Room-temperature bulk plasticity and tunable dislocation densities in KTaO3
本研究通过循环布氏压痕、划痕及单轴压缩实验，证明单晶KTaO3在室温下具有由位错介导的体塑性，可实现可调位错密度，并确定滑移系为<110>{1-10}，颠覆了其易脆断的传统认知。
2024-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Kinematics of slip-induced rotation for uniaxial shock or ramp compression
当金属试样发生塑性变形时，其下面的晶体结构必须经常旋转，以符合其宏观边界条件。利用晶格旋转的X射线衍射测量来推断单轴冲击或斜坡压缩晶体中塑性机制的组合，从而在压力和应变率的最大极限下通知材料科学，在动态压缩社区内有越来越多的兴趣。然而，人们并没有广泛认识到，现有的几个模型链接旋转滑动活动是根本不适用于一个平面压缩的情况。我们目前的分子动力学模拟的单晶遭受真正的单轴应变，并表明，Schmid和泰勒分析在传统的材料科学无法预测随之而来的晶格旋转。我们提出了一个简单的替代框架的基础上的弹塑性分解，成功地恢复所观察到的旋转这些单晶体，并可以进一步用于识别操作滑移系统和活动量上，他们在理想化的情况下，单和双滑移。
2020-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Temperature-Aware Recurrent Neural Operator for Temperature-Dependent Anisotropic Plasticity in HCP Materials
organization= Mechanics \& Materials Laboratory, Department of Mechanical；Process Engineering, ETH Zürich , city= Zürich , postcode= 8092 , country= Switzerland；organization= Department of Engineering, University of Cambridge , addressline= Trumpington Street , city= Cambridge , postcode= CB2 1PZ , country= UK
提出温度感知循环神经算子（TRNO），用于模拟HCP材料（如多晶镁）的温度依赖各向异性塑性，实现高精度、跨工况泛化及至少三个数量级的计算加速。
2025-08-26 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
In-Situ Neutron Diffraction and Crystal Plasticity Finite Element Modeling to study the Kinematic Stability of Retained Austenite in Bearing Steels
本文结合原位中子衍射和晶体塑性有限元模拟研究了高碳轴承钢中残余奥氏体的运动稳定性。轴承钢中运动亚稳残余奥氏体的存在会显著影响材料的宏观力学和微观力学响应。亚稳奥氏体的力学表征是准确捕捉典型应用载荷下的微观力学行为的关键组成部分。传统的力学表征技术无法离散量化奥氏体的微观力学响应，因此，计算预测严重依赖于试验和错误或奥氏体相的定性描述。为了克服这一点，在本工作中，我们使用原位中子衍射的单轴拉伸试验的A485 1级轴承钢试样。从中子衍射分析确定的机械响应被纳入混合晶体塑性有限元模型，占马氏体的晶体塑性和应力辅助转变从奥氏体到马氏体轴承钢。建模响应被用来估计奥氏体和马氏体相的单晶弹性常数。结果表明，采用原位中子衍射结合晶体塑性模型，可以成功地预测轴承钢的微观和宏观力学响应，同时考虑了残余奥氏体的马氏体相变。
2018-01-17 cond-mat.mtrl-sci
Applied Machine Learning to Predict Stress Hotspots I: Face Centered Cubic Materials
我们通过整合基于全场晶体塑性的变形模型和机器学习技术来研究单轴拉伸变形下多晶材料中应力热点的形成，以获得有关微观结构特性的数据驱动见解。合成的3D微观结构被创建为代表普通铜合金的单相等轴微观结构。采用基于图像的快速傅里叶变换（FFT）技术，结合率敏感晶体塑性模型，对单轴拉伸变形进行了三维全场模拟，得到了局部微观力学场（应力和应变率）。应力热点被定义为具有高于应力分布的第90百分位的应力值的晶粒。然后，使用反映局部结晶学、几何学和连通性的度量来表征热点邻域。该数据用于创建输入特征向量，以训练随机森林学习算法，该算法预测将成为应力热点的晶粒。我们能够实现0.74的接收操作特性曲线（ROC AUC）下的面积为面心立方材料建模通用铜合金。结果显示了机器学习方法应用于多晶晶粒网络的能力和局限性。
2018-06-13 cond-mat.mtrl-sci
Finite strain constitutive modeling for shape memory alloys considering transformation-induced plasticity and two-way shape memory effect
