Influence of microstructure on the application of Ni-Mn-In Heusler compounds for multicaloric cooling using magnetic field and uniaxial stress
利用Ni-Mn基变磁形状记忆合金对不同外界刺激（如磁场、单轴应力和静水压力）的巨热响应的新型多热制冷是一种有希望的节能环保制冷候选方案。然而，在文献中很少讨论当几个外场同时或顺序施加时微观结构的作用。本文采用真空吸铸法和电弧熔炼法合成了Ni-Mn-In三元合金，并分析了合金的微观结构对磁场和单轴应力响应的影响。结合SEM-EBSD和应力-应变数据，揭示了织构对应力诱发马氏体相变的显著影响。结果表明，<001>织构可以大大降低临界相变应力。晶粒尺寸对材料失效的影响进行了论证，并研究了其对磁场诱导相变动力学的影响。建立了温度-应力相图和温度-磁场相图，并用$Δ{s_T}$和$Δ{T_{ad}}$表征了材料的单热性能。将循环$Δ{T_{ad}}$值与在多热量利用滞后循环中获得的值进行比较。事实证明，吸铸微观结构和这两种刺激的组合，使出色的热量效果，在适度的外部领域，可以显着超过单一的热量性能。特别是对于Ni-Mn-In合金，当施加55 MPa的中等顺序应力时，在1.9 T的磁场中的最大循环效应增加超过200%至-4.1 K。我们的研究结果说明了显微组织的至关重要的作用，使用Ni-Mn基变磁性记忆合金的多色冷却。
2021-11-09 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure and Stress Mapping in 3D at Industrially Relevant Degrees of Plastic Deformation
本文利用X射线三维成像技术对变形至极限抗拉强度的铝多晶进行应力成像，揭示了晶粒内应力变化可达晶粒间变化一半，为结构-性能关系和损伤模型提供了关键数据。
2024-05-21 cond-mat.mtrl-sci
Investigating microstructure-property relationships of nonwovens by model-based virtual materials testing
本文采用随机模型生成多种非织造布，通过虚拟材料测试和数值模拟计算几何描述符与渗透率，并拟合参数化回归公式量化微观结构与渗透率关系，发现稍复杂的公式能提升预测能力。
2023-11-23 cond-mat.mtrl-sci
Lattice strain and tilt mapping in stressed Ge microstructures using X-ray Laue micro-diffraction and rainbow-filtering
采用微劳厄衍射和同步彩虹滤波微衍射技术，对高应变悬浮Ge微器件的全应变张量和亚微米尺度的晶格取向分布进行了精确测量。一个数值方法来获得全应变张量的偏应变测量单独也证明和用于更快的全应变映射。我们进行了测量，在一系列的微器件下，无论是单轴或双轴应力，并发现一个很好的协议与数值模拟。这表明了劳厄微衍射在高应变微器件研究中的优越潜力。
2016-06-24 cond-mat.mtrl-sci
Virtual materials testing of ASSB cathodes combining AI-based stochastic 3D modeling and numerical simulations
Ulm University（乌尔姆大学）；University of Southern Denmark（南丹麦大学）；Justus Liebig University Giessen（吉森大学）；Math2Market GmbH（Math2Market有限公司）
本文通过结合AI随机3D建模和数值模拟，研究全固态电池正极的微观结构优化，以提升其离子和电子导电性。
2026-03-24 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
Relating Microstructure and Particle-level Stress in Colloidal Crystals Under Increased Confinement
晶体材料的机械性能可以在约束条件下得到显著改变。这种改变的宏观性能通常由改变的微观结构和内部应力场控制。在这里，我们使用一个平行板的几何形状，应用准静态挤压流粉碎胶体多晶，同时用共聚焦显微镜成像。共聚焦图像用于量化局部结构顺序，并结合局部结构各向异性应力评估（SALSA），确定单颗粒尺度下的应力。我们发现，在压缩过程中，结晶区打破成不同的几何包装的小域。这些领域的特点是高度本地化的压力和偏应力的相关长度的一半，在散装。此外，平均偏应力几乎加倍，表明在高度受限的样品中具有更高的脆性。
2016-10-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Two-dimensional finite element simulation of fracture and fatigue behaviours of alumina microstructures for hip prosthesis
本文描述了一种纯氧化铝微结构（如髋关节假体中发现的微结构）的断裂和疲劳行为的二维（2D）有限元模拟。有限元模型的开发使用实际的Al2O3的微观结构和双线性内聚区法。模拟条件类似于在股骨头和髋关节假体的髋臼杯之间的干接触中的滑动区处发现的那些条件。施加接触应力以在模型中产生裂纹。所施加的应力的大小高于微观尺度下发现的应力。微观结构和接触应力的影响进行了研究裂纹的形成。此外，疲劳行为的微观结构是通过在循环载荷条件下进行模拟。结果表明，在显微结构中观察到的裂纹密度随所施加的接触应力的增加而增加。此外，在给定的接触应力范围内，裂纹密度相对于疲劳循环次数线性增加。同时，随着接触应力的增加，失效循环次数逐渐减少。最后，提出的有限元模拟提供了一种有效的方法来识别断裂和疲劳行为的微观结构提供的微观结构图像是可用的。
2012-04-02 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph
Learning the Stress-Strain Fields in Digital Composites using Fourier Neural Operator
