Notch fracture toughness of glasses: Rate, age and geometry dependence
了解玻璃的断裂韧性（电阻）是一个基本的问题，主要的理论和实践的重要性。在这里，我们从理论上研究了它的加载速率，年龄（历史）的玻璃和缺口半径$ρ$的依赖性。降维分析表明，缺口断裂韧性的结果之间的竞争的初始，年龄和历史相关的，塑性松弛时标$τ^{pl}_0$和有效的加载时标$τ^{ext}(\dot{K}_I,ρ)$，其中$\dot{K}_I$是拉伸应力强度因子率。预测韧性与$\sqrtρ$成比例，与$ξ\!\ll\! 1$的$ξ\!\equiv\!τ^{ext}\!/τ^{pl}_0$无关，与$ξ\!\gg\!1$的$T\sqrtρ\,\log(ξ)$成比例（与热活化相关，其中$T$是温度），并在交叉区域$ξ\!\sim\!{\cal O}(1)$具有非单调行为（与塑性屈服动力学相关）。这些预测验证使用新的二维计算，提供了一个统一的图片的缺口断裂韧性的玻璃。该理论强调了时间尺度竞争的重要性，远离稳态弹粘塑性动力学的韧性的理解，并表明，后者的变化相当显着的玻璃年龄（历史）和施加的加载速率。为大块非晶合金提供了实验支持。
2016-04-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Resolving room temperature microscale fracture and plasticity of iron oxides along the cascade of iron ore reduction via nanoindentation and microcantilever bending
Max Planck Institute for Sustainable Materials（马克斯·普朗克可持续材料研究所）
本研究利用纳米压痕和微悬臂梁断裂测试，表征了赤铁矿、磁铁矿和方铁矿在室温下的塑性及断裂行为，获得了硬度、弹性模量和断裂韧性等力学性能，为氢基直接还原过程中的断裂和磨损预测提供了材料模型参数。
2026-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Gradient-enhanced statistical analysis of cleavage fracture
我们提出了一个脆性断裂的概率框架，建立在威布尔统计和应变梯度塑性。本构响应由基于机制的应变梯度塑性理论给出，旨在通过考虑塑性应变梯度在提升裂纹前局部强化中的作用来准确表征裂纹尖端应力。它示出的梯度的塑性应变提高威布尔应力和故障的概率为一个给定的选择的阈值应力和威布尔参数。提出的统计框架是用来估计在铁素体钢的温度故障概率。该框架有能力估计三个统计参数存在于威布尔型模型，而无需任何事先假设。对实验数据的校准表明，应变梯度塑性和传统的J2塑性获得的值的重要差异。此外，局部概率图表明，潜在的损伤萌生点更接近裂纹尖端的情况下，梯度增强塑性。最后，通过计算随温度升高的解理阻力曲线，研究了整个韧脆区的断裂响应。梯度塑性预测似乎显示出更好的协议与实验。
2019-05-08 cond-mat.mtrl-sci
Ductile fracture of HDPE thin films: failure mechanisms and tuning of fracture properties by bonding a rubber layer
本文揭示了HDPE薄膜在颈缩/塑性区边界而非最大拉伸处失效的韧性损伤机制，并证明引入SEPS橡胶中间层可将失效模式从损伤驱动转为拉伸驱动，从而提升缺陷容忍性和可拉伸性。
2025-09-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
On fracture in finite strain gradient plasticity
在这项工作中，损伤和断裂评估的一般框架，包括应变梯度的影响。采用有限变形理论对基于力学和唯象的应变梯度塑性（SGP）理论进行了数值模拟，并对裂纹尖端场进行了研究。在连续SGP建模的两种方法之间的差异和相似之处突出和讨论。局部应变硬化促进的几何必要位错（GNDs）在裂纹附近导致更高的应力，相对于经典的塑性预测。当考虑到大应变时，由于应变梯度对材料加工硬化的贡献，这些差异显著增加。在裂纹尖端的应力升高的幅度和距离的裂纹，GNDs显着改变应力分布的量化。SGP占主导地位的区域延伸超过有意义的物理长度，可以拥抱几种损伤机制的临界距离，特别是氢辅助开裂模型。一个重要的作用，一定的长度参数观察到的多参数版本的唯象SGP理论。由于这也占主导地位的力学压痕测试，结果表明，长度参数特性的模式I断裂应推断从纳米压痕。
2017-11-03 cond-mat.mtrl-sci
Mechanistic transition between inter- and trans-granular creep cracking via a unified crystal plasticity-fracture framework
Tsinghua University（清华大学）；Beijing University of Technology（北京工业大学）
该研究通过统一晶体塑性-断裂框架，揭示了应力依赖的晶间与穿晶蠕变开裂机制转变，并量化了微观断裂机制与宏观蠕变断裂行为（如延性和寿命）的联系。
2026-10-07 cond-mat.mtrl-sci
Modeling damage and fracture within strain-gradient plasticity
