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
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
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
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
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
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
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
A Variational Phase-Field Model For Ductile Fracture with Coalescence Dissipation
提出了一种新的韧性断裂模型相场。该模型是在一个一致的变分框架内开发的有限变形运动学的背景下。一种新的聚结耗散引入了一个新的塑性和断裂之间的耦合机制，通过降低断裂韧性作为等效塑性应变的增加。建议的模型进行了比较，最近的替代方案，其中塑性和断裂是强烈耦合。几个有代表性的数值例子激励特定的建模选择。特别是，一个线性裂纹几何函数提供了一个“未受干扰”的韧性响应裂纹萌生之前，和洛伦兹型退化功能，确保临界断裂强度保持独立的相场正则化长度。此外，该模型的响应被证明收敛与消失的相场正则化长度。然后，该模型被应用到校准和模拟具有复杂几何形状的铝试样的三点弯曲实验。建议的合并耗散耦合的实验模拟的效果首先在一个二维平面应变设置进行了研究。校准后的模型，然后应用到一个三维的计算，其中计算的载荷-挠度曲线和裂纹轨迹显示出良好的协议与实验观察。最后，该模型被应用到模拟裂纹的成核和生长的试样从最近的桑迪亚断裂挑战。
2021-03-11 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 finite element framework for distortion gradient plasticity with applications to bending of thin foils
提出了一种新的通用有限元框架来研究小尺度金属塑性问题。相对于应变梯度塑性理论，所采用的畸变梯度塑性公式的一个显著特征是塑性自旋的本构包含，如Gurtin（2004）通过依赖于Nye位错密度张量的自由能的处方提出的。所提出的数值方案是通过遵循和扩展Fleck和Willis（2009）建立的数学原理而开发的。弯曲下的薄金属箔的建模揭示了显着的影响，由于与高阶边界条件允许位错退出的机构的塑性剪切应变和自旋。如果模型中包括粘塑性或各向同性硬化，则该机制导致在弯矩与曲率方面的意外机械响应，取决于箔长度。为了研究耗散高阶应力的影响，还研究了非比例加载下的力学响应。
2017-11-15 cond-mat.mtrl-sci
A small-distortion geometric model for elasto-plasticity in single crystals driven by the motion of dislocations
Mathematics Institute, University of Warwick（华威大学数学研究所）
本文提出小畸变几何模型，基于小畸变假设与线张力近似，结合时空框架，实现由位错运动直接驱动的单晶弹塑性建模，并连接离散位错与连续介质理论。
2026-09-22 cond-mat.mtrl-sci
A simplified modelling of hydraulic fractures in elasto-plastic materials
本文分析了平面应变水力压裂裂缝在弹塑性材料中的扩展问题。一个新的应力重分布模型的附近的断裂尖端制定和由此产生的塑性相关的裂纹扩展条件的介绍。提出了一个修正的变型KGD问题，占塑性形变在近端区。结果表明，在中等塑性形变的情况下，该模型可以可靠地替代完全弹塑性水力劈裂问题。量化了由塑性形变引入的裂纹尖端屏蔽效应。
2021-12-16 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
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
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
Steady-state fracture toughness of elastic-plastic solids: Isotropic versus kinematic hardening
在韧性材料中扩展的I/II型裂纹的断裂韧性已经受到许多研究。然而，材料硬化定律的影响受到的关注非常有限，如果没有循环载荷，则各向同性硬化是默认选择。目前的工作扩展了现有的研究单调模式I/II稳态裂纹扩展的目标是比较预测从各向同性硬化模型与运动硬化模型。这项工作是通过一个专门构建的稳态框架进行的，该框架直接提供稳态解决方案。为了提供一个断裂准则，一个凝聚区模型被采用，并嵌入在裂纹尖端的稳态框架，而远场的控制算法，显着减少了平衡迭代的次数被用来耦合远场加载到正确的裂纹尖端开口。结果表明，稳态断裂韧性（屏蔽比）得到的随动硬化材料是大于相应的各向同性硬化情况。各向同性和运动学模型之间的差异与非比例加载条件和逆塑性有关。这也解释了当考虑模式II裂纹扩展时屏蔽比的消失差异，因为非比例加载不太明显，并且不存在反向塑性。