对高性能材料的需求不断增加，导致了具有复杂分层设计的先进复合材料。然而，设计具有目标特性和性能的定制材料微结构是极具挑战性的，因为基于物理的求解器有无数的设计组合和高昂的计算成本。在这项研究中，我们采用基于神经算子的框架，即傅立叶神经算子（FNO）学习二维复合材料的力学响应。我们表明，FNO表现出高保真度的预测的完整的应力和应变张量场的几何复杂的复合材料微观结构，很少的训练数据，纯粹的微观结构的基础上。该模型还表现出zero-shot推广的不可见的任意几何形状的高精度。此外，该模型表现出zero-shot超分辨率的能力，预测高分辨率的应力和应变场直接从低分辨率的输入配置。最后，该模型还提供了高精度的预测等效措施的应力-应变场允许现实的放大的结果。
2022-07-07 cond-mat.mtrl-sci
An artificial neural network for surrogate modeling of stress fields in viscoplastic polycrystalline materials
本工作的目的是开发一个人工神经网络（ANN）的替代建模的粘塑性晶粒微观结构的机械响应。为此，训练基于U-Net的卷积神经网络（CNN）来解释材料行为的历史依赖性。训练数据采用准静态拉伸载荷下von Mises应力场的数值模拟结果的形式。训练的CNN（tCNN）可以准确地再现平均响应以及局部冯米塞斯应力场。tCNN计算未包含在训练数据集中的晶粒微观结构的von Mises应力场，比基于相应初始边界值问题的谱求解器的数值解的计算快约500倍。tCNN还成功地应用于其他类型的微结构形态（例如，矩阵包含类型拓扑）和不包含在训练数据集中的负载水平。
2022-08-29 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure and mechanical properties of constrained shape-memory alloy nanograins and nanowires
我们采用相场方法研究了纳米尺度下的马氏体相变。对于纳米系统，如嵌入刚性基质中的纳米线和纳米颗粒，几何约束和边界条件对马氏体形成有影响，导致新的微观结构-例如在正方形晶格上对齐的点，轴沿<01>-或完全阻止马氏体形成。我们还对纳米线进行了张力测试。应力-应变曲线与整体结果有很大不同。此外，它们受微结构的影响很小-具有不同微结构的纳米线的机械响应可能相似，而具有相同微结构的纳米线可能具有不同的机械行为。我们还观察到，在转变温度下，或略低于它，最宽的线表现为伪弹性，而较宽的线是在记忆形状制度。此外，屈服应力并不随宽度单调变化，它在中间宽度处有一个最小值。
2007-11-07 cond-mat.mtrl-sci
Prediction of local elasto-plastic stress and strain fields in a two-phase composite microstructure using a deep convolutional neural network
本文提出基于3D U-Net卷积神经网络的深度学习框架，通过两步训练策略快速预测两相纤维增强复合材料在加载-卸载路径下的微观弹塑性应力与应变场，大幅提升计算效率。
2023-10-29 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
A model for the interaction of dislocations with planar defects based on Allen-Cahn type microstructure evolution coupled to strain gradient elasticity
在经典弹性理论中，位错的应力场具有$1/r$型奇异性。当这样的位错被认为是与一个艾伦-卡恩型相场描述的微观结构演化，这导致奇异的驱动力的序参量，导致在非物理（和离散化依赖）的预测之间的相互作用的位错和相，孪晶或晶界。我们引入了一个基于第一应变梯度弹性的框架来正则化位错核。它示出，使用的应变能量密度是二次的梯度的弹性形变的结果在非奇异应力，但可能会导致奇异的驱动力，而应变能，这是二次的梯度的全变形张量，正则化的应力和驱动力的序参量，因此是一个合适的选择。使用一个全面的例子证明了该框架的适用性。
2021-07-01 cond-mat.mtrl-sci
Tuning the Interlayer Microstructure and Residual Stress of Buffer-Free Direct Bonding GaN/Si Heterostructures
GAN与Si的直接集成可以提高低成本、大规模和高功率器件应用的巨大潜力。然而，由于其大的晶格和热膨胀系数失配，在Si上直接生长GAN而不使用厚的应变消除缓冲层仍然具有挑战性。在这项工作中，GAN/Si异质界面没有任何缓冲层，成功地在室温下通过表面活化键合（SAB）。利用显微拉曼光谱和透射电子显微镜对GAN/Si异质结的残余应力状态和界面微结构进行了系统的研究。与MOCVD生长在Si上的GAN层中存在的大的压应力相比，SAB键合到Si上的GAN层中观察到显著松弛且均匀的小的张应力，这主要归因于键合界面处形成的非晶层。此外，还发现适当的热退火可以显着调节键合GAN/Si异质界面的界面微观结构和应力状态。这项工作向前迈出了重要的一步，直接将GAN集成到目前的Si CMOS技术中，具有高质量的薄界面，并为GAN电子器件的晶圆级低成本制造带来了巨大的希望。
2023-02-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Stress-driven photo-reconfiguration of surface microstructures via vectorial field-guided lithography
通过向量场引导光刻技术，利用光控制材料应力诱导的微结构重构，实现复杂且多样化的表面架构设计，为光子学、微流体学和生物学提供新平台。
2026-04-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Competing damage mechanisms in a two-phase microstructure: how microstructure and loading conditions determine the onset of fracture
