Softening of ultra-nanocrystalline diamond at low grain sizes
超纳米晶金刚石是一种多晶材料，具有纳米范围内尺寸的金刚石晶粒。我们研究了这种材料的结构和力学性能的平均晶粒尺寸的函数，采用原子模拟。从计算的弹性常数和估计的硬度，我们观察到软化的材料，其晶粒尺寸减小。我们归因于所观察到的软化的增强分数的界面原子的平均晶粒尺寸变得更小。我们提供了一个拟合公式的缩放的内聚能和体积模量相对于平均晶粒尺寸。我们发现，他们都规模作为二次多项式的逆晶粒尺寸。我们的公式在大粒度的限制下对大块金刚石给出了正确的值。
2008-07-15 cond-mat.mtrl-sci
In situ high-cycle fatigue reveals the importance of grain boundary structure in nanocrystalline Cu-Zr
纳米晶体金属通常具有高的疲劳强度，但对裂纹扩展的抵抗力低。非晶晶界膜是无序的晶界络合物，其已被证明在单调加载期间通过扩散晶界应变集中来延迟裂纹成核和减缓裂纹扩展，这表明它们也可能有益于疲劳性能。为了探讨这一假设，在原位透射电子显微镜疲劳循环进行Cu-1原子%。Zr薄膜经热处理后，要么只具有有序的晶界，要么含有非晶的晶间膜。只有有序晶界的样品经历了晶粒粗化裂纹萌生，然后由不稳定的裂纹扩展和广泛的nanocracking，而含有非晶间膜的样品没有晶粒粗化裂纹萌生，然后由稳定的裂纹扩展和分布的塑性活动。通过简单的热处理控制这些行为的微结构设计可以允许纳米晶金属疲劳韧性的改善。
2018-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Multi-principal element grain boundaries: Stabilizing nanocrystalline grains with thick amorphous complexions
非晶配合物最近被证明可以同时提高某些纳米晶合金的延展性和稳定性。在这项研究中，三个五元合金（Cu-Zr-Hf-Mo-Nb，Cu-Zr-Hf-Nb-Ti和Cu-Zr-Hf-Mo-W）进行了研究，以测试的假设，增加晶界的化学复杂性将导致更厚的非晶络合物，并进一步稳定的纳米晶显微组织。在Cu-Zr-Hf-Nb-Ti合金中观察到Zr、Nb和Ti的显著边界偏析，这产生了四元界面组成，即使在约97%的熔化温度下1周后，也将平均晶粒尺寸限制在63 nm。这种高水平的热稳定性归因于复杂的晶界化学和多组分偏析导致的非晶结构。高分辨率透射电子显微镜显示，在Cu-Zr-Hf-Nb-Ti合金的晶界区域的化学复杂性的增加，结果在一个平均的非晶络合物厚度为2.44 nm，约44%和32%厚比以前观察到的Cu-Zr和Cu-Zr-Hf合金的非晶络合物。
2021-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Vibrational Properties of Nanoscale Materials: From Nanoparticles to Nanocrystalline Materials
纳米团簇和纳米晶材料的振动态密度（VDOS）是从分子动力学模拟使用经验紧束缚势导出的。结果表明，纳米团簇内部的VDOS可以理解为相应的体相体系在毛细管压力作用下的VDOS。在纳米粒子的表面处，VDOS在低能量下表现出强烈的增强，并且显示出与在平坦的晶体表面附近发现的类似的结构。对于纳米晶材料的增加VDOS被发现在高和低的声子能量，与实验结果一致。来自晶粒中心、晶界和内表面的单个VDOS贡献表明，在纳米晶材料中，VDOS增强主要是由晶界贡献引起的，表面原子仅起次要作用。虽然毛细管压力也存在于纳米晶材料的晶粒内部，但它们对VDOS的影响与簇的情况不同，这可能是由于模式通过晶界的晶粒间耦合。
2003-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Grain Boundary Driven Plateau-Rayleigh Instability in Multilayer Nanocrystalline Thin Film: A Phase-field Study
纳米晶多层薄膜的热稳定性是非常重要的，因为应用通常涉及高温。在这里，我们报告的层不稳定现象，在二元多晶薄膜在较高的温度下从晶界迁移启动使用相场模拟。层的厚度，双层间距和晶界的存在下，层的稳定性也随着各相的晶界流动性的影响进行了研究。层的不稳定性在多晶薄膜中示出产生的晶界开槽，这起源于自发地从晶界的存在。结果表明，由微分曲率产生的扰动的增长遵循Plateau-Rayleigh不稳定性判据。层厚度的增加、较低的双层厚度以及较低的晶界迁移率提高了层稳定性。相场模拟显示了类似的微观结构的演变，已经观察到在我们的锆（Zr）/氮化锆（ZrN）系统的实验。在这项工作中进行的详细分析，以了解层不稳定性的机制，使我们预测的措施，这将提高多层纳米薄膜的热稳定性。
2016-11-14 cond-mat.mtrl-sci
Bulk nanocrystalline Al alloys with hierarchical reinforcement structures via grain boundary segregation and complexion formation
晶粒尺寸工程，特别是将晶粒尺寸减小到纳米晶范围，为进一步提高铝合金的强度-重量比提供了一条有前途的途径。不幸的是，纳米晶金属的制造通常需要非平衡处理路线，这通常限制了试样尺寸并需要大量的能量预算。在这项研究中，多个掺杂原子在三元铝合金故意选择，使偏析的晶界区域，并促进形成非晶络合物。采用简单的粉末冶金方法成功地制备了三种不同的完全致密的小晶粒尺寸块体纳米晶Al合金（Al-Mg-Y，Al-Fe-Y和Al-Ni-Y），完全致密化直接与非晶复合物的形成有关。所有组合物在585 ℃下通过热压固结后均表现出高于99%的密度和<60 nm的晶粒尺寸。非常细的晶粒结构导致优异的机械性能，纳米压痕硬度值在2.2-2.8 GPa的范围内。详细的微观结构表征验证了所有掺杂剂物种的晶界偏析，以及形成无定形络合物，这表明它们在帮助有效的固结和赋予合金的热稳定性的影响作用。此外，在晶界处还观察到具有核-壳结构的纳米棒，这可能有助于晶粒结构的稳定和高强度。最后，形成尺寸为数百纳米的金属间化合物颗粒。作为一个整体，这里提出的结果表明，一般的合金设计策略的偏析和边界演变途径，使制造多个纳米晶铝合金的分级显微组织和改善的性能。