2018-12-08 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modeling of fatigue coupled to cyclic plasticity in an energetic formulation
本文提出了一个模型框架来描述脆性和韧性材料的循环破坏的驱动机制，包括循环塑性和疲劳裂纹扩展。一个变分模型设计使用率无关系统的能量制剂，耦合相场描述疲劳断裂的循环塑性模型，包括多表面运动硬化，梯度增强各向同性硬化/软化和棘轮效应。耦合模型嵌入了两个不同的疲劳效应。第一个捕获的低周疲劳的特征，驱动的塑性应变的积累，而第二个帐户的高周疲劳，驱动的自由能积累。这些机制之间的相互作用允许在力加载和位移加载下描述大范围的循环响应，如几个数值模拟所示。此外，相场断裂的方法占疲劳诱导裂纹的萌生和扩展。
2020-10-21 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
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
Modeling of Electro-deposition and Mechanical Stability at Li Metal/Solid Electrolyte Interface during Plating in Solid-State Batteries
Li金属和固体电解质（SE）之间的界面沉积稳定性对于防止Li金属固态电池（SSB）中的界面接触损失、机械断裂和枝晶生长是重要的。在这项工作中，我们调查的沉积和机械稳定性在锂金属/SE界面及其后果（如SE断裂和接触损失）。广泛的影响因素进行了研究，如电荷和质量传递动力学，锂金属的塑性和断裂的SE，和所施加的堆栈压力。我们量化的SE的离子电导率，交换电流密度的界面电荷转移反应和SE表面粗糙度上的Li沉积在Li金属/SE界面的稳定性的影响。我们还提出了一个机械稳定窗口的应用堆栈压力，可以防止接触损失和SE断裂，这可以扩展到其他金属电极（如钠）SSB系统。
2020-06-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Dissipative Visco-plastic Deformation in Dynamic Fracture: Tip Blunting and Velocity Selection
由于两个新表面的形成，在广泛类别的材料中的动态断裂揭示了比预期的标称表面能大得多的“断裂能”$Γ$。此外，断裂能取决于裂纹速度$Γ=Γ(v)$。我们表明，一个简单的动力学理论的粘塑性耦合到渐近纯线弹性提供了一个可能的解释上述现象。该理论预测尖端钝化的特点是动态确定的裂纹尖端的曲率曲率半径。此外，我们证明了速度选择裂纹在固定的抓地力带几何形状的识别伴随着$Γ$和它的速度依赖。
2006-05-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
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
Mode I and Mode II stress intensity factors and dislocation density behaviour in strain gradient plasticity
在这项研究中，我们使用的机制为基础的应变梯度塑性理论来评估裂纹尖端位错密度的行为和耦合效应的材料塑性特性和非线性振幅因子的固有材料长度。两个平面经典的应力-应变状态，即平面应变和平面应力，无论是在纯模式I和纯模式II加载条件下进行检查。本构关系是基于泰勒的位错模型，这使得获得洞察的作用，增加位错密度与大梯度的塑性应变裂纹附近。使用用户子程序的商业有限元（FE）软件包中实现的材料模型，和非线性应力强度因子（SIF）作为固有材料长度的函数进行评估，表征梯度效应变得显着的规模。作为位错密度分布的有限元计算的结果，断裂模式和应力-应变状态的影响被确定。在纯模式I中，几何上必要的位错（GND）密度相对于钝裂纹尖端对称地定位。相反，在纯模式II下，GND密度变得集中在裂纹尖端的钝化和尖锐的部分。在这种情况下，断裂萌生被证明是可能发生附近的裂纹尖端的钝化区域，在那里的应力三轴度和GND密度是在它们的最大值。讨论了位错密度的平衡态与内禀材料长度的关系以及塑性应力强度因子与加工硬化指数的关系。
2021-10-18 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
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
Mesoscale model of dislocation motion and crystal plasticity
基于相场描述，提出了一种一致的、小尺度的结晶固体塑性运动描述。通过允许由相场和晶格畸变给出的独立质量运动，固体可以在塑性运动的时间尺度上保持机械平衡。奇异（不相容）应变由相场确定，向相场添加平滑变形以满足机械平衡。数值实现的模型，并用于研究一个基准问题：在一个六角晶格的刃位错偶极子的运动。偶极间距的时间依赖性与经典弹性力学一致，没有任何可调参数。
