Critical Analysis of an FeP Empirical Potential Employed to Study Fracture of Metallic Glasses
一个经验势，已被广泛用于执行分子动力学研究FeP金属玻璃的断裂行为被证明表现出通常研究的组成范围内的调幅分解。磷偏析导致韧性向脆性转变。在脆性断裂过程中，原子级尖锐的裂纹尖端沿高磷浓度的扩展路径扩展。观察到这种脆化发生在很宽的化学成分范围内，韧性线性下降的程度在整个制度的研究组成偏析。通常，可以在低淬火速率下淬火的稳定的玻璃形成合金在接近或高于其玻璃化转变温度时不会表现出这种热稳定性不稳定的行为。因此，在这些模拟中表现出的微观结构不太可能反映他们试图阐明的玻璃态合金的实际微观结构或断裂行为。
2018-09-21 cond-mat.mtrl-sci
Control of Mechanical and Fracture Properties in Two-phase Materials Reinforced by Continuous, Irregular Networks
本研究通过随机算法设计不规则聚合物增强网络，独立控制微观结构拓扑与几何，从而在局部和全局尺度调控两相复合材料的力学与断裂性能，并实现裂纹空间扩展的预先设计。
2023-09-05 cond-mat.mtrl-sci
The chemistry of embrittlement: How hydrogen dwindles cohesion in iron during fracture
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)（先进系统理解中心）；Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）
本研究探讨氢在铁断裂时削弱内聚力的化学机制，揭示静电排斥是导致钢脆化的核心因素。
2026-09-15 cond-mat.mtrl-sci
Fracture initiation in multi-phase materials: a statistical characterization of microstructural damage sites
了解微观结构对多相材料失效机制的影响需要确定最坏的情况。这需要一种统计方法。通过直接基于显微照片进行模拟，这种方法变得可行。这里应用该方法提取损伤部位周围的平均微观结构。
2016-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Effect of the porosity on the fracture surface roughness of sintered materials: From anisotropic to isotropic self-affine scaling
为了揭示微观结构如何影响断裂表面粗糙度在非均匀脆性固体，如岩石或陶瓷，我们的特点是死后断裂表面的粗糙度统计在自制的材料的可调微观结构的长度尺度和孔隙度，通过烧结单分散聚苯乙烯珠。除了无序的特征尺寸，粗糙度分布被发现表现出自仿射缩放功能随孔隙度的变化。从零值开始，并增加孔隙度，我们定量地修改自仿射缩放属性从各向异性（在低孔隙度）各向同性（孔隙度大于10%）。
2015-01-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Path differences between quasistatic and fatigue cracks in anisotropic media
该研究针对各向异性介质中裂纹扩展路径问题，通过实验与计算发现循环载荷下疲劳裂纹路径主要由载荷对称性决定，微结构影响可忽略，与受断裂能各向异性主导的准静态裂纹路径存在显著差异。
2024-04-12 cond-mat.mtrl-sci
Tailored heat treatments to characterise the fracture resistance of critical weld regions in hydrogen transmission pipelines
本研究提出定制化热处理方案复现输氢管道焊接热影响区的多种微观结构，实验证实该区域在高压氢环境下断裂抗力低、氢脆敏感性高，为输氢管道结构完整性评估提供了关键依据。
2025-10-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Phase field fracture predictions of microscopic bridging behaviour of composite materials
研究了微观结构桥接对复合材料断裂韧性的影响。为了实现这一目标，提出了一个新的计算框架，集成相场断裂和内聚区模型来模拟纤维断裂，基体开裂和纤维基体脱粘。复合材料的微观结构是由一个嵌入式单元在裂纹尖端附近，而其余的样品被建模为各向异性弹性固体。该模型首先验证单缺口三点弯曲试验的横向基体开裂的实验数据。然后，该模型被扩展到预测晶粒桥接，砖和砂浆微观结构和三维纤维桥接的裂纹扩展阻力的影响。结果表明，这些微结构是非常有效的，通过提高纤维基体脱粘，纤维断裂和裂纹偏转断裂韧性。特别是，3D纤维桥接效应可以增加超过三个数量级，相对于散装矩阵的故障时耗散的能量，远远超过从混合物的规则获得的预测。这些结果揭示了微观桥接机制，并提供了一个虚拟的工具，开发高断裂韧性复合材料。
2022-01-09 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Trichome entanglement enhances damage tolerance in microstructured biocomposites
利用螺旋藻纤毛缠结机制，通过微结构设计提升生物复合材料的耐损伤性能。
