Machine-learned atomistic simulations reveal the basis of hydrogen-induced crack-plane transition in alpha-Fe
The University of Osaka（大阪大学）；Nippon Steel Corporation（日本制铁株式会社）
通过构建α-Fe/H的神经网络势，结合大规模分子动力学和巨正则蒙特卡洛模拟，发现氢致{110}裂纹面从位错发射转变为解理，并揭示其能量起源。
2026-05-24 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Effects of crack tip geometry on dislocation emission and cleavage: A possible path to enhanced ductility
我们提出了一个系统的研究裂纹钝化对随后的裂纹扩展和位错发射的影响。我们表明，裂纹传播所需的应力强度因子增加，裂纹钝化多达13个原子层，但只有一个相对温和的量与尖锐的60 $^\circ$角的裂纹。钝化的影响远小于光滑钝化裂纹的预期影响;尖角保持了应力集中，降低了钝化的影响。然而，对于某些材料参数，钝化改变的首选变形模式从脆性解理位错发射。在这样的材料中，裂纹尖端对预先存在的位错的吸收可以导致裂纹尖端被局部阻止，从而导致裂纹尖端的微观韧性显著增加。连续塑性模型已经表明，即使是在微观韧性的适度增加可以导致在宏观断裂韧性的材料的几个数量级的增加。因此，我们提出了一个原子尺度的机制，在裂纹尖端，最终可能会导致高断裂韧性在一些材料中，尖锐的裂纹似乎能够以脆性的方式传播。还介绍了在模式II加载的钝裂纹的结果。
1996-12-17 cond-mat.mtrl-sci mtrl-th
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
An atomistic-to-continuum analysis of crystal cleavage in a two-dimensional model problem
研究了二维原子质量弹簧系统的临界断裂载荷及其裂纹路径几何。我们严格证明，在离散到连续极限，单轴拉伸下的晶体的最小能量导致一个普遍的解理定律和能量最小化是均匀的弹性变形或配置，完全破裂，不存储弹性能量。超过临界载荷，试样一般沿一个独特的最佳晶体学超平面分裂。然而，对于特定的对称晶体取向，解理可能失败。在这种情况下，得到一个完整的表征可能的限制裂纹的几何形状。
2012-10-12 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.AP
A kinematic study of energy barriers to crack formation in graphene tilt boundaries
本文通过分子动力学拉伸研究石墨烯倾斜晶界的裂纹形成过程，揭示显著应变速率敏感性，并基于Arrhenius关系计算活化能，发现其与关键键前应力线性相关，从而为多晶石墨烯宽范围强度提供解释。
2014-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Fracture of the $C$15 CaAl$_2$ Laves phase at small length-scales
本研究通过微柱劈裂和微悬臂梁弯曲实验首次测定$C$15 CaAl$_2$ Laves相的断裂韧性，发现其韧性受解理面控制，{011}面优先断裂，并借助原子模拟揭示晶格捕获和动力学机制。
2024-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Dislocation interaction with a tilt low angle grain boundary in bi-crystal SrTiO3
为探究陶瓷塑性变形中裂纹抑制机制，研究以带4°倾斜晶界的双晶SrTiO3为模型，结合室温布氏压痕、蚀坑成像与透射电镜，观察到位错在小角度晶界的塞积、存储与穿晶传递，为位错-晶界相互作用提供了新的介观尺度实验依据。
2025-09-05 cond-mat.mtrl-sci
Atomic scale investigation of grain boundary structure role on deformation and crack growth dynamics in Aluminum
采用分子动力学方法研究了晶界结构对界面塑性和界面裂纹动力学的影响<100><110>。在模拟与裂纹在接口处，本研究表明如何最大正常强度的接口相关的GB能量，GB取向差，和GB的结构描述。例如，在GB结构描述中，包含D结构单元（SU）或堆垛层错的GB的正常界面强度（θ 13（510）θ=22.6°和θ 97（940）θ=47.9°）显示界面强度与包含有利SU的其他评估的GB相比显著降低<100>。在接口的情况下<110>，在GB结构中的E SU的存在下，降低了35%的最大正常界面强度。进一步调查的变形在裂纹尖端的GB含有E结构显示，E SU进行原子洗牌，以适应内在的堆垛层错（ISF）沿界面，这反过来又作为一个网站的部分位错成核。有趣的是，无论GB的取向差，GB接口检查这里包含的E结构在其结构期间表现出相对较小的变化，在最大正常强度的接口。裂纹尖端前的GB体积发生结构重排，进而影响裂纹扩展机制。在大多数GB中，裂纹扩展是由于位错发射的交替机制，其次是位错的传播（钝化）和解理/裂纹前进。此外，沿GB界面的裂纹扩展速率受到界面处的初始自由体积的强烈影响，即，沿着具有较高初始自由体积的界面观察到更快的裂纹生长。
2013-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic fracture in bcc iron revealed by active learning of Gaussian approximation potential