2021-10-05 cond-mat.mtrl-sci
Reverse Hall-Petch effect in ultra nanocrystalline diamond
我们提出了原子模拟的机械响应的超纳米金刚石，多晶形式的金刚石的晶粒直径的顺序为几个纳米。我们认为完全三维模型结构，具有随机尺寸和方向的几个晶粒，并采用最先进的蒙特卡罗模拟。我们计算的结构特性，弹性常数和硬度的材料，我们的结果比较以及与实验观察这种材料。此外，我们验证了这种材料在小晶粒尺寸下变得更软，类似于在各种纳米晶金属中观察到的Hall-Petch效应的逆转。这种效应是由于在较小的晶粒尺寸的晶界原子的大浓度。我们的分析产生的弹性常数作为平均晶粒尺寸的函数的标度关系。
2008-07-16 cond-mat.mtrl-sci
Thicker amorphous grain boundary complexions reduce plastic strain localization in nanocrystalline Cu-Zr
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
通过原位压缩测试50多个微柱，研究非晶晶界络合物厚度对纳米晶Cu-Zr塑性变形和失效模式的影响，发现较厚的络合物能更均匀地分散塑性变形并提高损伤容限。
2026-05-28 cond-mat.mtrl-sci
Pronounced grain boundary network evolution in nanocrystalline Cu subjected to large cyclic strains
纳米晶铜箔的晶界网络被修改的循环载荷和升高的温度范围内的幅度的系统应用。最广泛地说，边界网络的变化与施加的温度和累积应变直接相关，包括孪晶长度分数增加300%。通过独立地改变每个处理变量，建立了晶界统计矩阵，以检查假设机制对预期温度和应力/应变依赖性的可解释性。这些比较允许候选机制的领域被显著缩小。最重要的是，温度和应变对孪晶长度分数的影响被发现是强烈的协同作用，与组合效果是~150%的总和的个人贡献。超越标量度量，晶界网络的分析表明，双晶相关域的形成有利于更大的尺寸和重复的双晶变体选择，而不是创建许多具有不同变体的小域。两者合计，证据表明，剪切耦合的边界迁移孪晶是最有可能的解释晶界工程在纳米晶铜。
2018-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Development of a Model for Irradiation-Assisted Grain Growth for Nanocrystalline UO2
Idaho National Laboratory（爱达荷国家实验室）；University of Florida（佛罗里达大学）
本研究开发了用于纳米氧化铀中辐照辅助晶粒生长的模型，发现热尖峰是晶粒生长的主要原因，且当晶粒尺寸小于35nm时该效应显著。
2025-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic and experimental study of microstructural evolution in nanocrystalline iron subjected to irradiation
本研究通过分子动力学模拟和X射线衍射实验，探究纳米晶铁在辐照下的微观结构演化，发现晶粒粗化、位错密度降低及辐照诱导退火现象，并揭示晶粒生长符合随机生长机制。
2025-05-27 cond-mat.mtrl-sci
A model of full thermodynamic stabilization of nanocrystalline alloys
George Mason University（乔治梅森大学）
该研究提出一个结合Potts模型和晶格气体模型的多晶合金模型，用于探究晶界偏析是否能实现完全稳定的纳米晶状态。
2025-08-07 cond-mat.mtrl-sci
Quantitatively Predicting Modal Thermal Conductivity of Nanocrystalline Si by full band Monte Carlo simulations
纳米晶硅的热输运特性对热电材料的应用具有重要意义。更好地理解纳米晶硅的模态热导率将有助于提高热电效率。本文采用全频声子色散的减方差蒙特卡罗模拟研究了纳米晶硅的模式热导率。重要的是，声子模式传输通过晶界的非晶Si界面模拟计算的模式分辨原子格林函数方法。在很宽的晶粒尺寸范围内，预测的纳米晶硅的热导率与体硅的热导率之比与实验测量值吻合得很好。当晶粒尺寸从550 nm减小到10 nm时，纳米晶Si的热导率从54%减小到3%，平均自由程大于晶粒尺寸的声子的贡献从30%增加到96%.研究表明，基于模式分辨原子格林函数方法的声子模式传输的全带蒙特卡罗模拟可以捕捉到复杂纳米结构中的声子输运图像，从而为设计高性能硅基热电器件提供指导。
2021-08-05 cond-mat.mtrl-sci
Atomic-scale simulations of nanocrystalline metals
纳米晶体金属，即晶粒尺寸在纳米范围内的金属，具有一系列技术上令人感兴趣的性质，包括增加的硬度和屈服强度。我们提出了纳米晶铜的塑性行为的原子尺度模拟。模拟结果表明，主要的变形模式是通过大量的不相关的事件，其中几个原子（或几十个原子）相对于彼此滑动的晶界滑动。在晶粒内部几乎没有位错活动。变形到晶界的局部化导致随着晶粒尺寸的增加而硬化（反向Hall-Petch效应），这意味着对于高于本文所研究的晶粒尺寸的硬度的最大值。我们研究了不同温度，应变速率和孔隙率的影响，并讨论了最近的实验的关系。随着温度的升高，材料在塑性和弹性状态下都变得更软。样品中的孔隙导致材料的软化，这在许多实验中可能是显著的影响。
