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
Hydrogen Effect on Plastic Deformation and Fracture in Austenitic Stainless Steel
氢对奥氏体不锈钢断裂行为的影响已在过去进行了研究[1][2]。据报道，断裂起始于夹杂物和增强应变局部化区域的空隙形成[3]。有实验证据支持氢影响材料断裂过程中的空隙成核、生长和聚结的事实[4]。本文研究了氢对奥氏体不锈钢中孔洞生长和合并的影响。通过分析单晶代表体积元（RVE）的应力应变响应，研究了氢对不同应力三轴度下空洞生长和合并的影响。结果表明，应力三轴度越大，屈服所需的等效应力越小。无论材料是否暴露于氢气，这种响应都是相似的。较低的等效应变值屈服经历了较高的应力三轴度的氢自由和氢化的样品。氢在高应力三轴度下减缓了空隙的生长，但在低应力三轴度下促进了空隙的生长。对于较低的三轴度，氢的存在下，发现最初抑制空隙生长在低等效应变值。然而，这种效果逆转在较高的等效应变值和氢被发现，以促进空隙生长。氢促进或抑制空隙生长的效果已经显示出随着氢浓度的增加而在幅度上增加。
2019-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Localization of elastic deformation in strongly anisotropic, porous, linear materials with periodic microstructures: exact solutions and dilute expansions
精确解推导出的问题的二维，无限各向异性，线弹性介质包含一个周期性的晶格空隙。基体材料具有一个无限软，或一个无限硬加载方向，这诱导局部（奇异）场配置。在每种情况下，计算有效弹性模量作为孔隙率的函数。它们的稀释膨胀具有孔隙度的半整数幂，这可以与局部场模式相关。统计特性的字段，如他们的第一时刻和直方图提供，特别强调后者的奇异性。系统的行为附近的空隙紧密堆积分数也进行了研究。这项工作的结果揭示了强非线性多孔介质，最近已获得的“二阶”均匀化方法的装置，并在稀释的估计也表现出分数幂的孔隙度的相应结果。
2007-10-12 cond-mat.mtrl-sci
Stochastic Generation of Particle Structures with Controlled Degree of Heterogeneity
最近开发的空隙膨胀法（VEM）允许在很宽的体积分数范围内的球形颗粒的多孔填料的有效生成。该方法是基于一个随机放置的结构颗粒下添加的小得多的“空隙颗粒”，其半径在空隙膨胀过程中反复增加。因此，它们重新排列结构颗粒，直到形成致密的颗粒堆积，并在结构中引入局部不均匀性。在本文中，VEM产生的体积分数为0.4和0.6之间的微观结构进行了分析，就其程度的非均匀性（DOH）。特别是，空隙结构颗粒的数量比，这构成了一个主要的VEM参数，对DOH的影响进行了研究。使用孔径分布、Voronoi体积分布和密度波动方法结合拟合函数或积分测量来量化DOH。该分析表明，对于体积分数在0.4和0.55之间的空隙-颗粒数允许DOH的准连续调节。此外，VEM生成的微结构的体积分数为0.4的DOH范围进行比较，所覆盖的范围由使用以前的布朗动力学模拟，这代表了凝固的胶体悬浮液的结构生成的微结构。这两组微结构覆盖了类似的宽和重叠的DOH范围，这使得可以得出结论，VEM是一种有效的方法来随机再现具有不同DOH的胶体微结构。
2010-07-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Interaction of void spacing and material size effect on inter-void flow localisation
多孔金属中由于微米级孔洞的生长和合并而导致的韧性断裂过程不仅受到外加应力状态的影响，而且还受到孔洞分布和材料尺寸效应的影响。这项工作的目的是要了解的相互作用的空隙间距（或韧带）和由此产生的梯度诱导材料的尺寸效应的空隙聚结的范围内施加的应力状态。为此，三维有限元计算的单胞模型与离散的空隙嵌入在应变梯度增强材料矩阵进行。计算进行了一系列的初始空隙间韧带的大小和施加的应力状态，其特征在于固定值的应力三轴度和洛德参数。我们的研究结果表明，在没有应变梯度对材料响应的影响，减少空隙间韧带的大小导致空隙聚结的倾向增加。然而，在应变梯度增强的材料基质中，应变梯度使空隙间韧带中的材料硬化，并降低空隙间韧带尺寸对空隙聚结倾向的影响。
2020-11-10 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Yield criterion and finite strain behavior of random porous isotropic materials
基于快速傅立叶变换方法，研究了含随机分布初始球形孔洞的各向同性弹塑性材料的力学响应。在恒定应力三轴度的数值极限分析模拟允许确定屈服面，特别是导致聚结/不均匀屈服开始的代表性体积元素尺寸的确定。此外，观察到两种不同的合并制度，不同的剪切的存在。屈服面被认为是一致的，在文献中提出的两个模型的组合，一个GTN型模型校准均匀屈服的随机多孔材料和一个不均匀的屈服模型占合并或不剪切。有限应变模拟不同的硬化模量和轴对称加载条件下的应力三轴确认RVE的存在，直到发病的不均匀屈服。聚结应变被发现是显着较小的随机多孔材料比周期性分布的空隙。最后提出了一个均匀化模型，定量再现了各向同性弹塑性材料的行为，包含随机分布的孔隙有限应变。
2020-12-18 cond-mat.mtrl-sci
