杂质和内部气体压力对空隙表面扩散的改变可能会通过其对空腔流动性和聚结的影响引起中间溶胀行为。
2008-03-26 cond-mat.mtrl-sci
A coalescence criterion for porous single crystals
在韧性材料中可以观察到各种尺度的空隙，通常尺寸小于晶粒尺寸，导致多孔单晶材料。多孔延性（单晶）材料的两种局部变形模式已被确定，并被称为空洞生长和空洞聚结，后者的特点是相邻的空洞之间的强相互作用。提出了一个简单的半解析的多孔单晶与周期性排列的空隙合并标准，使用有效的各向同性屈服应力与各向同性材料的标准。还提出了一个扩展的合并标准，以考虑剪切相对于合并平面。有效屈服应力的定义采用单晶变形的泰勒理论，并最终依赖于平均泰勒因子的计算。可以考虑任意组的滑移系。通过与使用基于快速傅立叶变换的求解器进行的数值极限分析结果进行比较来评估聚结标准。一个很好的协议之间观察到建议的标准和数值计算结果的各种配置，包括不同的滑移系（面心立方，受阻密堆积），晶体取向，空隙形状和加载条件。空隙生长和空隙聚结之间的竞争被描述为特定的条件下，强调晶体取向和空隙晶格的强烈影响，以及它们之间的相互作用。
2018-12-03 cond-mat.mtrl-sci
Void Formation and Roughening in Slow Fracture
在韧性和某些脆性材料中，缓慢的裂纹扩展似乎是通过在裂纹尖端之前由于塑性屈服而形成的空隙的成核而发生的，随后是这些空隙的聚结。分别在$μ$ m-mm和nm尺度上对韧性和脆性材料的所得断裂表面进行事后分析，揭示了具有异常标度指数$ζ\approx 0.8$的自仿射裂纹在3维和$ζ\approx 0.65$在2维中。在本文中，我们提出了一种分析理论的基础上的方法，迭代保角映射的目的是在模拟的空隙形成和裂缝的生长，最终在2维的粗糙化指数的估计。在最简单的实现模型，我们允许一个空白的裂纹，并解决粗糙化指数的鲁棒性。接下来，我们进一步发展理论，包括两个空洞的裂纹。这种发展需要推广迭代共形映射的方法，以包括双连通区域（来自环而不是单位圆的映射）。虽然在数学和数值上是可行的，我们发现，就业的应力场计算弹性理论变得有问题时，一个以上的空隙明确插入到材料。因此，这一研究领域的进一步进展要求改进塑性动力学的处理。
2004-10-24 cond-mat.mtrl-sci
Anisotropic coalescence criterion for nanoporous materials
通过空隙生长和聚结的韧性断裂显著取决于材料的塑性各向异性和空隙尺寸，如通过几项研究的实验和/或数值模拟所示。宏观（均质化）的产量标准，旨在模拟纳米多孔材料已被提出只为生长制度，即非相互作用的空隙。因此，本研究的目的是提供一个纳米多孔材料相关的聚结制度，即当塑性流动是本地化的空隙之间的产量标准。通过均匀化和极限分析，并考虑界面应力在孔隙-基体界面，解析合并准则推导出以下条件下：轴对称加载，正交各向异性材料服从希尔塑性，圆柱形单元格中的圆柱形孔隙。顺便说一句，正交各向异性扩展现有的各向同性建模界面应力通过极限分析的描述和使用。建议的合并标准，然后扩展到考虑组合拉伸和剪切载荷条件。在特定条件/材料参数下进行了数值极限分析，以获得聚结应力的精确（数值误差）结果。在这项研究中推导出的分析聚结标准和数值计算结果之间的一个很好的协议被发现为细长的球形空隙，使它们可用于预测的纳米多孔材料的韧性断裂建模的空隙聚结的发病。
2017-09-16 cond-mat.mtrl-sci
On probabilistic aspects in the dynamic degradation of ductile materials
动态载荷产生高应力波，导致韧性材料如铝、铜、镁或钽的开裂。在此用来解释空穴数量随应力速率变化的主要机制是成核抑制，这是由已经成核的空穴的生长引起的。在概率模型的框架下，研究了层裂强度和临界时间随加载速率的变化关系。本方法，解释了以前的实验结果的应变率依赖性的层裂强度，被施加到分析钽的实验数据。
2009-10-27 cond-mat.mtrl-sci
Effect of shape on void growth: A coupled Extended Finite Element Method (XFEM) and Discrete Dislocation Plasticity (DDP) study
National University of Sciences and Technology（国立科技大学）
本研究通过耦合XFEM和DDP方法，探讨了孔洞形状对延性断裂微机制的影响，发现孔洞表面积越大生长越快，且不同取向影响材料塑性行为。