1999-02-11 cond-mat.mtrl-sci
Amorphous Intergranular Films Enable the Creation of Bulk Nanocrystalline Cu-Zr with Full Density
纳米晶金属合金显示出作为结构材料的巨大潜力，但通常仅以小体积例如薄膜或粉末可用。然而，最近的研究表明，掺杂剂偏析和称为络合物的状态之间的晶界结构转变可以显着改变晶粒尺寸稳定性，并可能使活化烧结。在这项研究中，我们探讨了机械合金化Cu-4at.%的战略整合路线。Zr粉末，以捕获非晶复合物形成对大块纳米结构金属致密化的影响。我们观察到的密度的增加，这与非晶间膜的形成相一致的巩固的样品。同时，在暴露于这些温度后，晶粒尺寸相当稳定。因此，我们能够生产出晶粒尺寸为57 nm、密度为99.8%的块状纳米晶粒金属，这表明使用简单的固结技术实现了小晶粒尺寸和高密度的令人印象深刻的平衡。
2019-06-27 cond-mat.mtrl-sci
A model of thermodynamic stabilization of nanocrystalline grain boundaries in alloy systems
本文提出耦合晶界迁移与溶质扩散的二维模型，并通过动力学蒙特卡洛模拟揭示纳米晶完全热力学稳定态与零晶界自由能条件的关联。
2024-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Concurrent transitions in wear rate and surface microstructure in nanocrystalline Ni-W
纳米晶金属由于其优异的强度和硬度而成为耐磨应用的有前途的材料，但先前的工作表明，循环加载会导致粗化。在这项研究中，进行了划痕磨损试验，纳米晶Ni-19原子%，W薄膜的沉积晶粒尺寸为3 nm，与系统的表征后，不同的磨损周期。观察到一种新的梯度纳米晶组织，并发现磨损率与亚表面组织之间存在直接联系。通过对原始样品进行退火来产生具有相同组成和45 nm平均晶粒尺寸的第二Ni-W样品。随后的磨损试验表明，在该样品中产生了相同的次表面微观结构，强调了在确定磨损过程中的稳态晶粒尺寸的变形机制中的交叉的重要性。
2018-09-07 cond-mat.mtrl-sci
Energy evolution in nanocrystalline iron driven by collision cascades
本研究通过分子动力学模拟纳米晶铁的碰撞级联，对比不同制备方法的纳米晶与单晶的辐照行为，发现辐照诱导退火效应及能量演化规律，并建立了相应的解释模型。
2025-10-28 cond-mat.mtrl-sci
Energy filtering enhancement of thermoelectric performance of nanocrystalline Cr-Si composites
研究了纳米晶Cr $_{\rm 1-x}$ Si $_{\rm x}$复合薄膜的热电性能。在原位热电势和电阻率测量中，退火使沉积态的非晶薄膜转变为平均晶粒尺寸为10- 20 nm的纳米晶。部分晶化薄膜是一种新型的非均质材料，其中的纳米晶相起着散射中心的作用，对薄膜的热电势有很大的贡献。我们表明，热电势增强与纳米颗粒界面上的载流子的能量相关的散射（能量过滤）。
2016-04-13 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Cr Segregation on Grain Growth in Nanocrystalline α-Fe Alloy: A Multiscale Modelling Approach
本文耦合DFT与PFM建立多尺度模型，研究Cr偏析下纳米晶α-Fe合金的晶粒长大动力学，并用Cahn溶质拖曳理论解释温度相关的非线性行为。
2024-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative tracking of grain structure evolution in a nanocrystalline metal during cyclic loading
采用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为5 nm的纳米晶Al的机械诱导结构演化进行了定量研究。多晶样品在不同的温度下循环应变，而最近开发的晶粒跟踪算法被用来测量新的变形机制，如晶粒旋转和晶粒滑动的相对贡献。在循环过程中还跟踪了样品的织构和晶粒尺寸，以显示纳米晶塑性如何重新排列整体晶粒结构并改变晶界网络。虽然在循环过程中没有明显的纹理形成，但负责塑性的过程共同作用以改变界面网络。循环加载导致在整个样品中形成许多孪晶边界以及相邻晶粒的偶尔合并，较高的温度导致更多的演变。观察到一个依赖于温度的循环强化效应，表明纳米晶金属的结构和性能可以在加载过程中动态。
2014-10-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nanocrystalline Al-Mg with extreme strength due to grain boundary doping
纳米晶Al-Mg合金用于隔离晶界掺杂对纳米结构金属强度的影响。在机械研磨过程中加入Mg，然后进行低同源温度退火处理以诱导偏析而不发生晶粒生长。纳米晶Al-7原子%在200 °C下退火1小时的Mg是制造的最强合金，硬度为4.56 GPa或纯纳米晶Al的约三倍。微柱压缩实验表明屈服强度为865 MPa，比强度为329 kN m/kg，使其成为迄今报道的最强轻质金属之一。
2017-04-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Plasticity-induced restructuring of a nanocrystalline grain boundary network