在这项工作中，塑性尺寸效应对金属材料的断裂过程的影响进行了数值分析，使用应变梯度塑性（SGP）理论建立从泰勒位错模型。由于大的变形通常发生在裂纹附近，所选择的SGP理论的数值框架，允许大的应变和旋转。在商业有限元（FE）代码的用户子程序中实现的材料模型，和裂纹尖端领域进行了彻底的评估，为无穷小和有限变形理论的边界层制定。进行了广泛的参数研究和裂纹尖端的应力分布的差异，与传统的塑性相比，量化。作为一个结果的应变梯度贡献的材料的加工硬化，有限元结果显示了显着增加的幅度和范围之间的差异的应力场的SGP和传统的塑性理论时，被认为是有限的应变。由于距离裂纹尖端的应变梯度显着改变应力场时，被认为是一个数量级更高，结果表明，塑性尺寸效应可能有重要的影响，在建模的几种损伤机制，其影响尚未被认为是在文献中。
2017-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Fracture under body forces: An accessible test and analysis
University of Illinois, Urbana–Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本文提出一种仅靠自重加载的台式悬臂梁V形缺口测试，无需离心机即可研究体力驱动断裂，并首次验证了相关断裂理论。
2026-10-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Ductile fracture modeling by phase field, Hencky strain elasticity and finite J2 plasticity using nonlocal operator method
采用非局部算子法建立了考虑Hencky应变和有限J2塑性的韧性断裂相场模型。用相场模型对有限应变下的J2塑性问题进行了变分推导。该方法包括对数应变张量和指数映射的塑性演化。实现了一种基于谱分解的复合矩阵函数一阶和二阶导数的计算算法。一致的切线刚度矩阵推导并用于牛顿-拉夫森迭代。数值算例验证了该方法的有效性，包括单边缺口板的脆性断裂和韧性断裂，以及杆的颈缩问题。
2023-02-07 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
A Mesoscale Model for Interface-Mediated Plasticity: Investigation of Ductile and Brittle Fracture
City University of Hong Kong（香港城市大学）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；The University of Hong Kong（香港大学）；University of Birmingham（伯明翰大学）
本文提出介观尺度模型研究界面介导塑性，分析韧性与脆性断裂的竞争机制及应变硬化率变化。
2025-05-07 cond-mat.mtrl-sci
Damage modeling in Small Punch Test specimens
小冲杆试验（SPT）中的韧性损伤建模进行了广泛的研究。的SPT可靠地估计断裂和损伤性能的能力进行了彻底的讨论，重点放在缺口试样的使用。首先，不同的缺口轮廓进行了分析和量化的约束条件。缺口形状的作用是全面检查从三轴度和缺口制造的角度来看。之后，提出了一种方法来提取基于细观力学的延性损伤参数从缺口SPT样品的载荷-位移曲线。此外，Gurson-Tvergaard-Needleman模型预测从自上而下的方法来获得洞察的机制，在小冲杆实验裂纹萌生和随后的传播。一个精确的评估，从SPT的微观力学韧性参数是巨大的相关性时，很少的材料。
2017-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Liquefaction-induced Plasticity from Entropy-boosted Amorphous Ceramics
陶瓷容易破碎，并且很少有通用机制可用于改善其机械性能，例如，1975年发现的抗断裂机制严格限于氧化锆和氧化铈。在这里，我们报告了通过液化陶瓷实现高塑性的一般机制。我们进一步公开了通过熵增强的非晶陶瓷（EBAC）实现这一困难任务的一般材料设计策略，其实现了可以承受严重塑性形变（例如，超过95%，变形到几纳米的厚度），同时保持高硬度和降低的模量。本文的研究结果为韧性陶瓷的开发和应用开辟了一条新的途径。
2021-02-01 cond-mat.mtrl-sci
Enhancing plasticity in high-entropy refractory ceramics via tailoring valence electron concentration
高熵陶瓷材料的自底向上设计是实现高硬度和高温抗腐蚀性能的理想途径。这项工作提供了一个简单而基本的设计标准-价电子浓度（VEC）> ~9.5 e-/f. u。以在费米能级处填充键合金属态-用于选择可以形成具有增强的塑性（降低的脆性）的岩盐结构（B1）高熵陶瓷的元素组成。单相B1（HfTaTiWZr）C和（MoNbTaVW）C，选择作为代表性的系统，由于其特定的VEC值，在这里合成和测试。在不同载荷和深度下的纳米压痕阵列统计显示（HfTaTiWZr）C（VEC=8.6 e-/f.u.）（MoNbTaVW）C（VEC= 9.4e-/f.u.）比（HfTaTiWZr）C更硬且更耐断裂。从头算分子动力学模拟和电子结构分析表明，（MoNbTaVW）C在拉伸和剪切变形下的抗再结晶性能的提高可能源于材料的内在能力，即在拉伸屈服点以外进行局部晶格转变，以及相对容易的晶格滑移激活。进行额外的模拟，以遵循作为温度的函数的机械性能的演变，表明（MoNbTaVW）C可以保持良好的抗断裂性高达~900- 1200 K，而（HfTaTiWZr）C预计在所有研究的温度下保持脆性。