本文研究了两相材料微观结构中韧性软相和相对脆硬相的断裂竞争。一个简单的微观结构模型被用来预测宏观断裂起始。该模型的简单性确保了高效的计算，使全面的研究：大范围的硬相体积分数和屈服应力比，广泛的应用应力状态。这些参数的每个组合使用一个大的（随机）微观结构进行分析。据观察，只有一个阶段占主导地位的宏观断裂起始：在低应力三轴度的软相是占主导地位的，但以上的临界三轴度的硬相接管导致在一个强烈的下降的延展性。这种转变强烈依赖于微观结构参数。如果硬相体积分数小，则即使在高相衬下，断裂起始也由软相主导。在较高的硬相体积分数下，硬相已经在低相衬下占主导地位。因此，这个简单的模型调和了文献中特定参数组合的实验观察结果，这些参数组合可能在过去引发了相互矛盾的陈述。微观分析表明，两种失效机制的裂纹萌生点附近的平均相分布几乎相同。沿着拉伸方向，发现硬相区域直接靠近断裂起始位点。这种硬相的“带”被与剪切对齐的软相的“带”穿过断裂起始部位。显然，无论断裂起始于软相还是硬相，局部机械不相容性对于断裂的起始是占主导地位的。
2016-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Predicting Peak Stresses In Microstructured Materials Using Convolutional Encoder-Decoder Learning
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）；Stanford University（斯坦福大学）；Center for Nonlinear Analysis（非线性分析中心）
本文提出卷积编码器-解码器深度学习方法，从合成微结构预测线弹性应力场并检测峰值应力簇，实验表明其能准确捕捉簇的几何特征。
2022-01-03 cond-mat.mtrl-sci cs.LG math.AP
Predicting the morphologies of γ' precipitates in cobalt-based superalloys
具有γ/γ'微观结构的钴基合金具有成为下一代高温合金的潜力，但必须优化合金成分和加工步骤以改善粗化、蠕变和筏化行为。虽然这些行为与镍基高温合金不同，但可以通过了解影响微观结构演变的热力学因素来加速合金的开发。本文利用第一性原理密度泛函理论和实验数据建立了Co-Al-W γ'相平衡形状的相场模型。进行三维模拟的单个和多个沉淀物，以了解弹性和界面能对粗化和筏状微观结构的影响;弹性能取决于弹性刚度，失配应变，沉淀物尺寸，施加的应力，和沉淀物的空间分布。我们观察到依赖于所施加的应力的类型的特征微观结构，其具有在实验中看到的相同的γ'形态和取向，这表明来自共格γ/γ'界面的弹性应力对于蠕变期间的形态演变是重要的。结果还表明，γ'沉淀物之间的窄γ通道是积极有利的，并提供了一个解释实验观察到的定向粗化发生没有任何施加应力。
2017-09-06 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning materials physics: Deep neural networks trained on elastic free energy data from martensitic microstructures predict homogenized stress fields with high accuracy
我们提出了一种方法来数值均匀化的弹性响应的微结构。我们的工作使用了深度神经网络表示，这些表示是在从马氏体相变的直接数值模拟（DNS）中获得的数据上训练的。导致微观结构的微观模型是基于非凸自由能量密度函数，产生马氏体变体，必须扩展到有限应变下的弹性梯度理论。这些应变梯度引入了界面能，并简化了模型，使大量的解决方案，每个具有精细的层压微观结构的入场。这些DNS解决方案的数值刚度和响应的精细尺度使得获得数据的成本很高，同时也促使人们为了工程设计的目的而寻找其响应的均匀化表示。通过使用标量自由能量密度数据在有效响应上训练深度神经网络（DNN）来降低问题的高维性。我们方法的新颖之处在于，经过训练的DNN还返回了衍生数据的高保真表示，特别是压力。这允许通过DNN表示再现连续弹性的经典超弹性响应。还包括详细的超参数优化研究，以及数据集大小的收敛性。
2019-01-02 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Adapting U-Net for linear elastic stress estimation in polycrystal Zr microstructures
提出了一种改进的U-Net卷积神经网络结构来估计a-Zr（hcp）多晶晶粒结构中的线弹性相容应力。使用VGrain软件生成训练数据，其中规则性α为0.73，晶粒结构和ABAQUS的均匀随机取向使用有限元法评估应力焊接。初始数据集包含200个样本，其中20个样本从训练中保留以进行验证。使用CPU或GPU，该网络可提供约200倍至6000倍的加速，与有限元分析相比，可节省大量内存，准确度可降低10%。网络性能不相关的晶粒结构的规则性或纹理，显示泛化的网络超出了任意Zr晶体结构的训练集。测量了使用200和400个样本进行训练时的性能，发现当数据集的大小增加一倍时，准确率提高了约10%。
2023-03-15 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Three-dimensional study of grain scale tensile twinning activity in Mg: A combination of microstructure characterization and mechanical modeling
拉伸孪晶是六方密排结构金属中的主要变形方式，因此全面了解孪晶机制具有重要意义，而二维或小体积三维表征技术还不能完全揭示孪晶机制。利用大面积三维电子背散射衍射（EBSD）技术和晶体塑性模型研究了镁合金的拉伸孪晶行为。结果表明，使用传统的2D EBSD扫描，拉伸孪生活动被低估。当压缩到屈服点时，二维EBSD所检测的孪晶频率低于三维EBSD。研究了Schmid因子（SF）对孪晶的影响。几乎所有高Schmid因子（SF> 0.35）的晶粒都是孪生的。在中等SF（0.35>= SF>= 0.15）晶粒中观察到82%的令人惊讶的高孪生频率，这是出乎意料的，因为认为中等SF晶粒不利于孪生。低SF（SF <0.15）颗粒中的孪晶频率从二维到三维EBSD略有增加，这是由于孪晶体积小。高SF晶粒中的剪切应力保持较高水平且分布均匀，有利于孪晶形核和长大。剪切应力在中间SF晶粒内分布不均匀，孪晶在正剪切应力区域内形核。低SF晶粒中的剪切应力不利于孪晶的形成，孪晶发生在应力积累附近。同一籽粒的孪生活动在不同层次上存在差异。这是由于粮食环境变化引起的应力波动造成的。
2023-03-07 cond-mat.mtrl-sci