控制纳米晶金属塑性形变的晶界介导机制应该引起晶界网络的演化，因为它们直接改变晶体之间的取向差关系。不幸的是，目前的实验技术无法跟踪这种演变，由于空间和时间分辨率的限制。本文采用分子动力学模拟研究了纳米晶铝在单调拉伸和循环加载过程中的晶界重组。这项任务是通过创建新的分析工具，原子数据集，允许一个完整的表征和跟踪的晶粒边界网络的微观结构描述符。定量测量的晶界特征分布，三重结类型，晶界平面正常，和其他界面网络特性的提取和分析。这里提出的结果表明，纳米晶体塑性导致增加特殊的边界分数和破坏的二维边界连接，最戏剧性的演变发生在最小的晶粒尺寸。
2016-07-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Amorphous complexions alter the tensile failure of nanocrystalline Cu-Zr alloys
已知基于晶界的机制控制纳米晶金属的塑性形变和失效，其中对晶界结构的操纵是用于调整这种响应的有希望的途径。在这项研究中，界面结构无序的纳米晶Cu-Zr合金的塑性和破坏的作用进行了研究，在原位扫描电子显微镜拉伸变形实验。创建两种模型材料，一种仅具有典型的有序晶界，另一种具有散布到边界网络中的非晶间膜，而微观结构在其他方面是相同的。因此，肤色类型的重要性，塑性和失败是孤立的，只有不同的肤色结构。拉伸实验表明，含有非晶薄膜的样品的故障是显着延迟，证明了增加的横截面积减少，减少剪切为主的故障的发生，减少应变局部化，和断裂表面更细长的凹坑功能。总的来说，这项研究提供了直接的证据表明，晶界处的结构无序可以有利于提高纳米晶金属的延展性。
2021-05-25 cond-mat.mtrl-sci
Nanocrystalline grain boundary engineering: Increasing $Σ$3 boundary fraction in pure Ni with thermomechanical treatments
晶界网络在决定纳米晶金属的力学性能方面应起主导作用。然而，这些网络很难表征，它们对变形的反应也不完全清楚。本工作中，我们研究了纳米晶镍的晶界网络，并探讨了它是否可以通过塑性形变进行改性。在室温下的机械循环并没有导致结构的演变，但高温循环确实改变了晶界网络。除了机械驱动的晶粒生长，在100 $°$ C下的机械循环导致$Σ$ 3边界增加48%，用透射菊池衍射测定。边界改性的程度是所施加的加载循环次数和测试温度的函数，在更高的温度下，更多的循环导致更特殊的晶界。这里提出的结果表明，在纳米晶材料的晶界工程的路径。
2020-01-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Studying the elastic properties of nanocrystalline copper using a model of randomly packed uniform grains
我们开发了一种新的Voronoi协议，这是一种空间镶嵌方法，以生成完全致密（不含空隙）的铜（Cu）的纳米晶模型，精确的晶粒尺寸控制，我们还进行单轴拉伸试验，使用分子动力学（MD）模拟测量的弹性模量的晶界和晶粒内部组件在300 K。我们发现，晶界变形更多的本地相比，在热振动下的晶粒核心区域，是弹性刚度小于在有限温度下的核心组件。晶界的弹性模量低于晶粒内部的30%。我们的研究结果将有助于发展更准确的连续模型的纳米晶金属。
2013-04-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Thermal transport in nanocrystalline graphene investigated by approach-to-equilibrium molecular dynamics simulations
采用接近平衡的分子动力学模拟研究了纳米石墨烯片的热输运。纳米结构的石墨烯已经使用用于从具有随机晶体取向的初始种子进行晶粒生长的迭代过程来创建。所得到的细胞的特征在于基于回转半径的晶粒尺寸分布，由每个晶粒中的原子数和由晶界中的原子数。引入具有1 nm的回转半径的纳米颗粒导致热导率显著降低至单晶石墨烯中的值的3%。振动态密度的分析已经揭示了当引入纳米颗粒时振动强度的普遍降低和峰的加宽，这可以归因于边界层中的声子散射。的热导率已被评估为晶粒尺寸的函数，随着尺寸增加到14 nm，它已被证明遵循一个反有理函数。晶粒尺寸相关的热导率可以很好地近似为一个函数，其中传输由一系列导电元件和电阻（在边界处）的连接来描述。
2015-07-31 cond-mat.mtrl-sci
Complex strengthening mechanisms in nanocrystalline Ni-Mo alloys revealed by a machine-learning interatomic potential
纳米晶金属的强度随着其晶粒尺寸的减小而显著增加，这种现象称为Hall-Petch关系。然而，当颗粒变得太小时，这种关系就破裂了。实验研究已经通过稳定晶界（GB）在一组Ni-Mo合金中规避了这个问题。在这里，使用基于机器学习的原子间势（ML-IAP）的原子模拟，我们证明了逆Hall-Petch关系可以正确地再现，这是由于在Ni-Mo多晶中晶粒变小时主导变形机制的变化。据发现，原子冯米塞斯应变可以显着降低通过溶质掺杂和/或退火的小晶粒尺寸的多晶体，导致多晶体的强度增加。另一方面，对于大晶粒尺寸的多晶体，退火由于GB区域中的大的原子运动而弱化材料。在很宽的晶粒尺寸范围内，溶质和退火效应的叠加使小晶粒的强度比大晶粒的强度提高得多，从而导致在极小晶粒尺寸下的连续强化。总的来说，这项研究不仅证明了ML-IAP的可靠性，而且还提供了纳米晶体中复杂强化机制的全面原子观，开辟了一条新的途径来定制其机械性能。
2023-02-17 cond-mat.mtrl-sci
Thick amorphous complexion formation and extreme thermal stability in ternary nanocrystalline Cu-Zr-Hf alloys