2021-03-11 cond-mat.mtrl-sci
Fracture in distortion gradient plasticity
在这项工作中，畸变梯度塑性是用来洞察材料变形的裂纹尖端。这也是首次采用Nye张量作为初始运动变量的梯度塑性理论的断裂力学分析。首先，裂纹尖端场的渐近性质进行了分析研究。我们发现，存在一个内部的弹性区域，邻近裂纹尖端，弹性应变占主导地位的塑性应变和柯西应力遵循线弹性应力奇异性。这一发现是验证了详细的有限元分析，使用一个新的数值框架，它建立在粘塑性本构关系，使捕获率相关和率无关的行为，在一个计算效率高的方式。数值分析是用来获得进一步深入了解的应力升高预测的畸变梯度塑性，相对于传统的J2塑性，和模式I和混合模式断裂条件下的塑性旋转的影响。据发现，奈的张量贡献有一个较弱的效果，在提升的应力在塑性区，同时预测相同的渐近行为的基础上的塑性应变梯度张量的本构选择。一个轻微的敏感性，X，由于塑性自旋的耗散参数，观察。最后，畸变梯度塑性和适当的高阶边界条件被用来适当地模拟沿弹塑性材料界面的脆性破坏现象。我们重现范例实验的铝-蓝宝石界面，并表明，应变梯度硬化和位错堵塞的组合导致界面裂纹尖端应力大于理论晶格强度，合理化解理在双材料界面处存在塑性。
2020-08-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Controlled polymorphic competition -- a path to tough and hard ceramics
本文对应力强度受控的 Ti$_{1-x}$Al$_{x}$N 断裂进行原子模拟，揭示埃尺度塑性及多晶型竞争如何调控陶瓷的强度与韧性。
2025-05-06 cond-mat.mtrl-sci
Plasticity, localization, and damage in ferritic-pearlitic steel studied by nanoscale digital image correlation
铁素体-珠光体钢的变形从塑性到局部化再到损伤的演变是通过纳米分辨率显微组织相关的SEM-DIC（u-DIC）应变映射进行研究的，该映射通过高度精确的显微组织-应变对准实现。我们揭示了铁素体和珠光体的关键塑性机制，以及它们演变成局部化和损伤及其与显微组织排列的关系。值得注意的是，确定了两种对比机制，其控制珠光体中是否发生损伤引发，并且通过铁素体晶粒中局部化热点的连接，可能导致宏观断裂：（i）由于附近铁素体中应变集中的累积，珠光体片层的脆性断裂使具有相对干净的片层结构的珠光体桥开裂，相对于（ii）在珠光体桥中没有损伤的大塑性，具有更“开放”的混乱珠光体形态，这使得层间铁素体通道中的塑性渗流路径成为可能。基于这些见解，建议抗损伤铁素体-珠光体钢。
2021-10-18 cond-mat.mtrl-sci
Meso-scale modelling of the size effect on the fracture process zone of concrete
用细观方法分析了混凝土梁缺口和无缺口三点弯曲试验中断裂过程区的尺寸效应。混凝土在细观尺度上被模拟为嵌入在由弱界面分离的软基质中的刚性骨料。的三个阶段的机械响应建模的离散晶格的方法。模型参数的选择，使整体模型的响应形式的负载裂纹张开位移曲线与文献中报道的实验结果一致。通过对随机细观分析的耗散能量密度空间分布的平均值进行数值计算，确定了混凝土断裂过程区。通过对不同梁尺寸和边界条件的计算结果进行比较，研究了梁尺寸和边界条件对混凝土断裂过程区的影响。
2012-03-20 cond-mat.mtrl-sci
Modeling the Effects of Slip, Twinning, and Notch on the Deformation of Single-Crystal Austenitic Manganese Steel
本研究通过有限元模拟和实验，揭示了滑移、孪生和缺口对单晶奥氏体锰钢变形的相互作用机制。
2025-12-09 cond-mat.mtrl-sci
Characterisation of microstructural creep, strain rate and temperature sensitivity and computational crystal plasticity in Zircaloy-4
采用弯曲蠕变试验、数字图像相关、电子背散射检测和热机械拉伸试验相结合的方法，结合晶体塑性模型，研究了Zr-4合金的晶级应变速率敏感性和温度敏感性。从室温微尺度蠕变中提取晶体速率敏感特性，从热多晶响应中提取温度敏感特性。晶体塑性实验结果表明，由于交叉滑移激活，在缺口尖端附近观察到较大的微尺度蠕变应变，最大可增加50%。微尺度SRS是高度非均匀的，其晶体学敏感性依赖于塑性形变速率和潜在的基于晶粒的位错滑移激活。金字塔<c+a>滑移和总位错堆积是温度敏感织构对屈服和强度硬化的影响。多晶体的真实重构和准确的速率敏感单晶性质是捕获多尺度SRS的关键。
2021-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Micro-structure of damage in thermally activated fracture of Lennard-Jones systems