2026-01-14 cond-mat.mtrl-sci
Combined effect of SiC and carbon on sintering kinetics, microstructure and mechanical properties of fine-grained binderless tungsten carbide
本研究通过SPS和CPS烧结，探究SiC和碳对无粘结剂WC陶瓷的联合影响，发现添加1% SiC和0.3% C可优化微观结构并提升力学性能，且烧结活化能揭示扩散机制。
2023-12-27 cond-mat.mtrl-sci
Columnar grain boundaries are the weakest link in hard coatings: Insights from micro-cantilever testing with bridge notches
该研究通过桥缺口微悬臂梁测试证明柱状晶界显著降低硬质涂层断裂韧性，并指出未来优化应聚焦晶界增韧。
2024-11-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ductility and Brittle Fracture of Tungsten by Disconnection Pile-up on Twin Boundaries
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；University of California Irvine（加州大学尔湾分校）；University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Lehigh University（理海大学）；Northwestern University（西北大学）
研究单晶钨柱在初始缺陷微结构、变形条件和温度下的延性与断裂行为，揭示位错耗竭、孪晶生成及孪晶界钉扎导致裂纹萌生与扩展的微观机制。
2026-03-19 cond-mat.mtrl-sci
Nanofibril-mediated Fracture Resistance of Bone
天然硬质复合材料（如人骨）具有超过其成分和许多工程复合材料的强度和韧性。这种增强归因于它们复杂的层次结构，跨越多个长度尺度;在骨中，特征尺寸范围从纳米级原纤维到微米级骨片到中尺度骨单位和宏观尺度器官。已经研究了骨的机械性能，理解到与整个组织相比，微米和纳米尺度的孤立微结构产生了更好的强度，并且组织相对于其纳米级成分具有放大的韧性。由于在小尺寸样品上进行断裂实验的挑战，在允许隔离显著微观结构特征的样品尺寸下，骨的纳米级增韧机制尚未得到充分理解。我们开发了一种原位三点弯曲实验方法，该方法可以探测硬质材料的微米级试样的特定部位断裂行为。利用这一点，我们量化裂纹萌生和增长韧性的人骨小梁尖锐的疲劳预裂纹和钝缺口。我们的研究结果表明，具有疲劳裂纹的骨的韧性是具有钝性裂纹的骨的两倍。原位数据相关的电子显微镜视频显示，这种行为是由纳米纤维结构的裂纹桥接。结果表明，纤维桥接（~1 $μ$ m）和裂纹偏转/扭转（~500 $μ$ m）之间的过渡作为长度尺度的函数，并定量地证明了复杂材料中的层次诱导增韧。这种通用的方法能够量化各种复杂材料系统中韧性和微观结构之间的关系，并为设计仿生复合材料提供直接的见解。
2020-08-23 cond-mat.mtrl-sci
Phase field predictions of microscopic fracture and R-curve behaviour of fibre-reinforced composites
我们提出了一个计算框架，探讨纤维增强聚合物复合材料的断裂韧性的微观结构和组成性质的影响。为了捕捉微观基体开裂和纤维基体脱粘，框架耦合相场断裂方法和凝聚区模型的有限元方法的上下文中。进行了虚拟单缺口三点弯曲试验。复合材料的实际微观结构由断裂过程区中的嵌入单元模拟，而其余区域均质化为各向异性弹性固体。预测结果与实验观测的详细比较表明，它是可以准确地捕捉到的裂纹路径，界面脱粘和载荷与位移响应。确定了裂纹扩展阻力曲线（R曲线）对基体断裂韧性和纤维-基体界面性能的敏感性。孔隙率对纤维增强复合材料的R-曲线的影响也进行了探讨，揭示了一个稳定的响应与空隙体积分数的增加。这些结果揭示了微观断裂机制，并为高断裂韧性复合材料的有效设计奠定了基础。
2020-11-02 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Microstructure Design of Low-Melting-Point Alloy (LMPA)/ Polymer Composites for Dynamic Dry Adhesion Tuning in Soft Gripping
可调干粘附是柔顺操作的关键机制。夹持力主要来源于粘合剂复合材料和待夹持物体之间的范德华力，可以通过可逆地改变物理性质（例如，通过外部刺激改变复合材料的刚度）。最大夹持力Fmax及其可调性取决于夹持界面上的应力分布及其断裂动力学（在分离期间）等因素，而这些因素又由复合材料的微观结构决定。在这里，我们提出了一个计算框架的建模和设计的一类二元智能复合材料包含一个多孔的低熔点合金（LMPA）相和聚合物相，以实现理想的动态可调干粘附。特别是，我们采用空间关联函数来量化，建模和表示复杂的双连续的复合材料的微观结构，从现实的虚拟三维复合材料微观结构可以使用随机优化产生广泛的频谱。一个最近开发的体积补偿格子粒子（VCLP）方法，然后模拟动态界面断裂过程计算Fmax为不同的复合材料微观结构。我们专注于界面缺陷调谐（IDT）机制的复合材料，其中的热膨胀的LMPA相，由于焦耳加热的粘附界面上的小裂纹，随后导致脱离的夹具从对象由于界面断裂启用干粘附调谐。我们发现，在这里研究的最佳微观结构中，可以实现在LMPA相的热膨胀之前和之后的Fmax的10倍动态调谐。计算结果可为LMPA-聚合物复合材料的实验制备提供有价值的指导。