基于最近发现的具有非晶间膜的韧性纳米晶Cu-Zr合金，本文研究了三元纳米晶Cu-Zr-Hf合金，重点是了解合金成分如何影响无序络合物的形成。还制备了具有相似初始晶粒尺寸的二元Cu-Zr和Cu-Hf合金用于比较。纳米晶合金的热稳定性通过在950 °C（>95%的固相线温度）下退火，然后详细表征晶界结构来评估。所有的三元合金表现出优异的热稳定性相媲美的二元Cu-Zr合金，并保持纳米晶，即使在两个星期的退火后，在这个极高的温度。尽管碳化物的形成和生长在这些合金在铣削和退火过程中，三元合金的热稳定性主要是由于在高温下形成厚的非晶间膜。我们的研究结果表明，三元合金组合物具有较厚的边界膜相比，具有类似的全球掺杂剂浓度的二元合金。虽然它不是所需的无定形复合物的形成，这项工作表明，有至少三个元素存在于界面处可以导致较厚的晶界膜，这是预期的最大化先前报道的增韧效果。
2019-08-15 cond-mat.mtrl-sci
A cylindrical sintering method for more realistic grain boundaries in nanocrystalline thin films
Institute of Physics of Materials, The Czech Academy of Sciences（材料物理研究所，捷克科学院）；Central European Institute of Technology, Brno University of Technology（中欧技术研究所，布尔诺理工大学）；Charles University, Faculty of Mathematics and Physics（查理大学，数学与物理学院）
本文提出圆柱烧结方法生成具有更宽无序晶界的纳米晶铝薄膜样品，相比Voronoi方法更真实，且力学性能更低，并发现几何与势函数影响独立可加，存在反Hall-Petch关系。
2026-09-15 cond-mat.mtrl-sci
Simulations of Nanocrystalline Iron Formation under High Shear Strain
通过分子动力学模拟铁在高剪切应变下的晶粒细化过程，揭示温度、散热率、应变率和碳杂质对纳米晶形成的影响，为高剪切条件下纳米晶粒形成机制提供深入理解。
2024-09-24 cond-mat.mtrl-sci
Phase separation of a supersaturated nanocrystalline Cu Co alloy and its influence on thermal stability
研究了一种平均晶粒尺寸约为100 nm的Cu Co过饱和固溶体在非等温和等温退火条件下的热分解行为、组织演变及其对力学性能的影响。纯的细晶粒Cu和Co在退火时表现出大量的晶粒生长，而Cu Co合金在相同的退火温度下是热稳定的。退火后的微观结构进行了研究，通过独立的表征方法，包括扫描电子显微镜，电子能量损失谱和原子探针层析成像。在Cu Co合金的相分离过程中进行相同的机制，但在不同的长度尺度上：细尺度的调幅型分解观察到在晶粒内部，同时具有较大规模的Co和Cu区域形成的晶界区域附近。随后在较高的退火温度下的晶粒生长导致由纯平衡相组成的微观结构。这样的机制可以用于定制纳米结构以优化某些特性。
2016-11-04 cond-mat.mtrl-sci
Bulk nanocrystalline Al-Mg-Y alloys with amorphous grain boundary complexions display high strength and compressive plasticity
本研究制备了含非晶晶界 complexion 的块体纳米晶 Al-Mg-Y 合金，发现其层级微观结构可实现超 800 MPa 高强度与良好压缩塑性，为结构应用提供了新方案。
2025-07-28 cond-mat.mtrl-sci
Toughness and Strength of Nanocrystalline Graphene
原始的单晶石墨烯被认为是已知的最强的材料，具有显着的机械和电气性能。然而，用可扩展的制造技术制成的石墨烯是多晶的，并且包含固有的纳米级线和点缺陷-晶界和晶界三重结-这导致韧性和强度的显著统计波动。这些波动对于缺陷密度高的纳米晶石墨烯变得特别明显。在这里，我们使用大规模的模拟和连续建模表明，韧性和强度的统计变化可以理解与“最弱环节”的统计。我们开发了第一个统计理论的韧性多晶石墨烯，并阐明其强度和韧性的晶粒尺寸依赖性的纳米尺度的起源。我们的研究结果应该导致更可靠的石墨烯器件设计，并提供一个框架来解释广泛的2D材料的实验结果。
2016-01-29 cond-mat.mtrl-sci
Binary nanocrystalline alloys with strong glass forming interfacial regions: Complexion stability, segregation competition, and diffusion pathways
本研究利用透射电子显微镜对比分析Al-Mg、Al-Ni和Al-Y二元纳米晶合金，发现Y作为掺杂剂能高效稳定非晶界面相与纳米棒析出相，抑制晶粒粗化，为块体纳米结构材料的简化配方应用提供依据。
2023-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Solid Solution Strengthening and Softening Due to Collective Nanocrystalline Deformation Physics
采用分子动力学模拟研究了固溶体对不同铜基合金纳米晶强度的影响。我们发现固溶强化和软化的证据，与合金化如何影响材料的弹性模量控制强度的趋势。这种行为与集体晶界变形物理学的转变是一致的，并提供了非常细晶粒的纳米晶体金属和金属玻璃的机械行为之间的联系。
2014-07-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Simulations of nanocrystalline metals at the atomic scale. What can we do? What can we trust?