本文研究了在恒定外载荷作用下，热涨落对Lennard-Jones固体宏观断裂前的临界应力和损伤微结构的影响。基于有限温度下缺口试样的分子动力学模拟，我们表明，在第二蠕变制度的裂纹前的晶体结构得到扭曲。表征晶格畸变的空间分布的损伤轮廓由指数形式很好地描述。指数形式的特征长度提供了被发现是温度的递增函数的损伤的尺度：在低温下，损伤强烈地局部化到裂纹尖端，而在高温下，损伤延伸到更宽的范围，导致更有效的松弛过载。因此，应力强度因子随温度的升高而降低。系统的最终宏观失效突然发生，这是由空位和空洞的产生引发的。蠕变强度表现出平方根的反比缩放与缺口尺寸的过程区的延伸校正。
2011-06-30 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
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 Thermoelastoplastic Material Model for Finite-Strain Cyclic Plasticity of Metals
在本文中，我们提出了一个一致的材料模型，它是能够模拟韧性材料在高应变率下变形的韧性到脆性的失效模式转变，并证明了该模型的性能在数值研究中使用一个完全耦合的热-结构有限元分析的缺口铝合金试样加载在循环拉伸。该模型是基于一个客观的表示的变形和应力的措施和率型本构方程。它不仅符合材料建模的原则，而且在返回映射过程中使用本构方程、演化方程甚至“正态性规则”，这些规则可以用幂共轭应力和应变测量或其目标速率来表示。
2017-09-15 cond-mat.mtrl-sci
Descriptor for slip-induced crack-blunting in refractory ceramics
该研究针对难熔陶瓷脆性与塑性竞争问题，以Ti-N体系为对象开展原子尺度模拟，验证了半经验原子间势，揭示了滑移诱导裂纹钝化的机制，并提出Iplast描述符可用于排序陶瓷的位错介导裂纹钝化能力。
2023-09-17 cond-mat.mtrl-sci
On the influence of Al-concentration on the fracture toughness of NiAl: microcantilever fracture tests and atomistic simulations
NiAl的化学计量比B2 $β$相的机械性能已经很好地建立，然而，在40- 50%Al的整个成分范围内，非化学计量比成分对断裂韧性的影响尚未得到系统的研究。在这里，我们使用微弯曲试验对从NiAl单晶中FIB铣削而成的带有铝以及氧化的缺口悬臂梁进行了研究。诱导成分梯度，以确定Al浓度对机械性能的影响。断裂韧性是最大的化学计量组成。在富Ni成分范围内，随着Ni含量的增加，断裂过程伴随着塑性形变，断裂强度降低。相比之下，在富铝NiAl中没有观察到塑性，其显示出几乎与浓度无关的低断裂韧性。然而，根据Griffith的理论断裂韧性在富Ni和富Al的组合物范围中仅显示出非常弱的组合物依赖性。此外，断裂韧性的差异不能仅仅根据富Ni晶体中的Ni反位晶和富Al晶体中的结构空位的不同硬化贡献来解释。原子断裂模拟表明，裂纹在NiAl中的扩展发生在裂纹前沿的扭结的形核和迁移。因此，富铝NiAl的低断裂韧性可以理解为结构空位作为位错运动的强大障碍和作为裂纹前沿扭结的来源的双重作用。
2019-12-29 cond-mat.mtrl-sci
A non incremental variational principle for brittle fracture
本文的目的是提出一个范式转变的变分方法的脆性断裂。在同一个框架中处理动态和静态的极限情况。与通常的增量方法相比，我们使用一个时空的原则，涵盖了整个加载和裂纹的演变。重点是内部变量的形式主义和耗散潜力的塑性，而不是格里菲斯的原始方法的基础上的表面积的裂纹扩展的建模。新的表述似乎比标准理论更富有成效的推广。
2021-12-06 cond-mat.mtrl-sci
Crack tip fields and fracture resistance parameters based on strain gradient plasticity
用解析和数值方法研究了应变梯度塑性固体的裂尖力学。采用基于Taylor位错模型的一阶机构应变梯度塑性理论，并通过用户子程序在商用有限元软件ANSYS中实现。考虑了两个边值问题，一个是单边拉伸试件，另一个是双向加载板。首先，裂纹尖端场的特点。与位错硬化机制相关的应变梯度效应相对于常规塑性提高了裂纹尖端应力。进行了参数研究，并与传统的塑性预测的差异进行了量化。此外，裂纹尖端解的渐近性质进行了研究。数值结果表明，一阶MSG理论预测的奇异阶数等于或高于线弹性固体的奇异阶数。此外，裂纹尖端场似乎没有一个可分离的解决方案。此外，与高阶MSG塑性理论相反，奇异性阶数对塑性材料的性质表现出敏感性。其次，解析和数值方法制定新的应变梯度塑性振幅因子。导出了一种广义J积分，并将其用于表征非线性振幅因子。得到了解析应力强度因子的闭合方程。通过对裂纹尖端应力场的数值解进行分解，得到了裂纹尖端应力场的幅值因子。在材料长度尺度l和加工硬化指数N的宽范围内确定非线性振幅因子解。确定了应变梯度相关域，为一阶MSG塑性断裂和损伤评估的应用奠定了基础。
2020-10-15 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Fracture size effects from disordered lattice models
我们研究的尺寸效应在缺口无序样品断裂强度的数值模拟断裂的晶格模型。特别地，我们考虑了随机引信模型、随机弹簧模型和随机梁模型，它们都给出了类似的结果。这些使我们能够建立和理解由无序引起的统计效应控制的制度和由断裂力学控制的应力集中控制制度之间的交叉。交叉所描述的比例律，占断裂过程区的存在，我们量化平均超过几个无序配置的模型。该模型允许研究的断裂过程区的发展，随着负载的增加，并表示这方面的抗裂性（R曲线）。