2020-02-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Computational modelling of hydrogen assisted fracture in polycrystalline materials
我们提出了一个相场和凝聚区相结合的氢脆配方，解决了金属的多晶微观结构。与以前的研究不同，我们的变形-扩散-断裂建模框架考虑了氢-微观结构的相互作用，并明确捕获了体（穿晶）断裂和晶间断裂之间的相互作用，后者通过晶界脱粘等机制由氢促进。我们展示了潜在的理论和计算公式，通过模拟晶间和穿晶开裂在相关的案例研究。首先，进行验证计算，以显示该框架如何预测预期的定性趋势。其次，该模型被用来模拟最近的实验纯镍和镍铜高温合金，吸引了特别的兴趣。我们表明，该模型是能够提供一个很好的定量协议与测试数据，并产生一个机械的基本原理的实验观察。
2022-07-15 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Fracture Diodes: Directional asymmetry of fracture toughness
韧性描述了材料抵抗断裂或裂纹扩展的能力。这里证明了材料的断裂韧性可以是不对称的，即，介质对从右向左传播的裂纹的阻力可以显著不同于对从左向右传播的裂纹的阻力。这种不对称性在天然材料中是未知的，但我们表明，它可以通过适当的控制微观结构构建到人造材料中。这为控制裂纹路径和方向铺平了道路，在不可避免的情况下，可以通过预先设计的路径引导断裂，以最大限度地减少关键部件的损失。
2021-10-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Disorder Enhances the Fracture Toughness of Mechanical Metamaterials
该研究发现力学超材料中合理引入无序可实现分布式损伤，在强度损失极小的情况下提升断裂韧性，建立了无需裂纹路径信息的无序-韧性力学模型，验证表明最优无序下韧性可达等密度有序晶格的2.6倍以上。
2024-07-09 cond-mat.mtrl-sci
Nucleation of fracture: The first-octant evidence against classical variational phase-field models
本文通过第一卦限内拉伸主导问题中的简单公式与显式结果，论证经典变分相场模型无法预测弹性脆性材料的断裂成核。
2024-11-20 cond-mat.mtrl-sci
On fracture criteria for dynamic crack propagation in elastic materials with couple stresses
本文的重点是研究具有微结构的弹性材料中动态裂纹扩展的断裂准则。研究了加载在裂纹表面的Ⅲ型半无限裂纹的稳态扩展问题。材料的微极行为由Koiter发展的偶应力弹性理论描述。该本构模型包括弯曲和扭转的特征长度，因此它能够解释材料的底层微观结构。在平衡方程中同时考虑了平动和微转动惯性项，并通过渐近分析研究了裂纹尖端附近解的行为。利用渐近场计算偶应力材料的动态J积分，并由相应的守恒定律导出能量释放率。根据基于能量的格里菲斯准则的传播稳定性进行了研究，并将所得结果与应用最大总剪应力准则得到的结果进行了比较。
2013-09-10 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
High temperature mechanical properties and microstructure of hard TaSiN coatings
采用纳米压痕法测量了反应磁控溅射TaSiN涂层的室温和高温力学性能（25 ~ 500 ℃）。断裂韧性也进行了评估，在类似的温度范围内使用微柱分裂方法。通过X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）分析，研究了氮浓度对TaSiN涂层高温试验前后相组成和显微结构的影响。XRD谱显示六方$γ$ -Ta 2N为主相的宽峰，较高的N含量出现立方$δ$ -TaN相。相组成在500 ℃测试前后保持不变。然而，在高温测试之后，TEM分析显示存在氧化物表面层，其厚度随着N含量降低（从42至15 nm），这是由于残余氧扩散，其取代氮以形成非晶SiOx。在富氧化物的表面层之下，涂层表现出稳定的纳米晶柱状微观结构。硬度和断裂韧性随着N含量的增加而增加，最初是由于在晶界处形成无定形Si-N组织，并且对于甚至更高的N含量，是由于硬立方$δ$ -TaN相的出现。在500 ℃下的硬度仅下降了15%，而断裂韧性遵循相反的趋势，由于随温度的塑性增加。最佳成分为Ta_（55）Si_（10）N_（35），在500 ℃时硬度仍保持在30 GPa左右，硬度最高。这些观测结果使得该系统对于高温应用非常有趣。
2020-07-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A new Surrogate Microstructure Generator for Porous Materials with Applications to the Buffer Layer of TRISO Nuclear Fuel Particles
Laboratoire de Mécanique des Solides, Ecole Polytechnique, CNRS, Institut Polytechnique de Paris（固体力学实验室，巴黎综合理工学院，法国国家科学研究中心，巴黎理工学院）；Safran Tech（赛峰技术）；Department of Mathematics,Technical University of Munich（慕尼黑工业大学数学系）