Influence of the microstructure on the mechanical behavior of nanoporous materials under large strains
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Institute of Materials Research, German Aerospace Center（德国航空航天中心材料研究所）；Keele University（基尔大学）
该研究针对纳米多孔材料力学性能受微观结构影响的问题，采用计算框架探究大变形下其力学结构-性能关系，识别出相互依赖的微观结构参数，为通过控参指导优化多孔材料合成提供依据。
2024-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Evolution of Glassy Carbon Microstructure: In Situ Transmission Electron Microscopy of the Pyrolysis Process
玻璃碳是从聚合物热解获得的元素碳的富含石墨烯的形式，其由三维排列的弯曲石墨烯片段以及无序碳和空隙的部分组成。热解包括在惰性气氛下将聚合物逐渐加热至900 ℃以上，然后冷却至室温。在这里，我们报告的实验方法进行原位高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）的直接可视化的微观结构演变的热解聚合物在500-1200摄氏度的温度范围内。与现有的玻璃碳微观结构模型的结果进行了比较。所报告的实验在80 kV加速电压下进行，使用基于MEMS的加热芯片作为样品基板，以最小化任何不期望的光束损伤或样品制备诱导的变换。结果表明，所产生的石墨烯碎片内的几何形状，膨胀和原子排列不断变化，并且中间结构为玻璃碳的演变提供了重要线索。对热解过程的完整理解将允许对前体聚合物进行特定的一般过程调整，以获得具有预定义性质的玻璃碳。
2018-05-30 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Graded Bias Voltage on the Microstructure of arc-PVD CrN Films and its Response in Electrochemical & Mechanical Behavior
研究了梯度偏压和恒定偏压（-40 V、-80 V和-40/60/80 V）对电弧PVD沉积CrN薄膜晶粒尺寸和表面缺陷的影响。使用电化学阻抗谱（EIS）和动电位曲线（塔菲尔）和机械性能评价的仪器化纳米压痕和划痕测试的耐腐蚀性进行了评估与显微结构的变化。结果发现，由于存在缺陷（即开放空隙、液滴），偏压变化会影响腐蚀行为，这也会影响失效机制并增加spectrum。由于CrN涂层的致密微观结构，高偏压（~ 80 V）增加了纳米硬度和弹性模量。
2018-10-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Modelling hydrogen induced stress corrosion cracking in austenitic stainless steel
本文建立了一个模拟单晶奥氏体不锈钢变形和氢对应力腐蚀开裂影响的模型。该模型基于晶体塑性理论，将临界分解剪应力与晶体的塑性应变和强度联系起来。我们提出了一个解析表示的氢与材料的微观结构在变形过程中的相互作用，并模拟氢将在断裂前的空洞生长的影响。断裂前晶体机械性能的变化受晶体塑性变形时氢原子和位错系综的相互作用控制，并基于氢增强局部塑性（HELP）机制。通过分析氢对含孔洞材料力学性能的影响，考虑了氢对孔洞生长的影响。所提出的模型已经实现了使用用户材料（UMAT）在有限元软件（ABAQUS）的子程序的数值模拟结果与实验数据进行比较，并已得到验证。影响参数已被改变，以了解其影响和测试灵敏度。
2019-10-16 cond-mat.mtrl-sci
Effects of Substrate Temperature on Indium Gallium Nitride Nanocolumn Crystal Growth
采用等离子体增强蒸发法在非晶SiO2衬底上制备了具有纳米柱状结构的铟氮化镓薄膜。FESEM和XRD的结果表明，更多的结晶纳米柱状微结构可以在较低的铟成分工程。纳米柱直径和填充因子（空隙率）被发现是高度依赖于基板温度，与更薄，更紧密地包装在较低的基板温度下观察到的纳米柱。
2012-03-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Surface Morphology and Phase Stability of Titanium Foils Irradiated by 136 MeV 136Xe
用136 MeV的136 γ射线辐照一叠钛箔，以研究辐照后钛的微观结构损伤和相稳定性。采用X射线衍射、扫描电子显微镜/能谱和原子力显微镜研究了由此产生的钛的显微组织损伤和相稳定性。我们观察到多晶钛在2.2 × 1015离子/cm ~ 2辐照后从α-Ti（六方密排（hcp））到面心立方（fcc）的相变。用1.8 × 1014-2.2 × 1015离子/cm ~ 2辐照Ti，形成空洞、小丘、位错环、位错线以及多边形脊网。
2013-01-08 cond-mat.mtrl-sci nucl-ex
Effect of substrate roughness and material selection on the microstructure of sputtering deposited boron carbide thin films