2025-11-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Three-dimensional investigation of void growth leading to fracture in commercially pure titanium
在含有人工孔的模型材料中，对工业纯钛的断裂过程进行了可视化。这些模型材料是使用飞秒激光结合扩散结合技术制造的，以获得钛样品内部的空隙。使用X射线计算机断层成像三维记录原位应变过程中空隙尺寸的变化。实验获得的空隙增长进行了比较与赖斯和Tracey模型预测以及平均空隙增长。一个大的分散在空隙生长数据解释了晶粒取向的差异，这是证实了晶体塑性模拟。研究还表明，晶粒取向对孔洞生长的影响比孔洞间距和材料强度更大。然而，空隙间距似乎控制空隙韧带断裂是韧性还是脆性。
2016-07-26 cond-mat.mtrl-sci
Prediction of void evolution in sheet bending based on statistically representative microstructural data for the Gurson-Tvergaard-Needleman model
钢板中的韧性损伤是由空洞引起的。预测弯曲构件中的孔洞分布对产品设计至关重要。由于孔隙体积分数是Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）模型中的状态变量，因此将其应用于预测弯曲过程中的孔隙演化。材料参数识别的基础上的力-位移曲线的双相钢，也通过从全景扫描电子显微镜图像获得的统计微观结构信息。利用最近提出的一种基于机器学习算法的GTN模型的空泡体积分数和特定空泡数的确定方法。
2020-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Fracture in multi-phase materials: why some microstructures are more critical than others
我们的目标是解开机制，导致故障的韧性两相材料-由一个韧性软相和一个相对脆硬相。采用理想化的细观结构模型，系统、透明地研究了损伤扩展问题。分析揭示了不同的微观结构特征周围的早期空隙，从而硬相的区域与拉伸轴和软相的区域与剪切方向对齐。这些特征在表现出损伤扩展的区域中一致地被发现，由此损伤保持初始驱动，即空隙彼此独立地成核。在本地化，损害控制在一个较长的长度尺度依赖于一个关键的相对位置的“启动热点”。在软相的带中，损伤迅速增加，其中几个空隙与剪切方向对齐。空隙的相对排列决定了微结构是早期失效还是在显著更高的应变下失效。虽然需要进行大量的研究来完善这些发现，以获得真实或更现实的微观结构，特别是在三维空间中，但本文为更深入地了解多相材料的最终失效开辟了一条途径。
2016-12-19 cond-mat.mtrl-sci
Phase field modelling voids nucleation and growth in binary systems
我们提出了一个全面的研究空洞的形成，形核和生长的二元合金的原型模型进行辐照通过使用相场和速率理论的基础上的组合方法。结果表明，空洞的形成是由于辐照产生的空位通过晶格的弹性形变相互作用以及空位与合金成分场的耦合而引起的。相图说明有关的固溶体，相分解，和图案化的状态的形成。从过饱和的整体空位形成的空隙是伴随着合金成分的组合物重排。结果发现，弹性的不均匀性导致在初始制备的二元合金中形成各向异性沉淀物，导致在辐照下形成空隙超晶格。结果表明，根据扩散控制的沉淀过程中，空洞形核和长大剂量，空洞生长的普遍动力学揭示。利用与大多数合金和钢有关的材料参数，对空洞的主要定量和统计特征进行了估算，结果与实验观察结果吻合良好。
2018-03-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Temperature-activated dislocation avalanches signaling brittle-to-ductile transition in BCC micropillars
School of Mechanics & Engineering Science, Shanghai University（上海大学力学与工程科学学院）；Department of Mechanical & Aerospace Engineering, University of Miami（迈阿密大学机械与航空航天工程系）；School of Physics, Sun Yat-sen University（中山大学物理学院）；Department of Mechanical & Aerospace Engineering, University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校机械与航空航天工程系）