本文提出了一种新型替代微结构生成器，用于生成多孔材料的微结构样本，并应用于TRISO核燃料颗粒缓冲层的模拟。
2025-06-18 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure and Failure Characteristics of Nanostructured Molybdenum Copper Composites
液态金属渗透的Cu 30 Mo 70（重量百分比）使用高压扭转经受剧烈的塑性形变。最初的等轴双相组织逐渐转变为由单独的Cu和Mo层组成的层状组织。薄片的厚度在微米和纳米范围之间变化，这取决于施加的应变的量。与微观结构特征的细化一致，强度和硬度显著增加。此外，在中间变形范围内发现可接受的延展性。通过测量不同裂纹扩展方向的断裂韧性，对所生产的复合材料的损伤容限进行评估。结果表明，一个显着的各向异性的发展与变形程度的增加，这是一个效果的并发对齐的纳米结构的层状复合材料的剪切平面。
2020-09-04 cond-mat.mtrl-sci
A hybrid multi-phase field model to describe cohesive failure in orthotropic materials, assessed by modeling failure mechanisms in wood
断裂力学对于许多工程领域都是至关重要的，因为精确预测结构和零件的失效是高效设计的必要条件。从力学和数值的角度来看，失效过程的模拟是具有挑战性的，特别是对于非均匀材料，其中微观结构影响裂纹的萌生和扩展，并导致复杂的裂纹图案。相场断裂方法是一种很有前途的方法，遇到这样的材料，因为它能够描述复杂的断裂现象，如裂纹扭结，分支和合并。此外，这是一个很大程度上网格独立的方法，考虑到网格是均匀的裂纹周围。然而，广泛使用的相场法的公式仅限于各向同性材料，并且不考虑通过材料的微观结构限定的优选断裂面。在这项工作中，该方法扩展到考虑正交各向异性本构行为和裂纹扩展的优选方向。我们表明，通过使用基于应力的分裂和多相场变量与优选的断裂面，结合混合相场方法，可以找到一个通用的框架来模拟各向异性，非均匀材料。基于应力的分裂是基于虚拟裂纹面，并在这里，扩展到各向异性材料。此外，使用一种新的混合方法，其中的声音材料的退化进行基于光滑的牵引自由裂纹边界条件，这被证明是恢复观察到的裂纹图案的主要驱动因素。这是通过两个例子的详细分析：一个木单边缘缺口板和一个木板与单一的节点和复杂的纤维方向。在这两种情况下，所提出的新的混合相场方法可以逼真地再现复杂的故障模式。
2022-03-23 cond-mat.mtrl-sci
Modulated Martensite: Why it forms and why it deforms easily
无扩散相变是（磁性）记忆合金、铁电体和多铁性材料的多功能性的核心。在低对称调制马氏体相中获得了外场下的巨应变效应。我们概述了调制相的起源，它们与四元马氏体的连接和后果，其功能特性通过分析从原子到宏观尺度的外延Ni-Mn-Ga薄膜的马氏体显微结构。马氏体-马氏体相界的几何约束作用到原子尺度。因此，可以形成纳米孪晶四元马氏体的马氏体显微结构。孪晶变体的粗化可以降低孪晶边界能量，这是一个我们可以从原子到毫米尺度跟踪的过程。粗化是一个分形过程，通过加倍孪晶周期以离散的步骤进行。集体缺陷能量导致显著的滞后，这允许在室温下保留调制马氏体作为亚稳相。在这种亚稳态下，弹性能通过形成“双胞胎中的双胞胎”微观结构而释放，这种微观结构可以从纳米到毫米尺度观察到。这种分级孪晶导致扩散的介观孪晶边界，与常见的四方马氏体的原子级尖锐孪晶边界形成对比。我们认为，观察到非常高的流动性，这种介观孪晶界源于其扩散性质，使钉扎原子点缺陷无效。
2011-04-19 cond-mat.mtrl-sci
Toughening elastomers via microstructured thermoplastic fibers with sacrificial bonds and hidden lengths
具有大的非弹性变形能力的软材料在具有刚度、强度和韧性的高性能建筑材料中起着至关重要的作用。在这些结构化材料中由玻璃或陶瓷制成的刚性“构建块”缺乏非弹性变形能力，因此依赖于将这些构建块结合在一起以实现大变形和高韧性的软界面材料。在这里，我们证明了实现大的非弹性变形和高能量耗散的软材料的概念，通过嵌入微结构的热塑性纤维与牺牲债券和隐藏的长度在一个广泛使用的弹性体。微结构纤维是通过利用商业3D打印机上熔融聚碳酸酯（PC）线的流体机械不稳定性制造的。聚二甲基硅氧烷（PDMS）树脂渗透在纤维周围，固化后形成柔软的复合材料。通过断裂试验分析了复合材料的破坏机理和损伤容限。高的能量耗散被发现与牺牲键和弹性体基体的多个断裂事件有关。与纯弹性体相比，在弹性体复合材料中组合微结构化纤维和直纤维导致刚度增加约17倍，总失效能量增加约7倍。将牺牲键和隐藏长度增韧机制应用于软材料的微观研究结果将有助于开发具有高力学性能的新型仿生层合复合材料。
2021-02-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Effective toughness estimation by FFT based phase field fracture: application to composites and polycrystals
提出基于FFT均匀化求解器中Phase Field Fracture模型估计异质材料有效断裂韧性的方法，通过恒定能量耗散率控制RVE变形，发现弹性响应和断裂能量异质性及裂纹路径偏转是增韧关键机制。
2025-08-10 cond-mat.mtrl-sci