本文提出了一个考虑相变诱发塑性（TRIP）和双向形状记忆效应（TWSME）的记忆合金三维大变形本构模型。所提出的对数应变为基础的模型是能够捕捉大的应变和旋转下一般的热机械循环SMA表现出。通过使用马氏体体积分数，相变应变，内应力，和TRIP应变张量作为内部状态变量，该模型能够捕获应力依赖的TRIP生成时，SMA受到多轴应力状态，以及TWSME的热机械训练SMA在无载荷条件下。通过一个用户定义的材料子程序的有限元框架内，允许解决不同的边界值问题（BVP）的建议模型的详细实施过程。文中还对模型参数的标定以及连续介质切线刚度矩阵的推导进行了详细的说明。最后，模拟循环伪弹性和驱动响应的SMA材料系统的单轴和多轴应力状态下的广泛的模型与实验结果进行比较，以验证所提出的建模能力。
2020-01-13 cond-mat.mtrl-sci
Unraveling the temperature dependence of the yield strength in single-crystal tungsten using atomistically-informed crystal plasticity calculations
University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学）；Max-Planck-Institut für Eisenforschung（马克斯·普朗克铁研究所）
本研究利用基于原子级计算的晶体塑性模型，预测了单晶钨在不同温度和应变率下的屈服强度，结果与实验高度吻合，并绘制了多取向屈服面，为工程设计提供依据。
2015-12-19 cond-mat.mtrl-sci
Effect of shape on void growth: A coupled Extended Finite Element Method (XFEM) and Discrete Dislocation Plasticity (DDP) study
本研究通过耦合XFEM和DDP方法，探讨了孔洞形状对延性断裂微机制的影响，发现孔洞表面积越大生长越快，且不同取向影响材料塑性行为。
2025-11-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Crystal plasticity simulation of the effect of grain size on the fatigue behavior of polycrystalline Inconel 718
基于微观结构的模型，考虑晶粒尺寸的影响，已被开发用于研究晶粒尺寸对Inconel 718合金疲劳寿命的影响。通过在400 $^\circ$ C温度下进行完全反向变形（$R_\varepsilon$ = -1）的单轴循环变形试验，测定了两种不同晶粒尺寸合金的低周疲劳行为。该模型的基础上确定的疲劳指标参数（基于局部晶体应变能耗散每个周期）通过计算均匀化的一个代表性的体积元素的微观结构。单晶内的多晶的机械响应进行建模，通过一个现象学晶体塑性模型，该模型被修改，以考虑晶粒尺寸的单调和循环硬化/软化机制的影响。通过细晶材料的实验测试，标定了基于微观结构的裂纹萌生模型参数。疲劳模拟的结果与实验结果在循环应力-应变曲线和疲劳裂纹萌生的循环次数方面吻合得很好。该模型没有显示出任何晶粒尺寸对疲劳寿命的最大循环应变范围的影响，而预测的疲劳寿命预测是相当长的情况下，细晶粒尺寸的微观结构的最低应变范围，在定量协议与实验数据。这些差异是由于在大循环应变范围内的均匀塑性形变和在低循环应变范围内的几个晶粒中的局部塑性之间的变形模式的变化。
2018-04-26 cond-mat.mtrl-sci
Ultrahigh Elastically Compressible and Strain-Engineerable Intermetallic Compounds Under Uniaxial Mechanical Loading
金属间化合物具有独特的原子排列，通常会导致特殊的材料性能，但它们的极端脆性通常会在小于1%的有限应变下导致断裂，并阻止它们的实际应用。因此，对于它们来说，表现出塑性或某种形式的结构转变以在失效发生之前吸收和释放足够量的机械能是至关重要的。该研究报告了ThCr 2Si 2结构的金属间化合物（CaFe 2As 2）和其结构的混合物（CaKFe 4As 4）（直径为2 μm，高度为6 μm）可以通过可逆的变形诱导晶格坍塌在高达17%的应变下表现出超弹性，导致比大多数工程材料高几个数量级的回弹模量。这种超弹性还可以实现应变工程，这是指通过弹性应变来修改材料特性。密度泛函理论计算和低温纳米力学测试预测，CaKFe 4As 4的超导电性可以通过超弹性过程在断裂发生之前打开/关闭，即使在单轴压缩下，这在大多数工程应用中是有利的切换加载模式。我们的研究结果表明，其他成员具有相同的晶体结构（超过2500金属间化合物），和基于它们的替代系列应检查表现出类似的超弹性和应变工程的功能特性的可能性。
2019-04-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Probabilistic calibration of crystal plasticity material models with synthetic global and local data