研究通过原位压缩实验和三维位错动力学模拟，揭示了BCC金属在高温下由脆性向韧性转变的机制，发现高温下应力波动表现出自组织临界性。
2026-02-25 cond-mat.mtrl-sci
A Multiscale Constitutive Model for Metal Forming of Dual Phase Titanium Alloys by Incorporating Inherent Deformation and Failure Mechanisms
延展性金属在破坏前要经历相当大的塑性形变。空隙成核、生长和聚结是此类金属的失效机制。α/β钛合金具有延展性，因其独特的性能如比强度、断裂韧性、耐腐蚀性和抗疲劳失效性而被广泛使用。据报道，这些合金中的空隙在α和β相之间的相边界上成核。基于晶体塑性有限元法（CPFEM）对α相和β相界面处空洞生长的研究结果[1]，[2]，建立了空洞成核、生长和合并模型。将现有的单相晶体塑性理论扩展到双相钛合金变形和失效的物理机制。各种因素（应力三轴度，Lode参数，变形状态（等效应变），和相边界倾斜）对空穴的成核，生长和合并的影响被用来制定本构模型，而它们的相互作用与传统的晶体塑性理论的建立。对模型进行了广泛的参数评估，以量化和了解材料参数对整体材料响应的影响。所提出的模型的性能进行评估和验证，通过比较所提出的模型的结果与RVE的研究结果。本构模型在α/β钛合金部件成形工艺设计和优化中的应用也通过实验数据得到了证明。
2020-02-11 cond-mat.mtrl-sci
An examination of local strain fields evolution in ductile cast iron through micromechanical simulations based on 3D imaging
本研究通过对比DVC测量与有限元模拟，检验球墨铸铁局部应变场，评估应变作为聚结指标的可行性，发现宏观应变预测一致，局部应变在部分试样存在差异。
2022-04-25 cond-mat.mtrl-sci cs.CE
Void Growth in BCC Metals Simulated with Molecular Dynamics using the Finnis-Sinclair Potential
韧性金属的断裂过程包括孔洞的形核、生长和连接。这一过程既发生在典型的工程应用中所涉及的低速率下，也发生在与动态断裂过程（如破裂）相关的高速率下。本文采用基于Finnis-Sinclair原子间相互作用势的分子动力学（MD）方法，研究了体心立方（bcc）金属V、Nb、Mo、Ta和W在单晶中空穴的高速生长。Finnis-Sinclair势的使用使得能够在室温和应变速率从10^9/s下降到10^6/s以及高达1.28亿个原子的系统下，在原子水平上研究与空穴生长相关的塑性。观察到的原子系统经历了一个过渡，从孪生在这个范围的高端在低端的位错流。我们分析了模拟的具体机制，塑性与空洞生长的位错环冲压出来，以适应日益增长的空洞。我们还分析了在不同应变速率下模拟纳米晶Ta膨胀时空洞的形核和长大过程。我们评论的差异，在体心立方金属与空洞生长的塑性相比，在面心立方（fcc）金属早期的研究。
2009-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Deformation mechanisms of Inconel-718 at nanoscale by molecular dynamics
镍基高温合金Inconel-718在金属3D打印中无处不在，其中存在高冷却速率和热梯度。这些制造条件有利于材料中的高初始位错密度和孔隙或空隙。本文提出了一种分子动力学（MD）分析方法，利用嵌入原子法（EAM）势研究Inconel-718合金中位错、冷却速率、空隙及其相互作用对材料性能和失效机制的影响。三种不同的结构：纳米线（NW），纳米柱，和纳米板在整个这项工作中使用。最初，应变速率在10^8 s ^-1到10^10 s ^-1之间变化，保持NW直径和温度分别恒定在3.17 nm和300 K。通过施加109 s^-1的恒定应变速率，在100 K至700 K的温度范围内对7.04 nm的纳米柱施加压缩载荷。对纳米片（有和没有中心空隙）施加从0.5 × 10^10 K/s到1 × 10^14 K/s的不同冷却速率。中心空隙的尺寸保持固定在2.12 nm。在拉伸过程中，应变速率的增加不仅导致应变硬化，而且位错密度增加。我们的计算方法是成功地捕捉广泛的滑动{111}剪切面，这导致显着的颈缩的合金断裂前，由于位错。高冷却速率产生非平衡结构，导致高强度和延展性行为。另一方面，形成良好限定的晶体结构的低冷却速率导致低强度和脆性行为。观察到这种脆性到韧性的转变仅仅是由于冷却速率。冷却速率可以通过在固化过程中愈合结构来减少空隙。还详细介绍了随温度和尺寸变化的后续机械性能。