2008-04-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Brittle to Quasi-Brittle Transition and Crack Initiation Precursors in Disordered Crystals
裂纹萌生是由于弹性、塑性和无序的综合作用而出现的，它在很大程度上取决于材料的微观结构细节。在本文中，我们研究了具有粗晶粒的脆性金属，微观结构紊乱可能源于材料的制造过程，例如合金化。作为一种研究工具，我们认为裂纹萌生从一个表面，椭圆切口：作为在切口处的曲率半径的曲率半径的增加，有一个动态的过渡，从切口诱导裂纹萌生批量无序裂纹成核。我们进行了广泛的和现实的模拟相场的方法耦合到晶体塑性。此外，微结构的无序度和缺口宽度是不同的，以研究过渡。我们确定这种转变的各种障碍的强度方面的损害演变。以上的过渡，我们确定可检测的前体裂纹萌生，我们量化的预期应力降在模式I断裂载荷。我们讨论了如何观察和分析这种脆性准脆性转变的实验。
2017-07-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
On a damage-plasticity approach to model concrete failure
提出了一个描述素混凝土断裂的损伤塑性本构模型。两种方法，局部模型，包括软化模量的调整和非局部模型的基础上的空间平均的历史变量，被施加到分析的混凝土棒进行单轴拉伸和三点弯曲试验。网格尺寸的影响和分解成损伤和塑性组件进行了讨论。结果表明，对于研究的两个例子，这两种方法的结果在网格无关的结果。然而，非局部模型，它依赖于历史变量的空间平均，表现出相对于边界条件的敏感性，这需要进一步的研究。
2009-01-02 cond-mat.mtrl-sci
Artificial neural network interatomic potential for dislocation and fracture properties of Molybdenum
建立了一个基于人工神经网络的钼原子间相互作用势模型。为了训练和验证潜在的密度泛函理论计算与断裂相关的结构和性质，如弹性常数、表面能、广义堆垛层错能和表面脱粘能。在训练数据集和验证数据集上，该势提供的总能量均方根误差小于5 meV/原子.该势被应用于研究螺位错核特性以及进行大规模断裂模拟。计算结果表明，1/2 $\langle111\rangle$螺型位错核是对称的非退化位错核，Ⅰ型断裂是脆性断裂。可以预期，这样构造的势是非常适合于应用于大规模的塑性和断裂的原子计算。
2021-12-09 cond-mat.mtrl-sci
Elastic and Fracture Behavior of Three-Dimensional Ply-to-Ply Angle Interlock Woven Composites: Through-Thickness, Size Effect, and Multiaxial Tests
本文对角互锁三维机织复合材料的弹性和断裂行为进行了全面的研究。该研究调查了新的分裂和楔形驱动的面外断裂试验，以揭示在厚度方向上的拉伸断裂行为，并提供面外拉伸强度和断裂能的估计。此外，几何缩放的单边缺口拉伸（SENT）试样的尺寸效应测试进行充分表征的材料的层内断裂能，并研究在这种类型的三维复合材料的结构强度的缩放。结果表明，尺寸效应对材料的结构强度有显著影响。事实上，即使研究的尺寸范围比以往任何传统的层压复合材料和二维纺织复合材料的尺寸效应研究更广泛，所有的实验数据都落在准韧性和脆性行为之间的过渡区。这意味着强大的损伤容限的研究三维复合材料。通过Bazant的II型尺寸效应定律（SEL）对数据进行分析，首次实现了三维复合材料层内断裂能的客观表征。最后，Arcan台架试验结合X射线微计算机断层成像，允许在多轴标称载荷条件下，特别是张力为主和剪切为主的条件下，不同的损坏机制前所未有的见解。
2020-12-10 cond-mat.mtrl-sci
Strain gradient plasticity modeling of hydrogen diffusion to the crack tip
在这项工作中，氢向断裂过程区扩散检查占局部硬化由于几何必要位错（GNDs）通过应变梯度塑性（SGP）。在有限变形理论内进行有限元计算，以表征梯度增强的应力升高和随后的氢向裂纹尖端的扩散。结果表明，GNDs，在传统的塑性预测缺席，发挥了根本性的作用，氢运输提前裂纹。SGP的估计提供了一个很好的协议与实验测量的裂纹尖端变形和高水平的晶格氢浓度预测微米内的裂纹尖端。深入讨论了氢脆机理的理解的结果的重要意义。
2017-11-12 cond-mat.mtrl-sci
Role of local mode mixity and stress triaxiality in the fracture of niobium/alumina bi-crystal interfaces a CPFEM based study
局部模态混合性和应力三轴性在金属/陶瓷界面断裂过程中起重要作用。据文献报道，断裂能与I型断裂能的比率可以在1至5之间变化。对于许多双材料系统，其原因已被报道为局部模式混合和应力三轴性。Korn等人[1]对双晶铌/氧化铝界面进行了实验研究，对于某些取向，上述比值据报道大于5。然而，有人认为，当地的模式混合和应力三轴性可能不是原因。在所提出的工作中，已投入的努力来解释的作用，局部模式混合和应力三轴性的断裂铌/氧化铝双晶界面使用晶体塑性本构模型。
2019-10-08 cond-mat.mtrl-sci
Coupled Dislocations and Fracture dynamics at finite deformation: model derivation, and physical questions