Analytical Mechanics Associates（分析力学协会）；NASA Langley Research Center（美国国家航空航天局兰利研究中心）；Science and Technology Corporation（科学与技术公司）
本文提出一种两阶段校准方法，结合全局和局部数据，利用代理模型提高效率并结合全场晶体塑性模拟提高精度，通过贝叶斯推断评估参数不确定性。
2026-10-07 cond-mat.mtrl-sci stat.AP
Constitutive modeling of the tension-compression behavior of gradient structured materials
通过剧烈塑性形变技术加工的梯度结构（GS）金属可以被设计成同时实现高强度和高延展性。显著的随动硬化是其优异的应变硬化能力的关键，这导致了良好的强度-延性组合。不幸的是，没有建立本构模型来模拟和分析GS金属的特征随动硬化行为，以了解它们的微观结构和宏观响应之间的关系。在这项工作中，我们开发了一个基于变形机制的应变梯度塑性模型，考虑到从晶粒到样品尺度的塑性不均匀性。建立了一个考虑位错堆积对晶粒尺寸依赖性的背应力模型，用于描述GS材料的循环变形特性。所建立的模型统一的几何必要的位错容纳内部塑性不均匀性，所产生的背应力和可逆的位错在反向加载到一个应变梯度塑性框架，而不引入过多的独立的材料参数。该模型的有限元实现定量预测的单轴拉伸和拉伸-压缩响应的GS铜棒，以及具有均匀的晶粒尺寸的参考样品。研究发现，GS铜表现出增强的随动硬化，这主要是由于GS层中的细晶粒，并有助于GS材料的相当大的延展性。该模型允许调查的机械响应和优化性能的材料与各种类型的空间异质晶粒微观结构。
2020-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Understanding the influence of yttrium on the dominant twinning mode and local mechanical field evolution in extruded Mg-Y alloys
University of Michigan（密歇根大学）
本研究通过实验和建模揭示了钇对镁-钇合金中孪晶模式及局部机械行为的影响，发现钇含量增加会抑制TT1孪晶并促进TT2孪晶，同时影响滑移与孪晶的CRSS比。
2026-02-18 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Plasticity in amorphous solids is mediated by topological defects in the displacement field
非晶态固体在外加应力或变形下塑性屈服的微观机制尽管近年来有大量的研究活动，但仍然是难以捉摸的。大多数方法都试图识别未变形玻璃中可能引发塑性不稳定性的原子尺度结构“缺陷”或时空相关性。与此相反，在这里，我们表明，与塑性不稳定性相关的拓扑缺陷可以识别，而不是在静态结构的玻璃，而是在非仿射位移场变形。这些位错拓扑缺陷（DTDs）可以定量表征的Burgers电路（和由此产生的Burgers矢量），这是构建在微观非仿射位移场。我们证明了（i）DTDs是由于违反Cauchy-Born规则而导致的玻璃变形不相容的表现（ii）由此产生的平均Burgers矢量显示对应于主要塑性事件的峰，包括屈服转变处的壮观的非局部峰，这是由于反平行DTDs之间的吸引力相互作用而导致的自组织成剪切带;（iii）施密德定律的应用DTDs导致预测剪切带在45度的单轴变形，广泛观察到的实验和模拟。
2021-07-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Investigating the difference in mechanical stability of retained austenite in bainitic and martensitic high-carbon bearing steels using in situ neutron diffraction and crystal plasticity modeling
The Timken Company（铁姆肯公司）；Chemical and Engineering Materials Division, Spallation Neutron Source, Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室散裂中子源化学与材料工程部）
通过原位中子衍射和晶体塑性建模研究高碳滚动轴承钢中残留奥氏体的机械稳定性，发现贝氏组织中残留奥氏体在较低应变下开始转变为马氏体，而马氏体组织中奥氏体转变速率更高。
2018-07-17 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Graph Neural Network Modeling of Grain-scale Anisotropic Elastic Behavior using Simulated and Measured Microscale Data