2020-06-14 cond-mat.mtrl-sci
Multi-scale modelling to estimate spall parameters in metallic single crystals
模拟材料的动态断裂涉及使用流体动力学代码，这些代码解决了空间和时间中的质量，能量和动量的基本守恒定律。这就需要适当的模型来处理弹性-塑性形变、状态方程、材料强度和断裂。成核与生长（NAG）损伤模型是一种微观物理模型，其通过考虑诸如成核、生长和空洞或裂纹的合并等现象来计算材料中的损伤量。NAG模型涉及几个材料模型参数，如成核阈值，生长阈值等，传统上这些参数拟合到实验空隙体积分布。在本文中，我们适合这些参数的分子动力学（MD）模拟的空隙成核和生长，并使用拟合参数的流体动力学模拟中的多尺度计算方法。对立方金属单晶体进行各向同性变形，并对孔洞的成核和长大过程进行了后处理。这些结果被用于内部粒子群优化（PSO）代码，以获得NAG参数为我们感兴趣的材料。使用这些参数在一个一维流体动力学代码开发的内部，断裂参数，如层裂强度和厚度。结果与发表的实验数据进行了验证Mo，Nb和Cu已使用多尺度模型模拟。本文介绍了应用多尺度模型获得铝的NAG断裂模型参数及其层裂数据。结果进行了比较与发表的实验结果在单晶铝。
2022-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Void growth and coalescence in irradiated copper under deformation
通常观察到辐照材料的断裂韧性降低，如轻水反应堆（LWR）中的奥氏体不锈钢或用于聚变应用的铜合金所报告的。对于广泛的应用（例如，在低同系温度下辐照的结构钢），空洞生长和聚结断裂机制已被证明仍然是占主导地位的。因此，需要全面研究辐照诱导硬化机制对辐照材料中空隙生长和聚结的影响。在这项研究中，基于模型实验，对辐照对韧性断裂机制的影响进行了评估。用质子辐照纯铜薄拉伸试样，辐照强度达0.01dpa。在单轴加载条件下，通过这些样品的厚度钻取的三分之一大小的孔可以详细描述空隙的生长和合并。在这项研究中，实验数据表明，微米级的空洞生长和合并的物理机制是相似的未辐照和辐照铜。然而，在后一种情况下，观察到的空隙生长的加速，导致在早期的聚结，这是一致的，在辐照材料中报告的断裂韧性的下降。这些结果定性再现与数值模拟占辐照宏观硬化和应变硬化能力的下降。
2018-03-11 cond-mat.mtrl-sci
Condensation and growth of Kirkendall voids in intermetallic compounds
基于空位扩散、球形孔洞的弹塑性变形和率相关变形，提出了一个模拟金属材料中Kirkendall孔洞的模型。从现象学解释的柯肯达尔效应，我们简要地讨论了微电子可靠性的后果。提出了一个空洞形核和生长的本构模型，该模型可用于预测焊点中空洞在热循环过程中的时间发展。最后，我们示范性的数值研究，并讨论了潜在的连接连接的失效分析的结果。
2008-03-03 cond-mat.mtrl-sci
Roughening of Fracture Surfaces: the Role of Plastic Deformations
分别在$μ$ m-mm和nm尺度上对韧性和脆性材料的断裂表面进行事后分析，揭示了具有异常标度指数$ζ\approx 0.8$的自仿射图。试图用弹性理论来解释这一结果失败了，产生的指数$ζ\approx 0.5$高达100 ms。我们发现，当裂纹传播通过塑性空隙形成在前面的提示，其次是空洞合并，空洞的位置呈正相关的屈服指数高于0.5。
2003-12-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Large plastic deformation of voids in crystals
本研究通过二维晶体塑性ALE框架模拟单晶中孔洞的大塑性变形，揭示径向与单轴加载下孔洞形状演化机制，发现滑移带网络、晶格旋转及取向依赖对孔洞合并和宏观裂纹形成的关键影响。
2025-04-04 cond-mat.mtrl-sci
Sensitivity of void mediated failure to geometric design features of porous metals