2018-07-26 cond-mat.mtrl-sci
Strength-degradation phase-field regularization of cohesive fracture: the antiplane case
McMaster University（麦克马斯特大学）
本文提出反平面情形下的粘聚断裂强度退化相场正则化模型，整合多断裂理论为统一变分框架，推导闭式解、数值格式并验证等效粘聚律等特性。
2026-08-03 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.MP
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
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
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
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
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
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
A phase field model for elastic-gradient-plastic solids undergoing hydrogen embrittlement
我们提出了一个基于梯度的理论框架来预测弹塑性固体中的氢辅助断裂。该模型的新颖之处在于：（i）溶质物种的应力辅助扩散，（ii）应变梯度塑性，和（iii）氢敏感相场断裂配方的组合，灵感来自第一性原理计算。理论模型的数值实现使用混合有限元制剂和几个边界值问题得到解决，以获得物理洞察力和展示模型预测。结果揭示了塑性应变梯度的关键作用，在合理化decohesion为基础的参数，并捕捉到在富氢环境中观察到的脆性断裂的过渡。大裂纹尖端应力的预测，这反过来又提高了氢浓度，降低了断裂能。作为内聚强度的函数的稳态断裂韧性的计算表明，解理断裂可以预测在其他韧性金属使用敏感的值的材料参数和氢浓度。此外，我们计算裂纹扩展阻力曲线在各种各样的情况下，并证明该模型可以适当地捕捉的敏感性：塑性长度尺度，断裂长度尺度，加载速率和氢浓度。模型预测也进行了比较与现代超高强度钢，AerMet 100断裂实验。一个有前途的协议，观察与实验测量的阈值应力强度因子$K_{th}$在很宽的范围内施加的电位。
2020-07-14 cond-mat.mtrl-sci cs.CE cs.NA
Fracture resistance of zigzag single walled carbon nanotubes
脆性断裂是单壁碳纳米管在机械载荷作用下的重要失效模式之一。在本文中，锯齿形单壁碳纳米管与预先存在的缺陷的断裂阻力计算断裂力学概念的基础上原子模拟。在有限温度下的不稳定裂纹生长的问题，大概是由晶格捕获效应引起的，是通过计算应变能释放率通过一系列的单壁碳纳米管的位移控制的拉伸载荷（通过移动原子的最外层在一端以恒定的应变速率9.4x10-4/ps）预先存在的各种长度的裂纹状缺陷。应变能释放率，G，计算为（17，0），（28，0）和（35，0）单壁碳纳米管（每个纵横比为4）与预先存在的裂纹长达29.5微米。在三种不同温度（1 K、300 K和500 K）下，将断裂阻力Gc确定为每个管的裂纹长度的函数。观察到Gc对裂纹长度的显著依赖性，这让人联想到宏观尺度下金属的R曲线上升行为：对于锯齿形纳米管，Gc在小长度下随裂纹长度增加，并且如果管直径足够大，则趋于达到恒定值。我们推测晶格陷阱效应在原子尺度上起着裂尖塑性的作用。例如，在300开尔文，当裂纹长度超过20埃时，纵横比为4的（35，0）管的Gc收敛到6焦耳/m2。该值与石墨和硅的断裂韧性相当。随着温度的升高，管的抗断裂性能显著降低。为了研究长度效应，重复计算具有相同的三个手性，但纵横比为8的锯齿形纳米管在1 K。
2015-08-10 cond-mat.mtrl-sci
In situ mechanical testing of an Al matrix composite to investigate compressive plasticity and failure on multiple length scales
SiC颗粒增强铝基复合材料具有高强度、高耐磨性和优异的高温性能，但塑性和断裂韧性较低，限制了其在结构应用中的应用。本研究探讨了这种复合材料的塑性和故障的多个长度尺度上，从应变局部化通过一个复杂的微观结构，从基体的单个微粒的脱粘。三个微尺度支柱包含具有不同的复杂性和尺寸/体积分数的SiC颗粒的微观结构被用来研究这些功能对变形的影响。对于基体，纳米级金属间化合物内的Al晶粒的强化效果贡献最大，和Al晶界被证明是有效的障碍，防止应变局部化的主导剪切带，因此，灾难性的失败。当剪切局部化发生时，如果剪切带和界面对齐，则SiC颗粒可以从基体上脱粘。为了研究界面是否是一个弱点，在灾难性的故障，一些SiC颗粒从基体中分离出直接脱粘试验，这产生的界面强度是远远高于临界解析剪切应力的支柱表现出剪切局部化和界面脱粘。因此，基体-颗粒界面被排除作为一个可能的弱点，而不是剪切局部化被确定为机制，可以驱动随后的界面脱粘。