在这里，我们评估的适用性图神经网络（GNNs）预测晶粒尺度的弹性响应的多晶金属合金。利用GNN代理模型，预测了低固溶度高耐火（LSHR）Ni合金和Ti 7wt%Al（Ti-7Al）面心立方和六方密排合金在单轴弹性拉伸过程中的晶粒平均应力。采用迁移学习方法，其中GNN代理模型使用晶体弹性有限元法（CEFEM）模拟进行训练，然后使用训练的代理模型来预测使用高能X射线衍射显微镜（HEDM）测量的微结构的机械响应。通过与传统平均场论预测、保留的全场CEFEM数据和测量的远场HEDM数据的比较，探索了使用各种微结构和微机械描述符输入节点特征到GNN的性能。弹性各向异性对GNN模型性能的影响和展望的扩展框架进行了讨论。
2022-08-30 cond-mat.mtrl-sci
A new constitutive model for tetragonal energetic single crystals
本文提出了一种新的考虑屈服的含能分子晶体四元对称性的单晶塑性模型。这个新的四元屈服准则是利用各向异性张量函数的表示定理发展起来的。它定义为任何类型的负载，并取决于四重晶格的特性（c/a比）。它涉及三个独立的塑性各向异性参数，可以表示为沿四个结晶方向的单轴屈服应力解析。该模型的能力的说明是为季戊四醇四硝酸酯（PETN）晶体。此外，我们提出了有限元细观尺度模拟的聚合物粘结炸药的响应的组成高能分子晶体的行为描述与弹性/塑性模型与屈服由新的单晶tetraquartz标准。模拟结果提供了洞察所发挥的作用的各向异性晶体塑性和晶体之间的相互作用的热机械响应下的动态压缩的PETN基聚合物粘结炸药（PBX）的总。
2021-11-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
High-resolution numerical-experimental comparison of heterogeneous slip activity in quasi-2D ferrite sheets
本研究通过准二维实验-数值框架，在单个滑移系统层面定量对比铁素体薄片的异质滑移活动，证明在晶体塑性模型中引入随机异质性对准确捕捉变形机制至关重要。
2024-02-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Elucidating microstructural influences on fatigue behavior for additively manufactured Hastelloy X using Bayesian-calibrated crystal plasticity model
The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；University of Oxford（牛津大学）
提出基于贝叶斯优化的晶体塑性模型校准方法，利用增材制造Hastelloy X疲劳数据，在75次迭代内高效校准，并揭示屈服和背应力参数主导应力-应变响应，大直径高Schmid因子晶粒为失效关键位置。
2024-12-06 cond-mat.mtrl-sci cs.CE cs.LG
Deep learning driven framework for optimization of polycrystalline microstructures under competing strength requirements
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；Hopkins Extreme Materials Institute（霍普金斯极端材料研究所）
提出深度学习驱动框架，用3D U-Net代理CPFE模拟，结合无导数优化和MMD可靠性区域，高效优化多晶铜微结构以平衡层裂与屈服强度，误差小于3%，耗时降低四个数量级。
2026-10-08 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
Numerical and data-driven modeling of spall failure in polycrystalline ductile materials
本研究利用耦合晶体塑性与内聚区模型的数值模拟生成数据，训练3D U-Net、FNO-3D和U-FNO三种深度学习代理模型，以预测多晶韧性材料在平板撞击下的层裂行为，发现U-FNO和3D U-Net性能优于FNO-3D，且U-FNO虽精度相当但训练成本更高。
2025-10-26 cond-mat.mtrl-sci
A physics-encoded Fourier neural operator approach for surrogate modeling of divergence-free stress fields in solids
Max-Planck Institute for Sustainable Materials（马克斯·普朗克可持续材料研究所）；Max-Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems（马克斯·普朗克复杂技术系统动力学研究所）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）