A microstructure-sensitive electro-chemo-mechanical phase-field model of pitting and stress corrosion cracking
本文提出一种微结构敏感的电-化学-力学相场模型，通过引入晶体取向依赖性和双电层边界条件，揭示了多晶微结构对点蚀与应力腐蚀缺陷形态和动力学的显著影响。
2024-03-29 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
A phase-field study of elastic stress effects on phase separation in ternary alloys
大多数商业上重要的合金是多组分的，作为加工的结果产生多相微观结构。当共存相是弹性共格时，这些相之间的弹性相互作用在微观结构的发展中起着重要作用。为了阐明当微观结构中存在两个以上的失配相时弹性应力对微观结构演化的关键影响，我们建立了一个二维的微弹性相场模型来研究三元合金体系中的相分离。一组耦合的Cahn-Hilliard方程的组成字段的数值解支配的三相微结构的时空演化。该模型采用Khachaturyan的微弹性理论相之间的相干应变相互作用。我们系统地改变相之间的失配应变（幅度和符号）以及大块合金组合物，以研究它们对相的形态发展和所产生的相分离动力学的影响。我们还改变了相之间的界面能的比例，以了解形态演化的弹性和界面能之间的相互作用。的迹象和程度的错配影响应变分配的阶段之间的调幅分解，从而影响其组成的历史和形态。此外，应变分配影响溶质分配和改变动力学的相粗化。与具有较低错配的那些相相比，与较高错配应变相关联的相看起来更粗并且表现出更宽的尺寸分布。当界面能满足完全润湿条件时，相分离会导致稳定的核-壳形态的发展，这取决于核（润湿）和壳（润湿）相之间的错配。
2019-04-16 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure sensitive recurrent neural network surrogate model of crystal plasticity
本研究开发了一种微结构敏感的循环神经网络代理模型，直接从三维晶粒结构预测晶体塑性均匀化应力响应，误差仅2-3 MPa，可替代传统本构更新，实现快速多尺度建模与不确定性量化。
2025-10-08 cond-mat.mtrl-sci
Crystal plasticity analysis of deformation anisotropy of lamellar TiAl alloy: 3D microstructure-based modelling and in-situ micro-compression
详细的微观结构表征和原位微柱压缩耦合晶体塑性有限元模拟（CP-FEM），研究在层状TiAl合金的塑性各向异性的微观机制。在模拟和原位实验中的微观结构的考虑，使微观机制负责的高度各向异性的变形响应的TiAl层内和层间尺度上的深入理解。本文研究了γ/α_2层片组织的两种特殊结构，即γ/α_2界面与加载方向成{25}^o和{55}^o。基于微结构的CP-FEM分析表明，{25}^o微柱中的塑性各向异性主要是由超级位错和普通位错的滑移引起的，而{55}^o微柱中的塑性各向异性主要是由纵向超级位错和纵向孪晶引起的。此外，横向超位错更加活跃，使得{25}^o微柱中的变形比{55}^o微柱中的变形更少局部化。此外，CP-FEM模型成功地预测了γ/α_2界面处大量的内应力，这被认为是对TiAl的塑性有害的。然而，正如所证明的模型，有害的内应力可以显着缓解激活的横向变形孪晶，这表明，TiAl的塑性可以提高通过促进横向孪晶。
2019-04-19 cond-mat.mtrl-sci
From Deposition Stress to Surface Reactivity: Strain-Dependent Hydrogen Evolution on Sputtered Platinum Thin Films
Ruhr-University Bochum（波鸿鲁尔大学）；University Duisburg-Essen（杜伊斯堡-埃森大学）；Center for Interface-Dominated High Performance Materials, (ZGH) Ruhr-University Bochum（波鸿鲁尔大学界面主导高性能材料中心）；University of Copenhagen（哥本哈根大学）
研究通过调节溅射压力改变铂薄片的应力状态，发现低压力下薄片具有更高的氢演化反应活性，而高压力导致活性降低，揭示了残余应变、微结构和氢覆盖度的相互作用机制。
2026-05-07 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure sensitive fatigue life prediction model for SLM fabricated Hastelloy-X
提出了一种基于CP-FFT的微结构敏感疲劳寿命预测框架，用于研究SLM制备的Hastelloy-X合金。微观结构通过RVE中晶粒的形状、尺寸和取向分布进入模型，RVE由实验EBSD数据产生。该框架已被应用于建立在两个不同的方向与不同的多晶微观结构的试样，并能够准确地预测其疲劳寿命，使用两个实验进行校准。该模型再现了更好的疲劳性能实验发现，在高应力的样品建立在横向方向，确定这种各向异性的晶粒纵横比的起源。
2022-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Coupled plastic strain- and stress-induced phase transformations and microstructure evolution in Fe-7%Mn alloy in a dynamic rotational diamond anvil cell
Iowa State University（爱荷华州立大学）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；DAC Tools, LLC（DAC工具有限责任公司）；DEVCOM Army Research Laboratory（DEVCOM陆军研究实验室）
该研究在动态旋转金刚石压机中首次探讨Fe-7%Mn合金在高压下的耦合应变和应力诱导相变及微观结构演化，揭示了相变动力学与时间尺度的关系。
2026-09-11 cond-mat.mtrl-sci