由于内部孔隙率、表面粗糙度和与设计几何形状的一致性的不精确控制，由当前金属增材制造工艺生产的材料容易受到可变性能的影响。使用一个双U形缺口试样，我们调查的名义几何形状和孔隙率在确定延性破坏特性在单调拉伸载荷的相互作用。我们模拟的影响，分布孔隙度的塑性和损伤使用的统计模型的基础上人口的孔隙可见的计算机断层成像扫描和额外的亚阈值空隙所需的变形和故障的实验观察相匹配。我们解释模拟结果从物理的角度来看，并提供附近的应力集中的故障概率的统计模型。我们为材料缺陷可能导致意外故障的设计提供指导，具体取决于这些缺陷相对于标称几何特征的相对重要性。
2021-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Interaction of void spacing and material size effect on inter-void flow localisation
多孔金属中由于微米级孔洞的生长和合并而导致的韧性断裂过程不仅受到外加应力状态的影响，而且还受到孔洞分布和材料尺寸效应的影响。这项工作的目的是要了解的相互作用的空隙间距（或韧带）和由此产生的梯度诱导材料的尺寸效应的空隙聚结的范围内施加的应力状态。为此，三维有限元计算的单胞模型与离散的空隙嵌入在应变梯度增强材料矩阵进行。计算进行了一系列的初始空隙间韧带的大小和施加的应力状态，其特征在于固定值的应力三轴度和洛德参数。我们的研究结果表明，在没有应变梯度对材料响应的影响，减少空隙间韧带的大小导致空隙聚结的倾向增加。然而，在应变梯度增强的材料基质中，应变梯度使空隙间韧带中的材料硬化，并降低空隙间韧带尺寸对空隙聚结倾向的影响。
2020-11-10 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Ductile and brittle crack-tip response in equimolar refractory high-entropy alloys
了解耐火高熵合金（HEAs）的强化和变形机制，提出作为新的高温材料，是需要改善其典型的不足的室温延展性。在这里，密度泛函理论模拟和连续介质力学分析进行了系统的研究之间的竞争解理退粘和位错发射从裂纹尖端的体心立方耐火HEAs HfNbTiZr，MoNbTaVW，MoNbTaW，MoNbTiV，和NbTiVZr。这种裂纹尖端的竞争进行评估拉伸载荷和15个裂纹配置和滑移系统的总和。我们的研究结果预测，在裂纹尖端的位错塑性一般是不利的-虽然竞争是接近一些裂纹方向，这五个HEAs在零温度下的内在脆性和低裂纹尖端断裂韧性。局部合金成分的波动，HfNbTiZr的调查，可以局部地减少相对于该滑移系统的配置平均的滑移系统的位错发射的阻力，但不改变占主导地位的裂纹尖端响应。在单晶MoNbTaW的情况下，实验，室温下的断裂韧性值是可用于\{100\}平面上的裂纹，理论和实验结果一致有利。可能限制协议的因素进行了讨论。我们调查材料各向异性的效果上的首选裂纹尖端的取向，这被发现是合金的具体。混合模式加载被发现转移有利于解理或位错成核的竞争，这取决于裂纹的配置和放大的材料各向异性对裂纹尖端应力的影响。
2020-02-17 cond-mat.mtrl-sci
On the effect of strain and triaxiality on void evolution in a heterogeneous microstructure -- A statistical and single void study of damage in DP800
为了提高对机械非均匀微观结构（如双相钢）中损伤演化的理解，施加应力状态的影响是一个关键因素。在这项工作中，我们研究了全球施加的应力状态的损伤演化在这样的微结构的影响。经典的损伤模型允许基于各向同性连续体材料的考虑来预测变形过程中的损伤。在这里，我们调查他们的有效性，在一个双相微结构，是局部占主导地位的微观结构形态的复杂性的基础上，在不同的应力状态下形成的数千个单独的空隙的统计合奏。为此，我们结合了一个包含损伤形成的校准材料模型，以评估具有不同凹口几何形状的样品中的局部应力状态，并使用基于深度学习的自动显微图像分析对大面积的高分辨率电子显微镜进行检测和分类。这使我们能够获得变形过程中的连续应力状态和单个空隙形成的统计相关数据。我们发现，所施加的塑性应变是对总数的主要影响，因此，新的空隙的成核，而三轴度与中值空隙尺寸，支持其建议的影响空隙增长。相比之下，合并的空洞导致故障出现相关的剪切带形成的形式的局部不稳定性，因此，只有间接确定的全球应力状态，因为它决定了全球的分布，密度和尺寸的空洞。
2020-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen Effect on Plastic Deformation and Fracture in Austenitic Stainless Steel