2020-12-18 cond-mat.mtrl-sci
A Finite Strain Constitutive Model Considering Transformation Induced Plasticity for Shape Memory Alloys under Cyclic Loading
记忆合金（SMA）的许多工程应用涉及多次来回通过相变。重复相变产生永久变形，该永久变形源自相变在马氏体-马氏体界面和晶界处诱导的显著变形。这种变形驱动位错活动，导致可观察到的宏观相变诱导塑性（TRIP）变形，其发生在远低于材料塑性屈服极限的有效应力水平下。在SMA部件的使用寿命期间，TRIP应变可能累积高达20%，因此需要有限应变本构模型来模拟其响应。在这项工作中，一个3-D有限应变模型的基础上开发的对数应变，这是唯一的应变措施，其速率等于拉伸，描述相变和TRIP变形在一个物理一致的设置。该模型通过用户定义的材料子程序（UMAT）在Abaqus有限元软件中实现。边界值问题，如条和扭矩管下的伪弹性和驱动循环载荷进行测试的能力，新提出的模型。
2018-12-19 cond-mat.mtrl-sci
Analysis of Fracture and Fatigue using Lagrangian Mechanics
许多人都知道理论的弹性断裂起源于机管局格里菲斯，虽然格里菲斯使用的定理最低势能大多数人似乎不知道更广泛的影响，这一定理。如果它是在它的经典力学根内设置的，很明显它是拉格朗日量的限制形式。在断裂的高级文本中，裂纹被视为动态实体，应力波的作用被清楚地阐明。然而，在大多数关于断裂和疲劳的非高级文本中，应力波的作用要么不包括，要么不强调，往往导致对断裂基本原理的误解。本文将Griffiths方法扩展到稳态作用的概念中，并引入一个准静态应力波卸载模型，将能量释放机制与应力场联系起来。这导致了一个动态应力强度因子的定义，然后将该模型应用于完全弹性和弹塑性材料的疲劳，包括裂纹尖端塑性。对Griffiths裂纹和动态情况的结果进行了回溯，以确定所用方法的有效性。扩展到疲劳给出了重要的新结果，这表明对于弹塑性材料，循环中最大应力作为屈服应力的一部分的影响，称为屈服应力比，尚未被认识到。新形式的疲劳裂纹扩展关系的推导回答了许多长期存在的问题，巴黎定律。
2017-10-04 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph
Machine-learning potentials for nanoscale simulations of deformation and fracture: example of TiB$_2$ ceramic
针对 TiB$_2$ 陶瓷，本文提出通过追加拟合构建机器学习原子间势，以实现从原子尺度到纳米尺度的单晶变形与断裂模拟，并评估其跨条件、跨相可迁移性。
2023-09-02 cond-mat.mtrl-sci
Insights into the mechanical properties and fracture mechanism of Cadmium Telluride nanowire
碲化镉（CdTe）纳米线的机械性能因其在光机电纳米器件中的应用前景而成为当今人们关注的焦点。本研究利用分子动力学模拟研究了闪锌矿（ZB）晶体结构的CdTe纳米线在不同尺寸、温度、晶体取向和应变率下的拉伸和压缩力学行为。结果表明，在拉伸条件下，[111]取向的CdTe纳米线的断裂强度始终高于[110]取向的CdTe纳米线，而在压缩条件下，[111]取向的CdTe纳米线的断裂强度明显低于[110]取向的CdTe纳米线。此外，在拉伸载荷下，在ZB [111]取向的CdTe纳米线中观察到空洞，这是本研究中发现的一种新的失效机制。还观察到，尺寸对拉伸行为的影响可以忽略不计，但在压缩中，行为明显依赖于尺寸。拉伸强度和压缩强度均与温度呈负相关关系。当沿纳米线生长方向施加拉伸载荷时，无论温度和纳米线尺寸如何，[111]取向的CdTe纳米线都通过在[10-1]方向上产生空洞而失效。在压缩条件下，[111]取向的纳米线表现出屈曲和塑性。最后，应变速率对[111]取向的ZB CdTe纳米线的影响也进行了研究，在拉伸和压缩下，在更高的应变速率下，发现了更高的断裂强度和应变。随着应变速率的增加，纳米线中空穴的数量也随之增加，通过对[111]取向CdTe纳米线失效行为的深入了解，有助于有效地设计CdTe纳米线基器件。
2019-03-01 cond-mat.mtrl-sci
In situ elucidation of mechanisms governing crack transition to plasticity arrest
National Physical Laboratory（英国国家物理实验室）；Department of Materials, Royal School of Mines, Imperial College London（帝国理工学院皇家矿业学院材料系）；Department of Mechanical Engineering, Imperial College London（帝国理工学院机械工程系）