近年来，通过对具有真实晶粒尺寸的系统的原子尺度模拟来研究纳米晶体金属的性质已经成为可能。给出了主要结果的简要概述，例如观察到反向霍尔-佩奇效应-当晶粒尺寸减小时金属的软化。计算机模拟的局限性进行了讨论，特别关注的因素，可能会影响这种模拟的可靠性。
2001-09-18 cond-mat.mtrl-sci
Amorphous complexions enable a new region of high temperature stability in nanocrystalline Ni-W
溶质偏析用于限制纳米晶金属中的晶粒生长，但这种稳定性通常在高温下破坏。在足够高的温度下，在某些合金中可以形成非晶间膜，这提供了一种可能的替代途径来降低晶界能，从而限制晶粒生长。在这项研究中，纳米晶Ni-W在1000 °C及以上的温度下退火，然后快速淬火，发现含有非晶间膜。这些配合物导致了一个新的，意想不到的纳米晶在高温下的稳定性区域。
2018-05-14 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Magnetization controlled by crystallization in soft magnetic Fe-Si-B-P-Cu alloys
软磁材料具有低矫顽场和高磁导率。最近，由于具有几十纳米的小晶粒尺寸的纳米晶合金表现出与金属玻璃相当的低矫顽场，因此使用退火金属玻璃获得的纳米晶合金引起了人们的极大兴趣。纳米晶软磁材料通过控制晶粒尺寸来获得优异的软磁性能，晶粒的微观结构对软磁性能有着重要的影响。在本研究中，我们研究了由退火金属玻璃得到的Fe-Si-B-P-Cu纳米晶软磁合金的磁性。在晶化过程中，观察结果揭示了所产生的组织和软磁性能之间的相关性。
2022-09-06 cond-mat.mtrl-sci
High-temperature stability and grain boundary complexion formation in a nanocrystalline Cu-Zr alloy
纳米晶Cu-3at.%采用机械合金化方法制备了平均晶粒尺寸约为20 nm的Zr粉末，并研究了其在550-950 °C范围内的热稳定性。退火驱动Zr偏聚到晶界，这导致在较高温度下形成非晶间络合物。在950 °C或98%的固相线温度下退火1周，晶粒生长显著延迟，仅导致平均晶粒尺寸粗化至54 nm。增强的热稳定性可以连接到与掺杂以及ZrC颗粒的沉淀的晶界能的减少。即使在这些积极的热处理后，仍保持高的机械强度，这表明肤色工程可能是制造具有优异性能的大块纳米结构材料的可行途径。
2015-08-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Emergence of localized plasticity and failure through shear banding during microcompression of a nanocrystalline alloy
微压缩测试用于探测纳米晶合金的单轴应力-应变响应，重点在于探索晶粒尺寸和晶界松弛状态如何影响完整的流动曲线和失效行为。屈服强度，应变硬化，应变失效，和失效模式的纳米晶Ni-W薄膜的平均晶粒尺寸为5，15，和90 nm的研究，使用无锥度的微柱是足够大，以避免外在尺寸效应。观察到强化与晶粒细化，但通过应变局部化的灾难性故障被发现。剪切带被发现会导致失效，类似于金属玻璃的变形。最后，我们研究了晶界状态的影响，采用热处理，放松非平衡边界结构，但离开晶粒尺寸不变。一个显着的强化效果和增加应变局部化后，观察到在更细的晶粒样品松弛。
2014-07-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Grain boundary complexions and the strength of nanocrystalline metals: Dislocation emission and propagation
已经观察到晶界络合物影响纳米晶金属的机械行为，提高强度和延展性。虽然存在改善延展性的解释，但观察到的对强度的影响仍然无法解释。在这项工作中，我们使用原子模拟探索有序和无序的两个变形机制，这是必不可少的纳米晶塑性，即位错发射和传播的影响。Cu-Zr中的有序和无序晶界复合体都具有过剩自由体积的特征，并通过降低临界发射应力来促进位错发射。或者，这些络合物的特征在于强位错钉扎区域，其增加位错传播所需的流动应力。这种钉扎区域是由在晶粒-络合物界面处的凸缘和溶质原子引起的，并且可能取决于络合物状态以及基质和溶质元素之间的原子尺寸失配。在我们的位错传播模拟中观察到的趋势与现有的实验数据一致，表明位错传播是纳米晶Cu-Zr合金塑性背后的限速机制。
2018-03-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Absorption bias: An ideal descriptor for radiation tolerance of nanocrystalline BCC metals
为了评价纳米晶材料的辐射耐受性，采用多尺度模拟方法研究了Fe和W这两种典型体心立方（BCC）金属在均匀辐照下的损伤效应.提出了一种描述不同晶粒尺寸材料耐辐照性能的理想描述子--吸收偏置（晶界对晶界和空位的吸收能力之比）。低吸收偏压通过增强I-V复合并优化调整其与GB吸收的竞争来促进缺陷湮灭。因此，吸收偏压越低，NC BCC金属的抗辐照性能越高。综合考虑力学性能、热稳定性和抗辐射性能，铁基结构材料宜选用纳米晶，钨基等离子体材料宜选用粗晶。这项工作重新评估了NC材料的抗辐射性，从而产生了通过操纵晶粒尺寸来设计核装置结构材料的新策略。