Enhanced fault-tolerance in biomimetic hierarchical materials -- a simulation study
层次显微结构经常被用来解释生物材料如骨和珍珠层的高弹性和断裂韧性。受这些结构安排启发的仿生材料模型面临着在实验和模拟中捕捉其固有的多尺度复杂性的明显挑战。为了研究断裂行为的层次微观结构模式的影响，我们提出了一个大规模的三维层次梁单元模拟框架，在那里我们概括的本构行为的Aluminshenko梁弹性和最大畸变能理论的故障标准的复杂情况下，约500万个元素的层次网络。我们进行了统计研究的应力-应变关系和断裂表面形态，并得出结论，分层系统能够阻止裂纹扩展，一种能力，降低其敏感性预先存在的损坏，并提高其容错性相比，参考通用纤维材料。
2022-07-27 cond-mat.mtrl-sci
Failure mechanisms of single-crystal silicon electrodes in lithium-ion batteries
长期耐久性是限制锂离子电池（LIB）在重型应用和其他需要延长寿命的应用中广泛使用的主要障碍。作为电池性能退化和失效的根本原因之一，电极失效机制仍然未知。在这里，我们揭示了单晶硅电极在延长锂化/脱锂循环的基本断裂机制，使用电化学测试，微观结构表征，断裂力学和有限元分析。各向异性的锂侵入导致垂直于电极表面的裂纹萌生，随后通过电极厚度生长。锂化/未锂化硅界面的低断裂能为裂纹偏转提供了弱的微观结构路径，解释了重复循环后观察到的裂纹图案和分层。基于这种物理理解，我们展示了电解质添加剂如何修复电极裂纹，并从表面化学，电化学和材料科学的角度提供了增强未来LIB抗断裂性的策略。
2016-06-18 cond-mat.mtrl-sci
A crack-length control technique for phase field fracture in FFT homogenization
本文提出一种用于微观力学相场断裂模拟的裂纹长度控制方法，通过施加裂纹长度单调递增并采用整体式实现，解决了不稳定扩展阶段的收敛与跳跃问题，并在FFT和有限元求解器中验证了其等价性与有效性。
2024-12-23 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
An intermediately-homogenized peridynamics approach to failure of microstructually disordered materials
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg（弗里德里希·亚历山大埃尔朗根-纽伦堡大学）
本文提出了一种介观尺度的peridynamics方法，用于分析微结构无序材料的失效过程，通过随机顺序参数场描述材料属性的局部异质性和空间相关性。
2025-12-17 cond-mat.mtrl-sci
Modeling of internal mechanical failure of all-solid-state batteries during electrochemical cycling, and implications for battery design
这是首次对全固态电池的机械可靠性进行定量分析。固体电解质（SE）的机械降解是由电极颗粒在致密微观结构的约束下的嵌入诱导膨胀引起的。一个耦合的电化学机械模型，实现量化的材料性能，导致SE断裂。微观结构细节的处理对于理解应力局部化现象和断裂是必不可少的。采用内聚区模型模拟损伤演化过程。在数值试验中，只有当电极颗粒的膨胀率小于7.5%，固体电解质的断裂能大于$G_c = 4$ J m $^{-2}$时，才能防止断裂。也许与直觉相反，分析表明顺应性固体电解质（具有E $_{SE} = 15$ GPa量级的杨氏模量）更容易产生微裂纹。这一结果，捕捉到我们的非线性运动学模型，矛盾的推测，硫化物SE比氧化物SE更适合于设计的散装型电池。机械退化与电池功率密度有关。固体锂离子导体中的断裂代表了锂传输的障碍，并加速了速率性能的衰减。
2017-03-15 cond-mat.mtrl-sci
Why is nacre strong? II: remaining mechanical weakness for cracks propagating along the sheets
在我们以前的论文（Eur。Phys.J.E4，121（2001）），我们提出了用于珍珠层或硬层和软层的分层结构的粗粒弹性能。然后，我们分析了垂直于层的裂纹，并提出了这种物质韧性增强的一个可能原因。在本文中，我们考虑一个平行于层的裂纹。我们提出了一个新的术语添加到以前的弹性能量，这是与层的弯曲。我们发现，有两个制度的平行断裂解决方案的弹性能量;附近的断裂尖端的变形场是由一个抛物型微分方程，而远离尖端的字段遵循通常的椭圆方程。分析结果表明，断裂尖端是透镜状的，正如一篇关于近晶相液晶的论文（P.G. de Gennes，Europhys. Lett. 13（8），709（1990））。相反，远离尖端，应力和变形分布恢复通常的奇异行为（分别为sqrt（x）和1/sqrt（x），其中x是到尖端的距离）。这表明在平行断裂的情况下韧性没有增强。
2002-03-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Double-tough ceramics: Optimization-supported multiscale computational design
本研究提出多尺度计算方法，将相变增韧与砖-泥结构结合于全陶瓷复合材料，并通过无梯度优化确定最优几何与材料参数，显著提升断裂性能。
2025-01-22 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