氢对奥氏体不锈钢断裂行为的影响已在过去进行了研究[1][2]。据报道，断裂起始于夹杂物和增强应变局部化区域的空隙形成[3]。有实验证据支持氢影响材料断裂过程中的空隙成核、生长和聚结的事实[4]。本文研究了氢对奥氏体不锈钢中孔洞生长和合并的影响。通过分析单晶代表体积元（RVE）的应力应变响应，研究了氢对不同应力三轴度下空洞生长和合并的影响。结果表明，应力三轴度越大，屈服所需的等效应力越小。无论材料是否暴露于氢气，这种响应都是相似的。较低的等效应变值屈服经历了较高的应力三轴度的氢自由和氢化的样品。氢在高应力三轴度下减缓了空隙的生长，但在低应力三轴度下促进了空隙的生长。对于较低的三轴度，氢的存在下，发现最初抑制空隙生长在低等效应变值。然而，这种效果逆转在较高的等效应变值和氢被发现，以促进空隙生长。氢促进或抑制空隙生长的效果已经显示出随着氢浓度的增加而在幅度上增加。
2019-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Amorphous shear bands in crystalline materials as drivers of plasticity
本文通过实验与原子模拟结合，揭示了晶体材料中非晶剪切带形成的材料性能趋势及其驱动塑性或导致断裂的条件，并提出通过成分调控提高名义脆性材料韧性的策略。
2023-08-07 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modeling of ductile fracture across grain boundaries in polycrystals
本研究针对多晶金属延性断裂的损伤与微裂纹问题，将单晶延性相场断裂框架扩展至多晶，提出耦合损伤的新型微柔性边界条件，验证其能实现硬化阻滑移、断裂生跨晶界微裂纹的效果，可用于模拟孔洞聚合与三维裂纹前沿。
2024-10-31 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Bifurcation of the Kirkendall marker plane and the role of Ni and other impurities on the growth of Kirkendall voids in the Cu Sn system
Kirkendall标记面分叉是最近发现的一种非常特殊的现象，它在一个具有重要技术意义的Cu-Sn系统中被发现。根据估计的扩散系数进行预测;然而，在常规惰性标记物实验后无法检测到。正如本研究所报告的，我们可以根据SEM和TEM中检查的微观结构特征检测这些平面的位置。这加强了物理化学方法的概念，该方法将微观结构演变与组分的扩散速率联系起来，并使人们更好地理解相的生长机制。在Kirkendall标记面的扩散系数的估计表明，Kirkendall空洞的增长的原因是多余的空位，这是由于不平等的扩散速率的组件产生的不消耗。在这项研究中，使用不同纯度的Cu的系统实验表明杂质的存在对空隙的生长的重要性，对于大于0.1wt%的杂质，空隙的生长急剧增加。对于电镀Cu、商业纯Cu和Cu（0.5原子% Ni），空隙的生长急剧增加，表明无机和有机杂质的不利作用。空洞尺寸和数量分布分析表明，随着退火时间的增加，新的空洞的形核以及现有空洞的增长。新发现的Kirkendall标记平面在Cu 3Sn相中的位置表明，空洞在该平面的两侧生长，这在早期开发理论模型时没有考虑。
2018-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Shock responses of nanoporous aluminum by molecular dynamics simulations
采用非平衡分子动力学模拟对纳米多孔铝的冲击响应进行了系统的研究。位错形核位置主要集中在空洞表面赤道附近的低纬区域。我们提出了一个连续波反射理论和一个分解的剪切应力模型来解释位错形核位置的分布。模拟揭示了两种机制的空洞崩溃：塑性机制和内部喷射机制。在相对较弱的冲击下，导致空洞横向坍塌的塑性机制占主导地位;而随着冲击强度的增加，导致空洞真空纵向填充的内部喷射机制起着更重要的作用。此外，异常热力学现象（即，温度随压力下降而升高）。这一现象与传统的朗肯-雨果尼奥理论不相容，可以用空穴坍缩的非平衡过程来解释。研究了空泡塌陷对纳米铝层裂断裂的影响。在相同加载速度下，np-Al的层裂强度低于单晶Al，但层裂阻力高于单晶Al，这是由于冲击波在np-Al中传播时热耗散和应力衰减的综合影响所致。