A computationally efficient and mechanically compatible multi-phase-field model applied to coherently stressed three-phase solids
工程合金通常表现出多相微观结构。对于模拟固态相变过程中的微观结构演变，CALPHAD引导的多相场模型与细观力学耦合已被证明是一种可靠的模拟工具。然而，它们的效率和精度仍然取决于均匀化方案用于插值的弹性性能在界面区域。在本文中，我们提出了一个相场模型的多相和多组分固体使用部分秩一均匀化计划，强制执行静态和运动学的界面区域的兼容性。为此，我们首先将秩一均匀化方案扩展到多相系统。此外，为了提高计算效率，我们解析求解了线弹性三相固体的静态相容性方程。为了定量的准确性，耦合技术是用来提取的先决条件的热力学和动力学性质的CALPHAD数据库。该模型是在一个开源的有限元框架数值求解。作为数值模拟的应用，对两种弹性应力下含金属间化合物的三相合金Ni-Al和Al-Cr-Ni的微观组织进行了模拟。模型的准确性进行了验证，对平面和同心环接口解析获得的解决方案。我们表明，模拟结果保持不变，不同的界面宽度。除了一个模拟，所有的情况下显示更好的或几乎相等的收敛性相比，使用部分秩一计划的Voigt-Taylor计划。
2023-01-04 cond-mat.mtrl-sci
Effect of alloying and microstructure on formability of advanced high-strength steels processed via quenching and partitioning
研究了淬火配分（Q&P）工艺中合金化和显微组织对先进高强度钢（AHSS）成形性能的影响。对三种不同合金元素组合和残余奥氏体体积分数的Q&P钢进行了单轴拉伸和Nakajima试验。拉伸力学性能的测定，并绘制成形极限图（FLD）。对试样的显微组织进行了分析，发现残余奥氏体含量明显减少。它表明，所有的钢都能够积累更高的量的塑性应变时，使用Nakajima方法测试。所观察到的现象是有关的多轴应力状态和应变梯度通过板厚度导致残留奥氏体的快速转变，以及回火马氏体基体的能力，积累塑性应变。令人惊讶的是，具有最高残留奥氏体体积分数和最高拉伸延展性的Q&P钢在所研究的等级中显示出最低的可成形性。后一种观察结果与促进微裂纹形成的初始新鲜马氏体和应力/应变诱发马氏体的分数的最高总和有关。讨论了回火马氏体基体在Q&P钢成形过程中积累塑性形变的作用和能力。
2021-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Predicting Stress in Two-phase Random Materials and Super-Resolution Method for Stress Images by Embedding Physical Information
本文提出了一种用于双相随机材料应力预测的框架，结合多组成U-Net和混合物理信息神经网络，提升应力图像的超分辨率能力，并通过迁移学习分析不同相体积分数和加载状态下的应力集中区域。
2025-04-26 cond-mat.mtrl-sci cs.AI cs.LG
ELAS3D-Xtal: An OpenMP-accelerated crystal elasticity solver with automated experiment-driven microstructure generation
University of Michigan（密歇根大学）
ELAS3D-Xtal是一种基于OpenMP加速的晶体弹性求解器，结合自动实验驱动微结构生成，用于高效计算多晶体弹性场及缺陷力学分析。
2026-02-07 cond-mat.mtrl-sci
Comparison of two artificial neural networks trained for the surrogate modeling of stress in materially heterogeneous elastoplastic solids
RWTH Aachen（亚琛工业大学）；MPIE Düsseldorf（杜塞尔多夫马克斯·普朗克钢铁研究所）
本工作的目的是系统地比较两个人工神经网络（ANN）的应用程序的代理建模的应力场在材料异质周期性多晶微结构。第一个ANN是用于周期性数据的基于UNet的卷积神经网络（CNN），第二个ANN基于傅立叶神经算子（FNO）。这两个训练，验证和测试结果的边界值问题（BVP）的准静态力学平衡的周期性晶粒微结构与方形域的数值解。更具体地说，这些人工神经网络进行了训练，使材料性能的空间分布与单轴拉伸载荷下的平衡应力场相关联。由此产生的训练的人工神经网络（tANN）计算的应力场为一个给定的微观结构的1000（UNet）到2500（FNO）倍的速度比相应的BVP的数值解。对于测试数据集中的微观结构，基于FNO的tANN，或简称FNO，比基于UNet的对应物更准确;前者不同应力分量的归一化平均绝对误差为0.25-0.40%，而后者为1.41-2.15%。FNO中的误差仅限于晶界区域，而U-Net中的误差也来自晶粒内部。与U-Net相比，FNO中的误差对空间分辨率的大变化以及颗粒密度的小变化更鲁棒。另一方面，U-Net中的误差对边界框纵横比的变化具有鲁棒性，而FNO中的误差随着域变为矩形而增加。然而，这两种tANN都不能再现强应力梯度，特别是在应力集中区域周围。
2022-10-31 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Construction of 3D-Ferroelectric Polarization Microstructure and Detection of Polarization Invariants under Induced Flexoelectric Strains
Indian Institute of Technology Hyderabad（印度理工学院海德拉巴分校）
本研究开发结合PFM的极化分量分辨成像技术，在BCZT薄膜中引入挠曲电应变检测到高压下的单斜相新极化不变量，为异相多晶体系逆模型开发奠定基础。
2026-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Grain boundary-induced martensitic transformations: A phase-field study of nucleation, size-effect, triple junction-effect, microstructures, and compatibility at the nanoscale