体心立方（bcc）铁的原子断裂机制的预测是理解其半脆性的本质。现有的基于经典原子间作用势的I型载荷下裂纹尖端变形机制的原子模拟产生了相互矛盾的预测。为了使断裂预测与量子精度，我们开发了一个高斯近似势（GAP）使用主动学习策略，通过扩展铁磁体心立方铁的密度泛函理论（DFT）数据库。我们应用主动学习算法，并获得一个Fe GAP模型的最大预测误差为8毫电子伏/原子在广泛的应力强度因子（SIF）和四个裂纹系统。分析了该方法的学习效率，并将预测的临界应力强度因子与Griffith和Rice理论进行了比较。模拟结果表明，在T= 0 K时，{100}和{110}裂纹面的裂尖机制均为沿原裂纹面的解理，从而解决了一个长期存在的争论。我们的工作还强调了需要一个多尺度的方法来预测断裂和内在的延展性，有限的温度，有限的加载速率的影响和预先存在的缺陷（如纳米空隙，位错）应明确考虑。
2022-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Crack Front Segmentation and Facet Coarsening in Mixed-Mode Fracture
当加载有垂直于裂纹平面的拉伸应力（模式I）和平行于裂纹前缘的剪切应力（模式III）时，平面裂纹一般分成形状为倾斜刻面的“子裂纹”阵列。我们调查小平面的传播和粗化使用在准静态混合模式裂纹扩展和相场模拟的不同阶段的断裂表面的原位显微镜观察。结果表明，从传播的平面分段裂纹前缘的分叉是强烈的亚临界，调和以前的线性稳定性分析的理论预测与实验观察。他们进一步表明，刻面粗化是由刻面阵列的空间倍周期不稳定性驱动的自相似过程，其生长速率取决于模式混合度。这些结果对于理解各种材料的失效具有重要意义。
2015-09-16 cond-mat.mtrl-sci
The Effect of Wedge Tip Angles on Stress Intensity Factors in the Contact Problem between Tilted Wedge and a Half Plane with an Edge Crack Using Digital Image Correlation
Iran University of Science and Technology（伊朗科技大学）；University of Tehran（德黑兰大学）
利用数字图像相关（DIC）实验方法，获得了含边缘裂纹半平面与非对称斜楔接触问题的第一、第二模态应力强度因子（SIF）。在这种技术中，位移和应变场可以测量使用两个数字图像的同一个样品在不同阶段的加载。然而，在该实验的每个阶段中，随后拍摄几张图像以避免噪声影响。将每个阶段的一对图像相互比较。然后，使用计算机代码研究它们之间的相关系数。选择相关系数高于0.8的对作为裂纹尖端附近位移测量的可接受匹配。随后，利用DIC方法得到的位移场计算了试件的应力强度因子。研究了楔尖角度对应力强度因子的影响。此外，DIC方法的结果与光弹性方法的结果进行了比较，它们之间的密切一致。
2015-01-06 cond-mat.mtrl-sci cs.CV physics.optics
Atomistic Study of Radiation-Induced Ductile-to-Brittle Transition in Austenitic Steel
本文通过分子动力学模拟研究辐照Fe-Ni-Cr合金的韧脆转变，揭示空洞促进裂纹扩展而位错环阻碍并偏转裂纹的机制，并将断裂能分解方法推广至辐照材料以量化表面能与塑性功的贡献。
2025-07-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Implications of Realistic Fracture Criteria on Crack Morphology
我们研究了实际断裂准则对随机离散元方法数值模拟得到的裂纹形态的影响。结果得到两个标准，这是一致的弹性理论，并与以前的结果相比，使用原始标准，选择时的方法首次出版，传统的选择一直考虑的组合加载之间的相互作用弯曲和拉伸力，完全忽略了剪切力。此外，旧准则中所用的弯曲和拉伸的组合仅适用于塑性形变。我们的研究结果表明，剪切力的列入裂纹形态有深远的影响。我们考虑两种类型的外载荷，扭转施加到一个圆柱和拉伸施加到一个立方体。在拉伸的情况下，指数的特点与系统尺寸的裂纹粗糙度的缩放被发现是非常接近的实验值zeta = 0：5时，使用现实的断裂准则。在目前的计算中，我们得到zeta = 0.52，一个对所有疾病保持不变的值。有人提出，小规模的指数zeta = 0.8出现作为一个后果的晶面之间的解理，因此需要一个不同的断裂准则比，这是在较大的规模上使用。
2018-08-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Crack path instabilities in DCDC experiments in the low speed regime
我们研究了不同玻璃材料（钠钙玻璃，玻璃陶瓷）的低速断裂区（0.1mm/s -1 nm/s），具有可变但受控的非均匀长度尺度。所选择的机械系统使我们能够在纯模式I（拉伸）和固定载荷下对DCDC（双解理钻孔压缩）试样进行工作。研究样品的内部残余应力仔细放松适当的热处理。通过光学和原子力（AFM）显微镜技术的断裂表面进行了检查。我们已经表明，第一次，裂纹前线经历了一个面外振荡行为的结果，一个可重复的序列的不稳定性。这种现象的波长在微米范围内，其振幅在纳米范围内。这些功能观察到不同的玻璃质材料，提供了一个典型的长度尺度表征内部的不均匀性低于阈值限制估计几纳米。这种效应是第一个明确的实验证据的裂纹路径不稳定性在低速区在单轴加载实验。这一现象已通过参考Adda-Bedia等人提出的直线裂纹扩展的稳定性准则（Phys. Rev. Letters（1996）76 p1497）来解释。