本文构建有限变形下位错塑性与断裂耦合的连续介质力学模型，并说明其拟解决的物理问题及应用方向。
2024-04-03 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.MP
Age-dependent Size Effect and Fracture Characteristics of Ultra High Performance Concrete
研究了超高性能混凝土（UHPC）的龄期尺寸效应和断裂特性。该研究是基于一组独特的实验数据，连接老化测试的两个固化协议的一个尺寸和缩放的尺寸效应测试的一个年龄。在缺口三点弯曲试验中进行老化和尺寸效应研究。实验数据的最先进的模拟采用最近开发的离散元素为基础的早期计算框架的状态。该框架是通过耦合湿热化学（HTC）模型和晶格离散粒子模型（LDPM）通过一组老化功能。HTC组件允许考虑可变的固化条件并预测混凝土的成熟度。力学部分，LDPM，模拟破坏行为的混凝土在长度尺度上的主要异质性。经过仔细的校准和验证的中尺度HTC-LDPM模式是唯一提出进行预测模拟。采用内聚尺寸效应曲线（CSEC）方法和经典尺寸效应定律（SEL）对试验和模拟得到的极限抗弯强度进行了分析。通过LDPM，CSEC，SEL和内聚裂纹分析获得的断裂能进行了比较，并提出了断裂性能的老化配方。在实验、模拟和尺寸效应分析的基础上，对尺寸效应的年龄依赖性和尺寸效应分析方法的稳健性进行了评价。
2016-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Ductile fracture in functionally graded materials: Insight into crack behavior within the gradient interface
本研究通过数值方法探讨延性功能梯度材料中梯度界面内的裂纹扩展，揭示塑性应变与裂纹模式的关系，并分析入射角与梯度宽度的影响，为设计裂纹止裂行为提供新见解。
2024-12-16 cond-mat.mtrl-sci
A Nonlocal Damage-enhanced Lattice Particle Model for Ductile Fracture Analysis
金属材料的韧性断裂通常涉及弹塑性变形和相关的损伤过程。非局部格点法（LPM）可以扩展到模拟这种复杂的行为。最近，一个基于畸变能量的模型被制定到LPM来模拟J2塑性。然而，该模型是基于增量更新算法，需要非常小的加载步骤，以获得合理的结果。对于大型系统来说，这是耗时且不稳定的。因此，本文提出了一种基于张量的返回映射算法来处理这些不足。材料的劣化过程被建模为一个非局部损伤演化过程。宏观力学响应的颗粒尺寸/晶格依赖性处理得当，通过使用所提出的模型。最后给出了工程结构弹塑性损伤和断裂预测的算例。使用C的LPM的多线程实现可以在网站上获得：https://github.com/ymlasu/LPM-C。
2021-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond
众所周知，金刚石在室温下不发生塑性变形，通常以灾难性的脆性断裂而失效。在这里，我们展示了亚微米尺寸的金刚石柱的室温位错塑性在透射电子显微镜的原位力学测试。我们在前所未有的细节文件的时空特性的位错引入的无约束压缩，包括位错的产生和传播。断层重建的原子分辨观测结果明确地表明，Burgers矢量为1/2的混合型位错分别<110>在和方向的单轴压缩下在金刚石的非密排{001}面被激活<111><110>，而在定向加载下在{111}面被激活<100>，表明取向相关的位错塑性。这些结果为金刚石的力学行为提供了新的见解，并刺激了对金刚石以及其他脆性共价晶体在低温下的基本变形机制的重新思考。
2020-02-14 cond-mat.mtrl-sci
Data-Mining of In-Situ TEM Experiments: Towards Understanding Nanoscale Fracture
从纳米级传感器到宏观结构，任何工程部件的寿命和性能都受到断裂过程的强烈影响。断裂本身是一个高度局部化的事件;起源于原子尺度，通过靠近裂纹尖端的单个原子之间的键断裂。然而，这些过程与位错或晶界等缺陷相互作用，并影响更大长度尺度上的现象，最终导致宏观行为和工程规模的断裂特性。这种复杂的相互作用的根本原因是识别发生在裂纹尖端的原子结构和能量过程仍然是一个长期存在的，仍然没有解决的挑战。我们开发了一种新的分析方法相结合的定量原位观察纳米级变形过程中的裂纹尖端的三维重建的位错结构和先进的计算分析，以解决塑性和断裂引发的韧性金属。我们的组合方法揭示了位错成核的细节，它们的相互作用过程，和局部内部应力状态，所有这些都是以前无法访问的实验。这使我们能够描述断裂过程的基础上的位错水平上的局部裂纹驱动力与高保真度，铺平了道路，更好地理解和控制材料中的局部失效过程。
2022-10-03 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical approach to the ductile fracture of polycrystalline solids
它在这里示出，通常是几个应变的短暂塑性应变后的断裂，是材料的多晶性质的必然结果。进行塑性形变的多晶体被建模为一个流动的连续的随机变形多面体，代表的晶粒，填充的空间，而不会留下空隙。相邻的晶粒滑动的相对速度成比例的局部剪切应力的平面上解决的共享晶界，当大于一个有限的阈值。多面体颗粒不断重塑以保持物质的连续性，导致颗粒滑动的力超过重塑颗粒的力。过去已经表明，该模型不守恒体积，导致流体静压随应变单调变化。这种效应在塑性理论中引入了一个新的概念，因为它决定了任何细晶多晶材料在有限的塑性应变后都会失效。在这里，流体静压力对应变的依赖性被明确地计算并示出具有对数发散，其确定断裂应变。理论结果与商业合金的力学试验给出的断裂应变的比较显示出很好的一致性。