基于Ginzburg-Landau型多相相场方法，提出了一种考虑界面结构应力的纳米尺度下多晶材料晶界诱发马氏体相变的数值模拟方法。在该方法中，N个独立的序参量用于描述奥氏体（A）<->马氏体（M）相变和N（>1）个马氏体变体，另外M个独立的序参量用于描述多晶样品中的M（>1）个晶粒。利用GB（s）的可变能量作为与AM变换有关的序参量的函数，考虑了由于MT期间其结构重排而引起的GB能量的变化<->。一个丰富的绘图之间的转变温度的A，预马氏体，和M的双晶体与对称的平面倾斜GB绘制不同的奥氏体GB宽度。在具有对称或非对称平面或圆形倾斜的各种双晶中探索了参数（包括奥氏体GB宽度、由于MT引起的GB能量变化、GB取向差、施加的应变和样品尺寸）对相的非均匀形核以及随后复杂的马氏体微观结构演变的强烈影响。GB在正向和反向转变期间。三重结（TJ）的能量和相邻的GB的能量和宽度也被示出强烈影响的成核和微结构使用具有三个对称的平面倾斜GB的三晶体。研究了微结构在晶界上的相容性。绘制了跨GBs和TJ区域的弹性和结构应力，这对于理解GBs和TJ在材料失效中的作用至关重要。
2022-06-18 cond-mat.mtrl-sci
Electron microscopy study of scratch-induced surface microstructures in an Al-Cu-Fe icosahedral quasicrystal
利用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）研究了WC-Co压头在单相AlCuFe二十面体准晶（IQC）表面划痕试验中引起的显微组织变化。划痕被证明包括许多较小的轨道。发现位错从较小划痕的边缘出现。沿着剪切应力集中的小轨迹，从IQC到体心立方（b.c.c.）相的晶格参数a=0.29 nm。一个调制准晶状态，以及IQC的变形孪晶被确定在划痕下方的区域。
2020-10-26 cond-mat.mtrl-sci
Influences of Granular Constraints and Surface Effects on the Heterogeneity of Elastic, Superelastic, and Plastic Responses of Polycrystalline Shape Memory Alloys
采用实验和模拟相结合的方法研究了多晶记忆合金在超弹性应力作用下的变形不均匀性。原位X射线衍射，特别是远场高能衍射显微镜（ff-HEDM）技术被用来非破坏性地测量的位置，晶体取向，弹性应变张量和体积为数百个奥氏体晶粒在超弹性加载的镍钛（NiTi）形状记忆合金的晶粒平均统计。该实验数据还用于在有限元模型内创建合成微结构。然后，利用各向异性弹性力学模拟拉伸加载过程中的晶内应力的发展。从这些应力中计算出相变和滑移的驱动力。单个奥氏体晶体的晶粒平均响应检查之前和之后的多个应力诱导的转变事件表明，在试样内部的晶粒进行更多的应力和塑性变形小于表面晶粒的超弹性响应摇下来。单个晶粒内的异质性检查表明，晶界附近的区域表现出较大的应力变化相比，晶粒内部。这种晶内异质性更强烈地驱动的约束，相邻的晶粒比初始应力状态和个别晶粒的取向。
2017-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Influence of orientation-dependent lath martensite yielding on the hardening behavior of quenched martensitic steels
淬火马氏体显微组织中塑性开始的特征在于低的初始屈服应力，随后是极强的初始硬化响应，然后是突然的硬化饱和。文献将这种行为归因于从马氏体相变继承的残余应力和位错，或者归因于导致晶粒之间强度差异的微观结构不均匀性。在这里，我们认为，由于板条间的滑动，诱导子结构边界滑动机制，板条马氏体的取向相关屈服，也可能有助于显着观察到的行为。为了证明这一点，我们系统地研究了它的定量贡献的弹塑性转变行为的数值微观结构模型。在模拟中，我们采用了一个有效的层压模型的马氏体包，考虑到屈服各向异性由于沿包的惯习面方向滑动。考虑到碳含量的影响，考虑了具有不同水平板条强度的马氏体显微组织。结果表明，具有良好的习惯面取向的马氏体包开始屈服较早，与那些具有不利的取向，最初保持弹性。因此，微观结构的宏观尺度响应表现出低屈服应力，随后是显著程度的初始硬化，其持续直到接近饱和应力水平。表观加工硬化率取决于模型中使用的习惯平面和习惯平面屈服强度之间的对比。
2022-11-16 cond-mat.mtrl-sci
Thermo-mechanical FE model with memory effect for 304L austenitic stainless steel presenting microstructure gradient
本研究的主要目的是确定，通过三维有限元分析（FE），应力和应变场的内表面的管状试样提交热机械疲劳。为了研究表面光洁度对内表面疲劳性能的影响，在各种热载荷下对实际尺寸的管状试样进行了机械试验。测试前，在试样内表面处和下进行的X射线测量、透射电子显微镜观察和显微硬度测试揭示了残余内应力和与加工硬化梯度相关的大位错显微结构梯度。在弹粘塑性模型中引入了与预硬化梯度有关的记忆效应，以确定内表面的应力应变场。首先通过热弹性模型计算管状试样内表面上的温度演化，然后用于我们的热机械模拟。热-机械模型参数的确定基于在20^{ \circ }C和300^{ \circ }C下进行的实验稳定循环拉伸-压缩测试。数值稳定的牵引-压缩循环曲线（有和没有预应变）和实验之间得到了很好的一致性。该三维模拟提供了在测试期间轴向和切向内部应力和局部应变的演变。数值结果表明：40次循环后，切向应力降低并趋于稳定，而轴向应力随循环次数的增加而降低的趋势较弱。结果还指出，棘轮效应和轻微的非比例载荷的内表面。计算得到的稳定循环的平均应力和应变值与初始值相差甚远，可用于获得与疲劳相关的标准设计的安全裕度，以及获得使用更先进的疲劳分析和准则所需的准确载荷条件。
2013-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph
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
Kink-pair mechanism and low temperature flow-stress behaviour of strontium titanate single crystals