Matrix-free phase-field modeling of fracture in micromechanical testing simulations of inelastic materials
University of Colorado at Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
研究非弹性材料微观力学测试模拟中裂缝的无矩阵相场建模，通过在开源库中实现特定本构框架，引入流变断裂单元，利用GPU进行高阶有限元计算，对合成微观结构模拟，再现了非弹性响应和裂纹扩展模式。
2026-10-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Tuning load redistribution and damage near heterogeneous interfaces
本文研究了异质基底上架构化薄膜的界面失效机制，发现分级微结构能在不牺牲峰值应力和失效比功的前提下，通过弹性相互作用核的淬灭局部各向异性将损伤限制在预设表面并阻止裂纹扩展。
2024-05-29 cond-mat.mtrl-sci
Cyclic-loading microstructure-property relations from a mesoscale perspective: An example of single crystal Nickel-based superalloys
以往的循环应力-应变响应模型主要依赖于宏观方程，这些方程间接地考虑了微观组织的演化，或者干脆忽略了微观组织的信息。而现代材料科学则致力于定量描述材料的微观结构与载荷响应之间的关系。在目前的工作中，我们展示了一个有前途的介观尺度相场框架，它可以描述相/晶粒和缺陷微观结构的共同演变，揭示微观结构机制，同时预测变形性能作为微观结构相互作用的自然结果。相/晶粒和缺陷的微结构的能量泛函构造，其次是功能的变化，导致控制方程。将该框架应用于单晶镍基高温合金的高温循环加载，模拟结果表明，该框架能够较好地揭示循环加载-组织-性能的关系。在短期内（在一个循环中），位错来回移动，导致与实验中观察到的特征一致的循环回路。塑性应变比总应变小一个数量级，这就解释了为什么循环回路非常“薄”。从长远来看，所有$γγ'$微观结构表现出定向粗化类似于蠕变下的零循环加载比，筏化的程度轻微依赖于循环波形，周期等的塑性应变是敏感的循环加载条件下的曲线形状和幅度。
2018-08-30 cond-mat.mtrl-sci
Cracking Down on Fracture to Functionalise Damage
提出麦克斯韦晶格中拓扑与损伤传播的新关系，利用拓扑保护模式局域化控制应力与损伤，经数值模拟和实验验证，为设计高断裂能材料提供框架。
2025-03-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.soft
Why Grain Growth is Not Curvature Flow
本文通过大规模模拟证明，晶粒生长偏离经典曲率流描述，主要源于晶界运动固有的剪切耦合效应，并展示了纳入力学效应对准确预测微观结构演化的必要性。
2025-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Combined numerical and experimental estimation of the fracture toughness and failure analysis of single lap shear test for dissimilar welds
单搭接剪切试验被广泛用于测量异种焊缝的强度，即使这样的试验带来的固有焊缝韧性的了解有限。本研究提出了一种数值有限元（FE）分析和实验表征不同的接头呈现不同的微观结构（金属间化合物层（IML）和硬度分布的厚度）。为此目的，使用摩擦熔融连接（FMB）和摩擦搅拌焊接（FSW）来连接铝AA 6061和双相钢（DP 980）。有限元模拟允许计算该缺口尖端附近J积分的演变。结果表明，裂纹萌生主要取决于缺口尖端附近焊接金属合金的塑性和焊接区的宽度，而这两个因素在搅拌摩擦焊和搅拌摩擦焊中有显著的不同。然而，从FMB和FSW的分析中估计，相似的焊缝断裂韧性J_C约为1 kJ·m-2。这比金属间化合物层的断裂韧性高三个数量级，揭示了裂纹尖端周围的Al和钢板中的塑性耗散对焊接韧性有重大影响。
2021-04-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Coupled mass-momenta balance for modeling material failure
裂纹是由分子或原子键的大量断裂造成的。后者反过来又导致材料的高度局部化损失，这就是为什么即使是闭合的裂纹也可以用肉眼看到的原因。因此，断裂可以解释为局部材料下沉。在材料破坏区域局部违反了质量守恒。我们考虑一个理论公式的耦合质量和动量平衡方程的描述骨折。我们的重点是脆性断裂，我们提出了一个有限应变超弹性热力学框架的耦合质量流弹性边值问题。与传统的连续介质损伤理论相比，该框架的吸引力在于没有内部参数（如损伤变量、相场等）。的故障定位的正则化是由物理健全的质量平衡定律提供的。
2016-10-27 cond-mat.mtrl-sci
Strengthening and toughening mechanisms in heterostructured laminates revealed by a phase field-enhanced crystal plasticity simulation
本研究通过相场增强的晶体塑性模拟揭示了异质结构层合材料中强化和增韧机制，为材料设计和优化提供了理论支持。
2025-12-02 cond-mat.mtrl-sci