2018-08-27 cond-mat.mtrl-sci
From plastic flow to brittle fracture: role of microscopic friction in amorphous solids
软质无定形材料的塑性通常涉及在强烈剪切时出现的集体变形模式。无定形塑性的微观基础通常是通过“Eshelby”型事件的概念建立的，Eshelby型事件是通过非局部弹性型相互作用在周围材料中诱导流动的局部突然重排。尽管无序固体在尺度、微观成分或相互作用方面存在差异，但这种流动的普遍机制已经被提出。然而，我们认为，颗粒状固体中的摩擦相互作用的存在下，通过成核微剪切裂纹，不断聚结建立系统的跨越类地层故障的方法改变了流动的动力学。塑性到脆性的失效转变是唯一控制的程度的摩擦阻力，这是在本质上类似的作用，分离的突然和光滑的屈服制度在玻璃结构中的异质性。
2018-10-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.soft
An FFT-based crystal plasticity phase-field model for micromechanical fatigue cracking based on the stored energy density
提出基于FFT的相场断裂框架，通过储能与位错密度定义损伤驱动力，模拟微观尺度疲劳裂纹萌生与扩展，预测裂纹路径、扩展速率及微观结构敏感性。
2023-04-03 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Effects of Out Time on the Mechanical and Fracture Properties of Chopped Fiber Composites Made From Repurposed Aerospace Prepreg Scrap and Waste
本文研究了预浸料取出时间对不连续纤维复合材料力学性能和断裂性能的影响。在恒温恒湿的环境室中，碳纤维板以0倍、1倍、2倍和3倍的寿命进行老化。通过差示扫描量热法（DSC）测量固化度，同时进行拉伸、压缩和剪切试验，以研究老化对这些机械性能的影响。首次通过几何比例的单边缺口拉伸（SENT）试件的断裂试验研究了Ⅰ型层内断裂及其尺寸效应。从拉伸、压缩和剪切实验中可以看出，挤出时间对弹性模量没有影响。然而，在所有的加载条件下，强度随着试样的老化而增加。与未老化材料相比，百分比增加范围为15%至33%。这可能是由于基质随着时间的推移而塑化，从而允许更高的能量吸收。对于所有尺寸的SENT样本，报告了更复杂的趋势。结果表明，断裂能和特征长度随龄期的增加先减小后增大，最长持续时间为10min。这种趋势归因于两个对断裂行为具有相反影响的因素：1）由于树脂粘度的增加，随着老化的增加，血小板的平均数量增加，以及2）随着老化，基质的增塑。这项研究的结果表明，由重复使用的材料制成的不连续纤维复合材料（DFC）可以具有与未老化的DFC相同的性能。在这项工作中提出的实验数据可以作为一个基线，设计DFC复合材料组件的再利用预浸料废料和废物。
2021-12-22 cond-mat.mtrl-sci
Characterization of Marcellus Shale Fracture Properties through Size Effect Tests and Computations
页岩类岩石的力学特性需要了解测量特性的比例，以便能够从小规模实验室测试外推到现场研究。本文分析了Marcellus页岩的尺寸效应，并通过尺寸效应试验获得了其断裂特性。对尺寸逐渐增大的三点弯曲（TPB）试件进行了大量的断裂试验。试验结果表明，名义强度随试件尺寸的增大而减小，并能很好地用Bazant尺寸效应定律（SEL）拟合。结果表明，SEL占试样尺寸和几何形状的影响，允许准确识别材料的初始断裂能，Gf，和有效的断裂过程区（FPZ）长度，参见。所得到的断裂性能进行了验证，使用标准的有限元技术与凝聚力模型的研究标本的数值模拟。观察到显着的各向异性的断裂性能确定在三个主要的缺口方向：避雷器，分频器，和短横向。讨论了所测结构强度和表观断裂韧性的尺寸效应。无论是基于强度的准则，忽略尺寸效应，也不是经典的LEFM，不考虑FPZ的有限性可以预测报告的尺寸效应数据，和准脆性类型的非线性断裂力学，而不是适用。
2017-10-19 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Harvesting room-temperature plasticity in ceramics by mechanically seeded dislocations
本文提出通过室温机械植入高密度可动位错，触发交滑移与位错增殖，使陶瓷实现超过30%的大塑性应变，无需高温工艺即可抑制脆性断裂并收获室温塑性。
2024-06-02 cond-mat.mtrl-sci
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
On Nonlocal Cohesive Continuum Mechanics and Cohesive Peridynamic Modeling (CPDM) of Inelastic Fracture