2016-10-13 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Intrinsic Ductility from Shear Amorphization: From Pure Metals to Multi-Principal-Element Alloys
Center for Computing Research, Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室计算研究中心）；Ames National Laboratory（艾姆斯国家实验室）；Iowa State University（爱荷华州立大学）；The Scientific Review（科学评论）
提出基于剪切非晶化激活能密度的本征延展性预测框架，统一解释纯金属和固溶体合金的延性行为，并通过Nb-Ta-V-Ti体系验证其快速设计多主元合金的实用性。
2026-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Lattice matched heterogeneous nucleation eliminate defective buried interface in halide perovskites
本研究通过分子动力学模拟发现，钙钛矿在常用氧化物界面异质外延结晶会产生掩埋界面缺陷，而晶格匹配界面可实现其外延有序生长、避免缺陷，为制备高效稳定的钙钛矿器件提供指导。
2024-05-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Crack trajectories in materials containing voids via phase-field modelling
材料中的裂纹扩展受到非均匀性的强烈影响，非均匀性使裂纹轨迹偏离直线并严重影响失效。增加裂纹弯曲度与断裂韧性的增强有关，而通常裂纹甚至可以在撞击空隙时停止，这释放了应力集中。因此，裂纹轨迹的确定在材料和机械零件的失效设计中是重要的。最近开发的相场法（AT1和AT2模型），基于变分方法的损伤定位，被认为是特别适合于描述复杂的裂纹轨迹。这一信念是通过比较PMMA板，这已被设计在一个新的方式，突出的缺口和圆孔断裂传播的影响，模拟和光弹性实验检查。后者示出从缺口开始，并强烈吸引空隙。当一个空洞被击中，断裂被阻止，除非空洞包含一个缺口在其内部表面，从一个新的裂纹成核和传播。不同的力学模型进行了测试，其中裂缝开始和增长（i.）在模式I紧凑张力下，（ii.）四点弯曲和（iii.）在压缩含有圆孔的样品时间接产生的拉伸应力。实验表明，断裂扩展可以设计成在不同的曲折路径中发展，包括多次停止和二次成核。与一个特设的实施版本的AT 1和AT 2相场方法（配备频谱分解，其中裂纹被模拟为一个高度局部化的区域的损伤积累）进行的模拟显示与实验密切一致，因此确认该方法的有效性和其潜力的机械设计。
2022-07-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Amorphous alloys surpass E/10 strength limit at extreme strain rates
理论预测的理想强度的材料范围从E/30到E/10（E是杨氏模量）。然而，尽管在过去的十年里人们对金属的理想强度有着强烈的兴趣，但金属在实验中可以达到的理想强度的值仍然是一个谜（1-5）。在这项研究中，我们证明了前所未有的强度的非晶Cu-Zr合金，超过了E/10的限制。对Cu 50 Zr 50合金进行了激光冲击实验，研究了其在1000应变率下的强度和失效机制。在应变速率大于10^7 s^-1时，该材料的层裂强度高达9.8 GPa，约为其P波模量（~ E/6）的1/13，创下了金属材料弹性限度的新纪录。电子显微镜和大规模的分子动力学模拟显示，空洞的成核和生长，而不是剪切带，构成了金属玻璃在极快的应变速率的主要失效机制。提出了一个新的孔隙形成模型，该模型受表面能控制，解释了材料强度的速率依赖性。这项研究的结果揭示了在苛刻的机械条件下，在未来的应用中使用纳米结构金属中的非晶相的新的可能方法。
2022-07-20 cond-mat.mtrl-sci
A quantitative phase-field model for void evolution in defect supersaturated environments: a novel introduction of defect reaction asymmetry
针对辐照晶体中空洞演化缺乏定量相场模型的问题，本文基于 KKS 形式体系构建热力学一致模型，引入空位与自间隙原子对应的双迁移率及不对称反应，并通过锐界面渐近匹配确定参数。