无定形碳化硼（B4 C）薄膜是迄今为止用于基于10 B的中子探测器中的中子转换层的最流行的形式，这是响应于用于中子探测的标准材料3 He的日益稀缺和价格的探测器技术的上升趋势。B_4C薄膜的微观结构与转换层的密度、附着力等重要性能密切相关，最终影响探测器的探测效率和长期稳定性。为了研究不同粗糙度和不同材料的衬底对B4 C薄膜的影响，采用直流磁控溅射法，在衬底温度为623 K的条件下，分别在抛光的Si衬底和未抛光的Si、Al、Ti和Cu衬底上沉积了B4 C薄膜。在SEM图像中通常观察到的锥形柱状晶粒和结节状缺陷表明在晶粒周围引入空隙的强烈阴影效应。晶粒尺寸的变化并没有表现出直接依赖于基板的粗糙度，从表面轮廓，也没有获得的膜的质量密度，从反射率图案。然而，具有不均匀尺寸的柱状晶粒的膜沉积在具有高偏斜度的衬底上，导致质量密度从表列体积密度的~ 95%下降到~ 70%。另一方面，在不同粗糙度的Al、Ti和Cu上沉积的B_4C薄膜具有相似的微观结构和质量密度，并通过横切附着力测试观察到良好的附着力，表明在中子探测器常用结构材料上溅射沉积B_4C薄膜的可靠性。
2022-01-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
The Influence of the Degree of Heterogeneity on the Elastic Properties of Random Sphere Packings
胶体颗粒凝胶的宏观力学性能强烈地依赖于粉末颗粒的局部排列。实验表明，在相同的体积分数下，更多的异质微结构表现出比它们更均匀的对应物高一个数量级的弹性性能。在本文中，填充的球形颗粒被用作模型结构计算研究的弹性性能的凝结颗粒凝胶作为其程度的非均匀性的函数。离散单元模型包括线弹性接触定律、颗粒粘结和阻尼。模拟参数进行了校准，使用一个均匀的和异质的微观结构起源于早期的布朗动力学模拟。作为非均匀性程度的函数的弹性性能进行了系统的研究，使用两组从布朗动力学模拟和从空隙膨胀法获得的微观结构。这两组数据涵盖的异质性程度范围很广，而且在很大程度上相互重叠。模拟结果表明，作为非均匀性程度的函数的弹性性质与结构生成算法无关，并且剪切模量与非均匀性程度之间的关系可以很好地用幂律来描述。这表明存在一个临界程度的不均匀性，因此，一个相变之间的相位与有限和一个零弹性性能。
2012-02-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
An examination of local strain fields evolution in ductile cast iron through micromechanical simulations based on 3D imaging
本研究通过对比DVC测量与有限元模拟，检验球墨铸铁局部应变场，评估应变作为聚结指标的可行性，发现宏观应变预测一致，局部应变在部分试样存在差异。
2022-04-25 cond-mat.mtrl-sci cs.CE
The influence of structural disorder on magnetic domain formation in perpendicular anisotropy thin films
采用共振软X射线散射、磁测量、X射线反射率和显微镜技术相结合的方法，研究了一系列垂直各向异性Co/Pt多层膜的磁性能和微结构，并通过改变溅射沉积压力来调节其结构无序性。所观察到的磁畴尺寸、形状和相关长度的磁性变化源于样品中的结构和化学变化，例如化学偏析和晶粒形成以及表面和界面处的粗糙度，这些都受到沉积压力的影响。对于低压力的样品，我们发现一个随机的“类气体”分布的磁畴的证据，而在较高的压力样品的域结构只表现出短距离的“类液体”的位置有序。由较高的沉积压力引起的结构和化学无序首先导致限制自由畴壁传播的磁点缺陷的数量增加。然后，随着溅射压力进一步增加，由于形成具有减小的磁矩的局部区域，磁畴壁能量密度降低，并且最终出现限制磁畴和磁簇的磁空隙区域，类似于分离的粒状磁纪录介质。
2013-05-14 cond-mat.mtrl-sci
Precise algorithms to compute surface correlation functions of two-phase heterogeneous media and their applications
在$d$维欧氏空间$\mathbb{R}^d$中通过各种$n$点关联函数定量表征随机非均匀介质的微观结构是非常重要的，因为相应的无限集决定了介质的有效物理性质。特别地，表面-表面$F_{ss}$和表面-空隙$F_{sv}$关联函数（可从辐射散射实验获得）包含关键的界面信息，其使得能够估计介质的传输性质（例如，平均存活时间和流体渗透率），并补充了传统的两点关联函数的信息内容。然而，目前涉及采样表面关联函数的技术困难一直是其广泛使用的绊脚石。我们首先提出了一个简明的推导这些功能，这是链接到系统的\textit{mean curvature}的小$r$行为。然后，我们证明了一个可以减少计算复杂性的问题，通过提取必要的界面信息，从一个无限长的线切割系统。因此，我们设计算法的基础上，这一想法和测试他们在连续和离散空间的两相介质。特别是对于重叠领域的精确基准模型，我们发现数值和精确的结果之间非常吻合。我们计算各种其他模型微结构的表面关联函数和相应的局部表面积方差，包括处于平衡状态的硬球、装饰的“隐形”图案以及演变的斑图形成过程的快照（例如，旋节分解）。它表明，表面关联函数的精确测定提供了一个强有力的手段来表征一个广泛的类复杂的多相微结构。
2018-07-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