Improving structural damage tolerance and fracture energy via bamboo-inspired void patterns
本文提出受竹子功能梯度微结构启发的孔洞图案设计，结合有限元、三维打印与冲击实验，证明梯度孔洞可使脆性聚合物结构断裂功提升55倍。
2023-06-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Crack-Net: Prediction of Crack Propagation in Composites
College of Engineering, Peking University（北京大学工学院）；Imperial College London（帝国理工学院）；Eastern Institute for Advanced Study（宁波东方理工大学（暂名） 东方高等研究院）；Peng Cheng Laboratory（鹏城实验室）；University of California, Los Angeles（加利福尼亚大学洛杉矶分校）；Meituan（美团）
本文提出深度学习框架 Crack-Net，融合裂纹演化与应力响应关系，基于相场法数据集训练，可高效预测复合材料裂纹扩展与应力-应变曲线，并结合迁移学习提升泛化能力。
2023-09-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech cs.LG
Microstructure Representation and Reconstruction of Heterogeneous Materials via Deep Belief Network for Computational Material Design
Arizona State University（亚利桑那州立大学）
集成计算材料工程（ICME）旨在通过集成材料科学和设计自动化来加速复杂材料系统的优化设计。对于易处理的ICME，要求（1）识别结构特征空间以允许新设计的重构，以及（2）重构过程保持性质。大多数现有的结构表示方案依赖于设计者对特定材料系统的理解来识别几何和统计特征，这可能是有偏见的，并且不足以重建复杂材料系统的物理上有意义的微观结构。在本文中，我们开发了一种基于卷积深度信念网络的特征学习机制，以自动实现微结构及其低维特征表示之间的双向转换，并从微结构空间实现1000倍的降维。所提出的模型被应用到一个广泛的频谱的非均匀材料系统具有不同的微观结构特征，包括Ti-6Al-4V合金，Pb 63-Sn 37合金，枫丹白露砂岩，球形胶体，产生材料重建，是接近原始样品的2点关联函数和平均临界断裂强度。现有的合成方法依赖于材料微观结构的马尔可夫假设，无法实现这种能力。
2017-04-28 cond-mat.mtrl-sci cs.LG stat.ML
A Meshfree Peridynamic Model for Brittle Fracture in Randomly Heterogeneous Materials
在这项工作中，我们的目标是开发一个统一的数学框架和一个可靠的计算方法来模拟非均匀材料的脆性断裂与材料微观结构的变化，并提供感兴趣的数量，如断裂韧性的统计指标。为了描述材料的响应，自然地描述成核和裂缝的生长，我们考虑的周波模型。特别是，一个随机状态为基础的周期性模型的开发，其中的微观力学参数建模的有限维随机向量，或随机变量的组合截断的Karhunen-Loève分解或主成分分析（PCA）。为了解决这一随机周期性问题，采用概率配置法（PCM）对表征细观力学参数的随机场进行采样。对于每个样本，确定性的周期性问题离散与优化为基础的无网格求积规则。我们提出了严格的分析所提出的计划，并证明其收敛性的一些基准问题，表明它维持空间上的渐近相容性，并实现了代数或次指数收敛率在随机空间中的配置点的数量的增长。最后，为了验证这种方法在现实世界中的断裂问题的适用性，我们考虑在玻璃陶瓷材料，其中在微观结构尺度上的材料包含非晶玻璃和结晶相的结晶钢化的问题。采用所提出的随机周波解算器对不同晶体体积分数的微晶玻璃的裂纹萌生和扩展过程进行了数值模拟，并计算了其平均断裂韧性。断裂韧性的数值估计与实验测量结果显示出良好的一致性。
2022-02-14 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Microstructure engineering of metamagnetic Ni-Mn-based Heusler compounds by Fe-doping: A roadmap towards excellent cyclic stability combined with large elastocaloric and magnetocaloric effects
Ni-Mn基变磁性记忆合金对磁场和单轴应力表现出巨大的热响应，可用于单热量或多热量冷却概念，以实现节能和可持续的制冷。然而，在循环操作期间，这些合金由于其高的固有脆性而遭受结构和功能疲劳。在这里，我们提出了基于Fe掺杂的Ni-Mn-In的微结构设计策略，该策略同时提高循环稳定性并保持优异的磁热和弹性热性能。我们的研究结果表明，沉淀的强烈富铁和贫铟相干二次γ相在晶界上，可以确保良好的机械稳定性，通过阻碍在循环加载过程中的晶间断裂。以这种方式，在超过16000次循环中实现了-4.5K的大的弹性热效应，而没有结构或功能退化，这对应于与单相Ni-Mn-In-（Fe）相比循环稳定性增加了超过三个数量级。此外，我们证明了单相Ni-Mn-In-（Fe）的大磁热效应可以保留在双相材料中，当二次γ相仅在晶界处形成时，因为Heusler基质内的马氏体相变几乎不受影响。这样，在2 T下，双相Ni-Mn-In-Fe合金的绝热温变为-3K，等温熵变为15 $Jkg^{-1}K^{-1}$。我们期望这一概念可以应用于其他单热量和多热量材料，从而为固态热量冷却应用铺平道路。