本文通过扭结对模型解释钛酸锶单晶低温A区流动应力突变，揭示扭结对形成从短段到长段的转变，拟合参数物理合理。
2024-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Effects of mechanical stress, chemical potential, and coverage on hydrogen solubility during hydrogen-enhanced decohesion of ferritic steel grain boundaries: A first-principles study
本文通过第一性原理计算研究铁素体钢两类对称倾转晶界中应力、化学势和覆盖度对氢溶解度及氢致脱聚的影响，发现应力可促使氢向更强晶界重新分布，并分析了C、V、Cr、Mn合金元素的作用，为抗氢脆微观结构设计提供依据。
2024-07-02 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale perspective on the stress-corrosion cracking behavior of a peak-aged 7XXX-Al alloy
高强度7 xxx铝合金目前常用于航空航天领域，预计将越来越多地用于汽车行业以减轻重量。然而，这些合金可能对应力腐蚀开裂（SCC）敏感，这取决于回火和负载条件。合金的晶粒结构和成分被认为在确定SCC敏感性方面起关键作用。在这里，我们在纳米尺度上研究了7140铝合金的两种不同的模型变体上应力腐蚀裂纹附近的微观结构的演变。我们在热（70°C）潮湿空气中对在四分之一厚度（T/4）和中等厚度（T/2）下提取的样品进行了双悬臂梁（DCB）裂纹扩展测试，并对非工业、SCC敏感的T6条件进行了热处理。在T/4下的样品显示出较低的KISCC以及较平坦的晶粒和较高的溶质含量，而两种样品在较高的应力强度下表现出相似的裂纹扩展速率。我们报告的沉淀溶解和基体溶质富集裂纹尖端附近，与T/4的位置呈现较高的溶质水平的增加。裂纹前的近晶界显微组织发生了变化，有沉淀溶解和溶质向应力腐蚀裂纹尖端迁移的迹象。这些结果与最近关于另一种7 xxx铝合金在Cl溶液中SCC后的报告一致，支持这些机制通常发生的可能性。我们将我们的研究结果与测量的SCC行为，并提供了一系列可能的机制，可以广泛适用于高强度铝合金的SCC。
2023-03-08 cond-mat.mtrl-sci
Significance of Strain Rate in Severe Plastic Deformation on Steady-State Microstructure and Strength
材料经过剧烈塑性形变后，其微观组织和力学性能趋于稳定。尽管温度对稳态微观结构的影响是众所周知的，但在应变速率的意义和Zener-Hollomon参数在这方面的适用性上还没有达成普遍一致。在这项研究中，几种纯金属（铝，铜，钛，铁）和Cu-30 Zn（重量%）黄铜合金已被处理的高速高压扭转（HPT）设备与可控的旋转速度在0.06至60 rpm的范围内。据发现，微晶/晶粒尺寸，位错密度，显微硬度和剪切应力在稳定状态下是合理的速率无关的冯米塞斯应变速率在0.004至20 s-1的范围内。由于晶粒细化和动态再结晶的速率都与应变速率成正比，因此建议它们的平衡（决定稳定状态）与速率无关。
2023-01-07 cond-mat.mtrl-sci
Well-Ordered "Ripple-Shaped" Microstructures of Mn Thin Films on GaAs Substrates
研究了用热蒸发法在GaAs衬底上沉积Mn薄膜时薄膜厚度对薄膜形貌的影响。在相同条件下沉积Ni膜，以相对于Mn膜进行形态变化的比较研究。扫描电子显微镜和原子力显微镜的研究表明，波纹状结构的Mn膜具有良好的周期性，而Ni膜只表现出小颗粒沉积在整个表面。清楚地观察到Mn膜的厚度对产生波纹结构的影响。此外，退火时间被认为是控制波纹结构有序性的主要参数。X射线衍射分析表明，退火过程中由于原子扩散，形成了不同的Ga-Mn和Mn-As相。提出了一个应力驱动微结构的模型，指出Mn薄膜在GaAs衬底上的生长分三个阶段：在初始阶段，薄膜通过二维成核过程生长，随着薄膜厚度的增加，薄膜通过产生额外的表面粗糙度释放应力，产生波纹;最后由于应力沿膜表面的不均匀分布而发生岛状生长。
2019-11-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Chemo-Mechanical Phase-Field Modeling of Iron Oxide Reduction with Hydrogen
用碳载体还原铁矿石是该行业最大的温室气体排放源之一，促使全球活动以氢基直接还原（HyDR）取代焦炭基高炉还原。氢还原铁氧化物已在实验和理论上进行了广泛的研究。该过程包括多种类型的化学反应、固态和缺陷介导的扩散（通过氧和氢物种）、几种相变以及大量体积收缩和机械应力积累。本文建立了化学-机械耦合相场（PF）模型，探讨了相变、化学反应、组分扩散、大弹塑性形变和微观结构演化之间的相互作用。该模型的能量本构关系是基于系统的自由能，这是校准的热力学数据库的帮助下。该模型已首次应用于经典的核-壳（方铁矿-铁）结构。模拟结果表明，从方铁矿到α-铁的相变可以导致高应力和快速减速的反应动力学。机械应力可以向系统贡献弹性能量，使得相变困难。因此，观察到缓慢的反应动力学和低金属化。然而，如果应力变得相对较高，则可以将自由能的形状从双阱情况转移到单阱情况，并加速转变。该模型已被进一步应用于模拟一个实际的氧化铁试样，其复杂的微观结构，其特征在于电子显微镜。模拟结果表明，在微观结构中的孤立的孔隙充满水蒸气在还原过程中，影响当地的反应气氛和动力学的效果。
2021-11-22 cond-mat.mtrl-sci
Strengthening and toughening mechanisms in heterostructured laminates revealed by a phase field-enhanced crystal plasticity simulation