2022-05-23 cond-mat.mtrl-sci
High-rate Plastic Deformation of Nanocrystalline Tantalum to Large Strains: Molecular Dynamics Simulation
在这里，我们使用大规模的分子动力学（MD）模拟的高速率变形的纳米晶体钽调查的过程与塑性形变的应变高达100%。我们使用的初始原子配置，通过模拟的凝固在Streitz等人的工作[物理评论快报。96，（2006）225701]。这些3D多晶系统具有10-20 nm的典型晶粒尺寸。我们还研究了快速淬火液体（非晶态固体）钽。我们应用一个恒定的体积（等容），恒温（等温）剪切变形的应变率范围内，并计算得到的应力-应变曲线的大应变单轴和双轴压缩。我们研究的速率依赖性和识别塑性形变机制。通过一种新的技术，计算局部晶粒取向，返回它作为一个四元数为每个原子的机制的识别。我们发现位错和孪晶过程都很重要，它们在这些极细晶组织中的弱应变硬化中相互作用。
2009-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure, mechanical properties and aging behaviour of nanocrystalline copper-beryllium alloy
本文报道了大塑性形变Cu -2wt%Be合金粗晶和纳米晶时效动力学的综合研究。结果表明，粗晶合金时效后，连续形成纳米级的体心立方（bcc，CsCl型）半共格颗粒，其晶体取向关系为{220} Cu // {200} CuBe。这些颗粒产生了显着的内部应力场，并成为位错滑移的障碍，导致硬度从95维氏硬度（HV）的溶解合金到400 HV的老化的变化。剧烈的塑性形变导致形成平均晶粒尺寸为20 nm和HV为390的单相纳米晶组织。结果发现，该晶粒尺寸轻微驱动晶界偏析。纳米晶合金的进一步时效导致沉淀物在原Cu晶界上的不连续形成和亚稳相的跳跃。观察到老化纳米结构合金的最大硬度为466 HV的显著的时效硬化。力学性能测试结果表明，对于粗晶和纳米晶合金，显微组织和进一步时效对合金的强度性能都有很大的影响。纳米结构合金具有良好的热稳定性。CuBe相的硬度值的理论计算。结果表明，Be作为一种轻合金元素，可以直接改变大变形铜合金的显微组织。
2020-05-11 cond-mat.mtrl-sci
Characterization of Defect Structure in Electrodeposited Nanocrystalline Ni Films
采用X射线衍射（XRD）谱线轮廓分析和透射电子显微镜（TEM）截面分析研究了添加糖精和甲酸有机添加剂前后电沉积Ni膜的微观结构。而这些添加剂对微观结构（消除柱状生长以及晶粒细化）的一般效果被复制，本研究的明显意图是比较各种很少使用的高性能结构表征方法的结果相同的电沉积试样，以揭示在这个领域中不太常见的定性结构变化的细节。在没有添加剂的情况下沉积的膜中，观察到柱状结构，显示出与结构区模型的T区的相似性。甲酸和糖精添加剂导致等轴晶粒尺寸减小，以及增加的位错和孪晶缺陷密度的纳米晶薄膜。此外，由于添加剂，结构变得均匀，并且在总膜厚度内没有纹理。与甲酸相比，双氰胺产生更小的晶粒尺寸和更大的缺陷密度。通过仔细区分TEM和XRD晶粒尺寸，利用TEM和XRD的互补应用对晶粒尺寸和孪晶界间距分布进行了详细的分析。
2017-03-15 cond-mat.mtrl-sci
Ultra-uniform Nanocrystalline Materials via Two-Step Sintering
具有<100 nm晶粒尺寸和优异性能的纳米晶体金属和陶瓷（例如，机械强度、硬度、断裂韧性和存储的介电能量）是非常重要的。关于实现纳米晶粒已经讨论了很多，但是对于保持对材料可靠性至关重要的晶粒尺寸均匀性知之甚少。一个特别有趣的问题是，是否有可能获得比Hillert[1]理论上预测的正常晶粒生长更窄的粒度分布，这是Lifshitz、Slyozov、Wagner（LSW）[3，4]和Hillert的广义平均场论[2]提出的一种可能性，但在实践中从未实现。我们证明，这可以实现在散装材料与适当设计的两步烧结路线，（a）利用在中间烧结阶段的大生长指数，以形成最均匀的微观结构，尽管孔隙率剩余，和（b）冻结的晶粒生长，同时继续致密化，以达到全密度。所得的致密块状Al 2 O3陶瓷具有34 nm的平均晶粒尺寸和比Hillert的预测窄得多的尺寸分布。使用这种策略还证明了粒度分布比起始粉末的粒度分布更窄的块体Al 2 O3，以及高度均匀的高纯度和高熔点（Mo和W-Re）或高度复杂成分（核-壳BaTiO 3和0.87BaTiO 3 -0.13Bi（Zn 2/3（Nb0.85Ta0.15）1/3）O3）的块体工程金属和陶瓷。
2020-09-10 cond-mat.mtrl-sci
Morphology and mechanical properties of nanocrystalline Cu/Ag alloy
采用Monte Carlo（MC）/分子动力学（MD）混合模拟方法研究了不同Ag含量的纳米Cu/Ag合金的微观结构。当Ag浓度低于50个Ag原子/nm时，Ag浓度的增加导致单层晶界（GB）络合物逐渐生长成纳米层络合物。高于50个Ag原子/nm的浓度，观察到具有体晶相的润湿层。采用分子动力学模拟方法研究了Ag对纳米Cu/Ag合金的力学性能和变形机制的影响。GB的滑动阻力被发现，首先增加，然后减少与Ag浓度的增加。令人惊讶的是，我们还发现，位错密度单调降低，在银浓度的增加，这表明，晶粒内部软化的银掺杂剂在GB的引入。此外，存在一个临界Ag浓度，使纳米Cu/Ag合金的流动应力最大化。当晶粒直径从5 nm增加到40 nm时，流变应力、晶界滑动阻力和晶内位错密度对Ag掺杂的敏感性降低。