2024-05-21 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Phase-field modelling of failure in ceramics with multiscale porosity
本文通过计算机生成人工样品并结合相场有限元模拟，揭示小孔隙促进损伤形核与微裂纹桥接、大孔隙驱动宏观断裂传播的机制，为碳化物或陶瓷泡沫等脆性材料的多尺度孔隙仿生设计提供了新范式。
2023-05-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nonlocal Machine Learning of Micro-Structural Defect Evolutions in Crystalline Materials
在制造过程中出现的缺陷的存在和演变在工程材料的失效机制中起着至关重要的作用。特别是，位错动力学的集体行为在介观尺度导致雪崩，应变爆发，间歇性的能量尖峰，和非局部的相互作用，产生异常的功能在不同的时间和长度尺度，直接影响塑性，空隙和裂纹成核。离散位错动力学（DDD）模拟通常用于细观层次，但随着模拟时间的增加，成本和复杂性急剧增加。为了进一步了解如何传播到连续的异常功能，我们开发了一个概率模型，从DDD模拟获得的位置统计构造的位错运动。我们通过位错运动的概率密度函数得到了离散位错动力学的连续极限，并提出了一个非局域输运模型。我们开发了一个机器学习框架来学习具有幂律内核的非局部算子的参数，将DDD的异常性质与连续统中相应的非局部算子的起源联系起来，促进位错动力学集成到多尺度，长时间的材料失效模拟中。
2022-05-11 cond-mat.mtrl-sci
A heteroencoder architecture for prediction of failure locations in porous metals using variational inference
Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）；University of Michigan（密歇根大学）
在这项工作中，我们采用了编码器-解码器卷积神经网络预测多孔金属拉伸试样的故障位置的基础上，只有他们的初始孔隙率。我们的模型的过程是复杂的，从最初的空隙成核，饱和，并最终失败的进展。预测失效位置的目的是提出一个极端的情况下，类不平衡，因为大多数的材料在标本不失败。为了应对这一挑战，我们开发并证明了基于数据和损失的正则化方法的有效性。由于有相当大的敏感性的故障位置的特定配置的空隙，我们还使用变分推理提供的神经网络预测的不确定性。我们在理论层面上连接了确定性和贝叶斯卷积神经网络，以解释变分推理如何使训练和预测规则化。我们证明，由此产生的预测方差是有效的排名的位置，最有可能在任何给定的标本失败。
2022-01-31 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.app-ph
Multi-scale modeling of high strain rate deformation and spall fracture in poly-crystalline metals
Bhabha Atomic Research Centre（巴哈原子研究中心）；Andhra University（安得拉大学）
本研究采用多尺度方法，结合分子动力学与流体动力学计算，建立含晶界特性的多晶金属层裂模型，经Al飞片撞击实验验证，层裂强度与厚度偏差均控制在较小范围内，可准确预测金属高应变率层裂行为。
2026-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Implementation of kinetics of phase transitions into hydrocode for simulation of laser ablation
我们模拟了飞秒激光脉冲（800 nm，100 fs，1-100 TW/cm $^2$）与金属靶（Al，Au，Cu，Ni）的相互作用。激光诱导相变，熔化波传播和材料分解进行了详细的分析，使用一个完全的双温状态方程的稳定和亚稳相。材料蒸发从表面的目标和快速熔化波传播到散装观察。在稀薄时，液相变为亚稳态，并使用均匀成核理论估计其寿命。由于空隙生长和汇合，在高应变速率下靶材料的机械破碎也是可能的。在我们的模拟中，观察到几种烧蚀机制，但材料的主要输出被发现来自亚稳态的液体状态。它可以在临界点附近分解成液-气混合物，也可以在高应变率和负压下分解成液滴。仿真结果与实验结果相吻合。
2014-11-09 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