Sichuan Province Key Laboratory of Advanced Structural Materials Mechanical Behavior and Service Safety, School of Mechanics and Aerospace Engineering, Southwest Jiaotong University（西南交通大学力学与航空航天学院）；School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University（西南交通大学材料科学与工程学院）；Department of Engineering Mechanics, School of Aeronautics and Astronautics, Zhejiang University（浙江大学航空航天学院工程力学系）；WW8-Materials Simulation, Department of Materials Science, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡大学材料科学系）
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
Kinetics of coherent order-disorder transition in $Al_3 Zr$
在相场方法，考虑到应变诱导弹性，相干有序-无序转变的动力学研究的特定情况下的$Al_3 Zr$合金。结果表明，立方$L1_2$沉淀物的微观结构出现在一个均匀的无序的固溶体分解成一个微观结构的过程中的瞬态与tetraphylocene $DO_{23}$沉淀物嵌入到一个无序的矩阵。在足够低的温度下，在弱内应力的作用下，仅$L1_2$沉淀物在$DO_{23}$沉淀物成核之前的瞬时微观结构中生长，该成核仅发生在固溶体与$L1_2$沉淀物的界面处。在纳米尺度下的微观结构的分析显示了一个特征棒形状的$DO_{23}$沉淀物，由于其tetraphite对称性和它们的大的内应力的组合。
2001-09-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Machine learning-based sampling of virtual experiments within the full stress state
本文提出基于主动学习的机器学习采样方法，在全应力状态下高效采样虚拟实验以识别各向异性屈服函数参数，相比现有方法效率更高，并发现Yld2004-27p能准确表征DX56D钢的面内与面外各向异性。
2024-04-19 cond-mat.mtrl-sci
A multiphase phase-field study of three-dimensional martensitic twinned microstructures at large strains
本文提出了一种在纳米尺度和大应变条件下应力和温度诱导马氏体相变的多相场方法。对于具有N个变体的材料，考虑总共N个独立的序参量，其中一个序参量描述A <->M变换，并且剩余的N-1个独立的序参量描述变体之间的变换。在系统的自由能内使用非矛盾的梯度能来解释界面的能量。此外，提出了一个非矛盾的动力学关系的序参量的速度与热力学驱动力。由此导出了一个关于序参量的相容耦合Ginzburg-Landau方程组。孪晶内孪晶的晶体学解决方案，提出了立方到四立方变换。采用相场法和基于大应变的非线性有限元法对三维复杂孪晶中孪晶微结构进行了数值模拟。晶体学解和模拟结果之间的比较研究。
2022-06-25 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
Simulations of multivariant Si I to Si II phase transformation in polycrystalline silicon with finite-strain scale-free phase-field approach
采用无标度相场方法（PFA）和相应的有限元方法（FEM）模拟了多晶聚集体中立方Si Ⅰ到四元Si Ⅱ的马氏体相变（PT）。该模型的重要特征是大的和非常各向异性的相变应变张量$\varepsilon_{t}=\{0.1753;0.1753; -0.447\}$和应力张量依赖的非热耗散阈值PT，这产生了计算的基本挑战。具有55和910随机取向晶粒的3D多晶体在周期性边界条件和零平均横向应变下经受单轴应变和应力控制载荷。耦合演化的离散马氏体显微组织，马氏体变体和Si II的体积分数，应力和相变应变张量，和织构的介绍和分析。宏观变量有效地代表多变量的转换行为。55和910晶粒的宏观应力-应变和相变行为接近（差异小于10%）。这使得宏观本构方程的确定，通过处理骨料与少量的颗粒。大的相变应变和晶界导致数十GPa的巨大内应力，影响微观组织演变和宏观行为。与单晶相反，由于PT和负的局部切线模量的局部机械不稳定性在宏观尺度上通过由晶界阻止/减缓Si II区域的生长并产生内部背应力来稳定。这导致PT期间的压力增加。所开发的方法可用于研究类似的PT与大的转化菌株，并进一步发展，包括塑性应变和应变诱导的PT。
2023-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure, tensile behavior and cyclic bendability of directly extruded biodegradable Zn, Zn-Mg and Zn-Mg-Sr wires
Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学）；FZU - Institute of Physics of Czech Academy of Sciences（捷克科学院物理研究所）；Faculty of Mechanical Engineering, Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学机械工程学院）；University of Chemistry and Technology（化学技术大学）
本研究通过直接挤压制备了纯锌及Zn-Mg、Zn-Mg-Sr细线，发现合金化显著细化晶粒并提升强度，但所有线材循环弯曲性能差，归因于孪晶-去孪晶机制，阻碍了弯曲关键型生物医学应用。
2026-09-23 cond-mat.mtrl-sci
Stress transmission in wet granular materials
利用三维分子动力学模拟分析了摇摆状态下湿颗粒介质中的应力传递。我们表明，毛细管债券的拉伸作用诱导自应力粒子网络组织在两个相互作用的“阶段”的积极和消极的粒子压力。微观结构和键合力网络的各种统计描述符被用来表征这种分区。出现两个基本属性：1）最高的颗粒压力位于每个相的主体中; 2）最低的压力水平发生在两相之间的界面处，还涉及通过拉伸和压缩键的颗粒的最大连接性。当施加围压时，拉伸键的数量减少，负相断裂成聚集体和孤立的位点。
2007-01-10 cond-mat.mtrl-sci