2017-01-11 cond-mat.mtrl-sci
Determination of five-parameter grain boundary characteristics in nanocrystalline Ni-W by Scanning Precession Electron Diffraction Tomography
本研究针对纳米尺度下三维五参数晶界测定的难题，利用扫描进动电子衍射断层扫描结合自动化后处理等方法，实现了纳米晶Ni-W试样晶粒的高保真三维重建，且共格Sigma 3晶界法向测定角度误差小于3°，推进了复杂晶界的精准表征能力。
2024-07-11 cond-mat.mtrl-sci
Anatomizing deformation mechanisms in nanocrystalline Pd$_{90}$Au$_{10}$
我们利用同步加速器为基础的原位衍射和占主导地位的剪切变形，以确定，解剖，并量化相关的变形机制，在纳米晶$\mathrm{Pd}_{90}\mathrm{Au}_{10}$的晶粒尺寸在10 nm或以下的限制情况下。我们可以确定晶格和晶界弹性，剪切洗牌操作的核心区域的晶界，应力驱动的晶界迁移，位错剪切沿晶格平面的贡献，但是，与显着不同的和非平凡的应力依赖的份额，以整体变形。关于晶格弹性，我们发现胡克线性弹性占上风的最大应力值$\approx$ 1.6 GPa。在/沿晶界传播应变的剪切洗牌随着载荷的增加而逐渐增加，以在宏观塑性状态下承载约三分之二的总应变。应力驱动的晶界迁移需要克服略低于$\approx$ 1.4 GPa的屈服应力的阈值应力，并对总应变贡献$\approx$ 10%的份额。明显的位错活动开始于$\approx$ 0.9 GPa的应力值，然后增加并最终传播到总应变的最大份额$\approx$ 15%。在低于0.9 GPa的应力状态下，其特征在于切线模量显著降低，剪切洗牌和晶格和晶界弹性专门操作。在这种制度下的材料响应似乎表示非线性粘性行为，而不是与在传统的面心立方金属中观察到的加工硬化或应变硬化相关。
2017-09-18 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure evolution and densification during spark plasma sintering of nanocrystalline W-5wt.%Ta alloy
研究了Ta对纳米晶W在非等温和放电等离子烧结过程中的致密化和组织演变的影响。纳米晶W-5 wt.%采用机械合金化法合成了钽合金粉末。使用X射线衍射线轮廓分析，其特征在于彻底的纳米晶粉末。此外，还利用透射电镜研究了纳米晶粉末在非等温烧结过程中的收缩行为。随后，使用高达1600 °C的放电等离子体烧结来固结合金粉末。利用电子背散射衍射技术研究了Ta在放电等离子烧结纳米晶W过程中对组织的稳定作用。放电等离子烧结W-5 wt.%的平均晶粒尺寸观察到Ta合金为1.73微米。
2020-07-25 cond-mat.mtrl-sci
Numerical modeling of microstructure evolution in nanocrystalline alloys - grain boundary segregation, solute drag and mechanics
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文提出一种三维有限应变相场有限元框架，统一模拟纳米晶合金的晶界偏聚、溶质析出及力学相互作用，为稳定晶粒尺寸提供数值工具，验证了框架适用性并解释相关效应。
2026-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Influence of oxygen on thermal stability of nanocrystalline aluminum studied by positron annihilation spectroscopy
用正电子寿命谱和X射线衍射（XRD）方法研究了纳米铝的热稳定性。这些纳米颗粒通过流动悬浮（FL）方法[1]和电弧放电（DC）方法制备。重点研究了纳米颗粒表面氧化物对结构稳定性的影响。正电子寿命结果表明，两种样品的正电子寿命τ2相对较高，晶界空位团是主要的正电子陷阱。在150 ℃时效84 h后，由表面部分氧化的纳米颗粒组成的样品的平均晶粒尺寸几乎不变，而由纯纳米Al组成的样品的平均晶粒尺寸增大。在150 ℃时效时，纳米颗粒表面的部分氧化阻碍了晶粒的生长，与Al2O3有关的空位团簇需要较长的时效时间才能分解，这意味着氧化物稳定了纳米材料的微观结构。这一效果有利于数控材料保持优良的性能。
2015-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Grain boundary metastability controls irradiation resistance in nanocrystalline metals
本研究针对纳米晶金属抗辐照机制，提出辐照损伤演化模型，揭示晶界亚稳态动态调控其缺陷吸收能力的规律，解释了无缺陷区坍塌及缺陷网络形成的机制。
2024-04-15 cond-mat.mtrl-sci