本文提出物理编码傅里叶神经算子PeFNO，通过将无散应力约束直接编码进网络架构，实现对固体准静态应力场的代理建模，并在多晶材料单轴拉伸算例中验证其满足力学平衡的精度优于PgFNO和PiFNO。
2025-02-04 cond-mat.mtrl-sci cs.CE cs.LG
Modeling contrary size effects of tensile- and torsion-loaded oligocrystalline gold microwires
当Chen等人（2015，Acta Mater. 87，78-85）研究了具有不同直径的寡晶金微丝在单轴拉伸和扭转中的变形行为，对于不同的载荷情况观察到相反的尺寸效应。在伴随的显微组织研究中发现，不同厚度的微丝分别在晶粒尺寸和织构上显示出明显的差异。因此，假设这些微结构变化对确定的尺寸效应有显著影响。然而，在他们的工作框架内，只能直接证实晶粒尺寸的影响。在目前的工作中，与梯度塑性理论的微丝的尺寸依赖的力学响应建模。通过对简化颗粒集料的有限元模拟，研究了两种加载条件下纹理对尺寸效应的影响。结果表明，实验观察到的相反的尺寸效应，只有当考虑到个别纹理的不同厚度的微丝内的建模可以重现。
2016-05-19 cond-mat.mtrl-sci
Influence of deformation and annealing twinning on the microstructure and texture evolution of face-centered cubic high-entropy alloys
研究了等原子态CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）在变形和退火过程中激活的物理机制对显微组织和织构演变以及力学性能的影响。采用冷轧和退火相结合的方法来研究HEA的变形、恢复、部分再结晶和完全再结晶状态。通过电子背散射衍射、透射电子显微镜和X射线衍射进行了详细的微观结构和织构分析。使用单轴拉伸试验评价机械性能。本次调查的一个具体重点放在研究变形和退火孪晶对材料行为的影响。结果表明，在冷轧变形过程中，孪晶促进了Cu型织构向Cu型织构的转变，而退火孪晶则对再结晶过程中形成的织构产生强烈的改性作用。实验和元胞自动机模拟结果证实了特定孪晶取向的形成和再结晶织构的随机化。在冷轧和退火材料的拉伸过程中，观察到高的加工硬化性。我们将这种行为主要归因于平面位错滑移的主导地位和动态恢复的趋势降低，因为观察到变形孪晶仅在非再结晶晶粒中激活，因此对整体塑性的贡献最小。详细讨论了形变/退火孪晶与材料行为的关系。
2017-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Identification of dislocation reaction kinetics in complex dislocation networks for continuum modeling using data-driven methods
金属的塑性形变涉及位错的复杂演化，形成强连接的位错网络。这些位错网络是基于位错反应，它可以在不同滑移系的相互作用过程中形成结。通过适当的物理基础理论提取塑性形变过程中的网络行为的基本原理对于晶体塑性模型是必不可少的。在这项工作中，我们演示了如何从离散位错动力学模拟知识，以连续为基础的配方可以通过应用物理为基础的位错网络演化理论。通过使用数据驱动的方法，我们验证了一个滑移系相关的网络演化速率公式。本文分析了面心立方单晶体在高对称和非高对称取向下单轴拉伸载荷作用下的不同离散位错动力学模拟数据集。在这里，我们集中在第二阶段塑性形变的反应演变。我们基于物理的网络演化模型依赖于塑性剪切速率和位错密度所描述的位错行程距离。我们揭示了反应动力学的晶体取向和相互作用的滑移系统，这可以描述的施密德因子的活动的依赖。研究发现，新反应密度的产生主要是由主动滑移系统驱动的。然而，所产生的反应密度的沉积并不一定取决于所考虑的滑移系的滑移系活性，即我们观察到特别是对于滑移和共面反应，在非活性滑移系上的反应密度的沉积。
2022-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Mesoscale modeling of deformations and defects in thin crystalline sheets
本文提出基于相场晶体及其振幅展开的表面介观模型，统一描述薄晶体片的弹性、屈曲与位错，并通过数值模拟验证其尺度桥接能力。
2024-08-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Quantification of plastic deformation in anorthite using micropillar compression
GFZ Helmholtz Centre for Geosciences（GFZ德国地球科学研究中心）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）
本研究利用微柱压缩实验定量测量了钙长石不同滑移系和机械孪晶的强度，发现孪晶最易激活，滑移强度随温度变化，为理解地壳流变提供了关键数据。
2026-10-08 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