2021-11-04 cond-mat.mtrl-sci
A Workflow-Centric Approach to Generating FAIR Data Objects for Computationally Generated Microstructure-Sensitive Mechanical Data
针对材料力学数据稀疏问题，本工作提出一种遵循材料建模工作流、集成元数据与力学数据的新颖数据模式，可持续生成FAIR数据对象并便于搜索算法收集特定数据集。
2024-11-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Ceramic Materials: From Atomic Bonding and Processing to Microstructure, Functional Properties, and Biomedical Applications
Polytechnic University of Puerto Rico（波多黎各理工学院）
本综述围绕陶瓷材料的制备—微观结构—性能—表现关系，考察其特性、生物医用类型、新兴主题，指出脆性断裂等挑战，提出需整合多技术推动未来进展。
2026-10-09 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Microscopic plasticity and damage in two-phase steels: on the competing role of crystallography and phase contrast
本文揭示了金属材料的微观力学方面，其微观结构包括两个或多个阶段的晶粒。局部塑性响应由（i）单个晶粒滑移系的相对取向差和（ii）相的不同机械性能决定。这两种机制在细观尺度上的相对重要性尚不清楚：塑性响应是由晶粒的各向异性主导的，还是这种效应被两相之间的机械对比所压倒？答案影响了这种材料在中尺度上的建模，但也提供了在该长度尺度上产生的断裂机制的见解。到目前为止，这个问题只针对特定的晶体学和机械性能进行了讨论。相比之下，本文系统地研究了这个问题，使用大量的相位分布，晶体学和材料参数。结果发现，宏观和介观（晶粒平均）塑性响应的两个极端的建模选择（晶体塑性或各向同性塑性）收敛与增加的相位差。当硬相的屈服应力比软相高四倍时，晶体学的效果完全被相差压倒。当该比值小于2时，其影响不可忽略。然而，即使在这种情况下，断裂起始也由相的局部布置控制。后者是量化的，在本文中通过平均安排的相周围的断裂起始位点。
2016-12-05 cond-mat.mtrl-sci
A phase field approach for damage propagation in periodic microstructured materials
本文采用一种新的基于有限元的多尺度计算方法研究了周期性复合材料的损伤演化。该方法是通过原始的相场方法的裂缝的均匀化方法相结合的手段。这最后一个应用在宏观尺度上的等效均匀连续，其本构性质得到封闭的形式，通过两个尺度的渐近均匀化计划。该公式允许考虑在微观尺度上对损伤演变的不同假设（例如，基体中的损伤而不是夹杂物/纤维中的损伤），以及微观结构拓扑所起的作用。数值结果表明，该配方导致的表观抗拉强度和峰后分支的无缺口和缺口试样不仅依赖于内部长度尺度的相场方法，作为均匀材料，但也对夹杂物的体积含量和形状。降尺度关系允许在宏观模型的任何点处完全重建微观场，作为简单的后处理操作。
2019-08-08 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Modelling hydrogen induced stress corrosion cracking in austenitic stainless steel
本文建立了一个模拟单晶奥氏体不锈钢变形和氢对应力腐蚀开裂影响的模型。该模型基于晶体塑性理论，将临界分解剪应力与晶体的塑性应变和强度联系起来。我们提出了一个解析表示的氢与材料的微观结构在变形过程中的相互作用，并模拟氢将在断裂前的空洞生长的影响。断裂前晶体机械性能的变化受晶体塑性变形时氢原子和位错系综的相互作用控制，并基于氢增强局部塑性（HELP）机制。通过分析氢对含孔洞材料力学性能的影响，考虑了氢对孔洞生长的影响。所提出的模型已经实现了使用用户材料（UMAT）在有限元软件（ABAQUS）的子程序的数值模拟结果与实验数据进行比较，并已得到验证。影响参数已被改变，以了解其影响和测试灵敏度。
2019-10-16 cond-mat.mtrl-sci
Fracture toughness of leaves: Overview and observations
有人可能会问，当大自然母亲完美地完成她的工作时，为什么了解叶片断裂的机制很重要？我可以列出以下理由来回答这个问题：（a）树叶是天然的复合结构，在数百万年的进化过程中，它们已经适应了周围的环境，并且它们的设计是最优化的，人们可以将研究树叶断裂机制所获得的知识应用于新复合材料的开发;（二）其他软组织，例如皮肤和血管，在某些层面上也有类似的结构，并可能具有相同的断裂机制。所获得的知识也可应用于这些材料;（c）全球对粮食的需求正在急剧增加。包括美国在内的少数几个国家拥有在未来世界粮食供应市场上发挥重要作用的所有潜力（即水、土壤、阳光和人力）。如果我们能够通过保护农场和森林免受食草动物（Beck，1965）、病原体（Campbell et al.，1980）和其他物理损害来提高产量，我们在未来市场的份额将会更高。它还将加强我们的国家粮食安全，因为我们将不再依赖粮食进口。我们还不知道如果我们能通过基因设计出更坚韧的材料，我们的农场和森林产量能节省多少，但整个想法确实值得研究。
2016-01-07 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph q-bio.TO