2002-07-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
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
Grain-size dependence of plastic-brittle transgranular fracture
本文构建结合相场公式与晶体塑性的模型，研究体心立方材料穿晶断裂的晶粒尺寸依赖性，发现交滑移引发失效与晶界钉扎裂纹两种竞争机制导致非单调行为，解释了矛盾的实验观察。
2025-01-23 cond-mat.mtrl-sci
Machine-Learning Potentials Predict Orientation- and Mode-Dependent Fracture in Refractory Diborides
针对陶瓷尤其是薄膜断裂性能实验表征难的问题，本研究用基于从头算数据训练的机器学习原子间势，结合应力强度因子控制加载，预测难熔二硼化物依赖取向和加载模式的断裂行为，结果与实验吻合，方法可扩展至有限温度。
2025-05-28 cond-mat.mtrl-sci
A phase field model of coupled crack and dislocations: emission, blunting, and the necessity of dissipative toughening
Institute for Advanced Study in Technology, Ton Duc Thang University（越南胡志明市光中大学先进技术研究院）；Faculty of Civil Engineering, Ton Duc Thang University（越南胡志明市光中大学土木工程学院）
本研究构建了裂纹与位错耦合的相场模型，揭示位错发射可屏蔽裂纹但需引入位错运动阈值阻力这类耗散项才能实现增韧的机制。
2026-08-06 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math-ph
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
Cutting Soft Matter: Scaling relations controlled by toughness, friction, and wear
本文结合有限元分析与聚丙烯酰胺凝胶线切割实验，揭示切割力随金属丝半径变化的标度律，并由截距和斜率分别估算解理韧性与断裂过程区耗散。
2024-12-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Twin interaction with $Σ$11 tilt grain boundaries in BCC Fe : Formation of new grain boundaries
孪生是纳米晶材料塑性形变的一种重要方式。因此，预期在塑性形变期间，孪晶可与不同的晶界（GB）相互作用。了解这些双GB相互作用是至关重要的，我们了解材料的力学行为。在这项工作中，不同的$Σ$ 11对称和非对称倾斜GB的BCC Fe中的孪晶相互作用进行了分子动力学（MD）模拟。结果表明，孪晶从裂纹或晶界处形核，并与$Σ$ 11个非对称倾斜晶界相互作用，形成新的晶界。该新GB由$<$ 100 $>$ Cottrell型固定位错组成。详细的原子机制，负责这个新的GB形成已被揭示使用原子模拟。有趣的是，在与$Σ$ 11对称倾斜GB的孪晶相互作用的情况下，没有观察到新的GB形成。
2022-05-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Yielding and jerky plasticity of tilt grain boundaries in high-temperature graphene
石墨烯以其结合脆性和延展性的非凡机械性能而闻名。虽然大多数石墨烯的力学研究集中在强度和脆性断裂行为，但其延展性，塑性形变和可能的脆韧性转变，这对高温机械性能和应用很重要，仍然知之甚少。在这里，石墨烯晶界的机械响应和变形动力学研究通过相场晶体模拟，显示温度和局部位错结构的关键影响。我们的研究结果表明，即使在相对较高的温度（约3350 K），该系统仍然是由脆性断裂和开裂动力学发现在以前的低温实验和原子的研究。我们还确定了另一种类型的故障动力学与低角度晶界解体。当温度升高时，预测到向塑性形变的转变。高温塑性流动的出现，特别是急动塑性现象，是由于位错在晶界附近的粘滞和攀滑运动。相应的机制是内在的二维系统，并由累积的局部应力和缺陷钉扎效应的驱动力之间的竞争，没有传统的三维材料中所需的位错生成途径。
2021-12-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Critical assessment of hydrogen effects on the slip transmission across grain boundaries in α-Fe
晶界通过阻碍位错运动而在晶体结构的强化机制中起着重要作用。然而，腐蚀性环境（如氢）的存在增加了沿晶断裂的敏感性。此外，还缺乏系统的研究探索氢的作用的位错晶界（DGB）的相互作用。因此，在这项工作中，氢对α-Fe中的螺位错和倾斜晶界之间的相互作用的影响<111>进行了研究。我们的模拟结果表明，DGB相互作用的结果强烈依赖于潜在的GB位错网络。此外，存在着很强的相关性之间的GB的能量和滑移传输的能量势垒。换句话说，具有较低界面能的GB表现出较高的滑移传递势垒。沿GB引入氢导致滑移传输的能垒一致地增加所有检查的GB。在氢的存在下的裂纹萌生的能量平衡的帮助下，我们的观察和以前的研究结果进行了检查。有人发现，氢的存在下，增加了存储在GB内的应变能，这可能会导致穿晶到沿晶断裂模式的转变。
2015-12-01 cond-mat.mtrl-sci