在这项工作中，我们开发了一个基于键的凝聚周向力学模型（CPDM），并将其应用于模拟非弹性断裂使用细观尺度徐Needleman凝聚势。通过这样做，我们已经成功地开发了一个键为基础的粘性连续介质力学模型与内在的应力/应变措施，以及一致的和内置的宏观尺度的本构关系。本文的主要创新之处在于：（1）证明了所提出的非局部粘聚力连续介质力学模型的粘聚力与非局部周向应力是完全相同的：（2）首次将不可逆的内建粘聚力-应变关系应用到基于粘结的粘聚力周向力学中，模拟非弹性材料的行为，而不需要规定唯象的塑性应力-应变关系;（3）粘聚力具有轴向和切向分量，它们贡献了具有可变泊松比的非线性本构关系;（4）基于粘结的粘聚本构模型与粘聚断裂准则一致;（5）我们已经表明，所提出的方法能够模拟非弹性断裂并模拟非局部粘聚连续体中小规模屈服的韧性断裂。数值算例与有限元连续介质模型进行了比较，结果表明该方法是一种简单、有效的非局部粘性介质非弹性断裂模拟方法。
2022-01-19 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
Mode II fracture of an elastic-plastic sandwich layer
预裂纹夹层的剪切强度预测，假设该层是线弹性或弹塑性，屈服的特点是由J2塑性理论或由条带屈服模型。基底是弹性的并且具有与层的模量不同的模量。分析了两种几何形状：（i）夹层中的半无限裂纹，受到远场Ⅱ型K场的作用;（ii）有限宽中心裂纹夹层板在远场剪应力作用下。对于半无限裂纹，近端应力场被确定为弹性失配的函数，裂纹尖端塑性要么被阻止（弹性情况），要么被适当占（弹塑性情况）。然后得到了有限宽中心裂纹夹层板的解析解和数值解。首先，模式II K-校准获得的弹性夹层中的有限裂纹。其次，分析扩展到裂纹尖端塑性通过模式II条屈服模型的有限强度和有限韧性。通过有限元模拟验证了分析预测，并根据试样几何形状和裂纹长度构建了失效图。
2019-09-09 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Mode I and II Interlaminar Fracture in Laminated Composites: A Size Effect Study
本文研究了复合材料层合板Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂行为及其尺寸效应。对几何比例的双悬臂梁（DCB）和端部切口弯曲（ENF）试样进行了断裂试验，以了解断裂过程区（FPZ）内聚应力的非线性效应。结果表明，模式I和模式II的破裂行为之间的显着差异。结果表明，虽然DCB试样的强度尺度根据线弹性断裂力学（LEFM），这是不是ENF试样的情况。小试样表现出明显的伪延性有限的尺寸效应和显着偏离LEFM，而较大的试样表现在一个更脆的方式，与标称强度的尺寸效应接近LEFM预测。由于断裂过程区（FPZ）的尺寸与试样尺寸相比很大，因此需要认真考虑这种行为。结果表明，对于在这项工作中研究的试样尺寸，忽略FPZ的非线性效应可以导致低估的断裂能高达55%，与误差减少试样尺寸的增加。模式I和模式II测试数据都可以通过Bažant的II型尺寸效应定律（SEL）非常准确地捕获。
2019-04-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Experimental and Numerical Investigation of Intra-Laminar Energy Dissipation and Size Effect in Two-Dimensional Textile Composites
大型复合材料结构的设计需要了解其力学性能的缩放，这是复合材料文献中经常忽略的一个方面。这一贡献分析，实验和数值模拟，纺织复合材料结构的层内尺寸效应。本文报道了由8层0度环氧树脂/碳纤维复合材料2 × 2层合板制成的几何形状相似的单边缺口试件的试验结果。结果表明，名义强度随着试样尺寸的增加而降低，并且实验数据可以很好地拟合Bazant尺寸效应定律，从而可以准确地识别材料的层内断裂能。通过数值研究其对复合材料管耐撞性的影响，阐明了在层内断裂是主要能量耗散机制的情况下准确估计Gf的重要性。模拟表明，对于所分析的几何形状，断裂能降低到测量值的50%对应于平台破碎载荷降低近42%。此外，假设峰值后的垂直应力下降，在大多数商业有限元代码中实现的基于强度的本构关系的典型假设，导致强度低估70%的顺序。本研究的主要结论是，准确测量断裂能和正确模拟纺织复合材料的断裂行为，包括其准脆性，是关键。这既不能通过忽略尺寸效应的基于强度或应变的方法来实现，也不能通过不考虑断裂过程区的有限性的LEFM来实现。
2016-05-19 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
A mechanism-based multi-trap phase field model for hydrogen assisted fracture
我们提出了一个新的机制，相场为基础的配方预测氢脆。开发的多物理模型结合，第一次，泰勒为基础的位错模型来解决裂纹尖端变形的力学。这使得能够捕获位错硬化机制在裂纹尖端前方数十微米内升高拉伸应力、氢浓度和位错陷阱密度的作用。本构应变梯度塑性模型耦合到相场制剂，模拟断裂过程，和一个多陷阱氢输运模型。静止和传播的裂纹的分析表明，所提出的建模框架是能够充分捕获的氢浓度，加载速率，材料强度和塑性长度尺度的敏感性。此外，模型预测相比，缺口抗拉强度与氢含量的高强度钢的实验数据，一个非常好的协议。我们定义和实现原子的和唯象的氢降解法，并讨论无参数氢脆模型的发展的相似性，差异和影响。
2021-07-28 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
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