研究通过原位实验揭示冷加工AA-5052合金裂纹在低驱动力下混合模式传播，并在裂纹尖端过程区扩展时转变为塑性主导裂纹，通过能量分区和过程区扩展实现阻滞。
2026-02-18 cond-mat.mtrl-sci
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
Crack propagation by activated avalanches during creep and fatigue from elastic interface theory
本文通过弹性界面理论研究了蠕变和疲劳过程中由激活雪崩驱动的裂纹扩展，提出依赖时间和协议的长度尺度来解释疲劳裂纹在应力松弛更大时生长更快的悖论。
2025-03-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Measurable geometric indicators of local plasticity in glasses
Monash University（莫纳什大学）；University of Milan（米兰大学）；US DEVCOM Army Research Laboratory（美国DEVCOM陆军研究实验室）；Australian Synchrotron, ANSTO（澳大利亚同步辐射中心，澳联原子能机构）
本文提出通过连续伯格斯向量和四极形应变两个几何指标，研究玻璃中局部塑性事件的可测量特征。
2026-01-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
On the incompatibility of strains and its application to mesoscopic studies of plasticity
结构转变总是受到晶格畸变的影响。如果物体要保持无裂纹，应变场不能是任意的，而必须满足圣维南相容约束。同样，在含有位错的介质中必须满足与实际位错网络一致的不相容性约束。这种约束可以被纳入基于应变的自由能泛函来研究位错对相稳定性的影响。我们提供了一个系统的分析，这个约束在三维空间，并显示如何三个不相容方程容纳任意的位错密度。这种方法允许通过最小化自由能来计算具有空间不均匀微观结构和位错分布的各向异性材料的内部应力场。通过计算刃型位错的应力场并与无限大各向同性介质中刃型位错的应力场进行比较，说明了这一点。我们概述了如何利用这个过程来研究的相互作用的塑性与极化和磁化。
2010-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Identification and characterization of three-dimensional crack propagation mechanism in the Aluminium alloy AA2024-T3 using high-resolution Digital Image Correlation
本研究利用高分辨率DIC和断口三维表征，结合有限元模拟，揭示了AA2024-T3铝合金中三维裂纹扩展机制，建立了由表面塑性区推断断裂类型和裂纹尖端载荷的映射关系，并发现断裂类型转变会引起裂纹扩展速率短期延迟。
2024-04-02 cond-mat.mtrl-sci
An extended Rice model for intergranular fracture
针对金属沿晶断裂中的位错发射问题，本文扩展 Rice-Beltz 模型以纳入晶界局部结构转变，并结合 12 种对称倾斜晶界的 Fe 双晶 MD 模拟验证其对临界动态 SIF 的预测。
2024-10-26 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Grain Orientation and Local Strains on Void Growth and Coalescence in Titanium
韧性断裂在具有弱力学各向异性的金属如铜和铝中得到了广泛的研究。更各向异性的金属，特别是那些具有六方晶体结构的金属（例如钛）的断裂仍然远未被理解。本文研究了工业纯钛（CP-Ti）的韧性断裂过程，着重研究了晶粒取向和局部应变状态对孔洞生长的影响。一种实验方法被开发出来，以直接关系到一个空洞的生长在三个维度，其底层的晶粒取向。晶粒取向得到了电子背散射衍射含空隙的CP-Ti片之前，他们的扩散连接。空隙尺寸的变化进行了测量，在现场应变的X射线断层扫描系统。嵌入的晶粒取向和它的邻居的空洞的生长速率和合并的强烈影响已被实验量化。有限元晶体塑性模拟，同时考虑到晶粒取向和局部应变状态被发现预测的实验空隙增长。基底滑移占主导地位的晶粒显示出最大的空隙生长速率，因为它们更接近于有利于空隙生长和聚结的平面应变条件。
2019-06-03 cond-mat.mtrl-sci
The Plastic Origin of van der Waals material GaGeTe
Key Laboratory of Micro-systems and Micro-structures, Manufacturing of Ministry of Education Harbin Institute of Technology（教育部微系统与微结构制造重点实验室 哈尔滨工业大学）
研究揭示GaGeTe的高塑性源于Ga原子避免脆性Ge Te键，并通过强键形成的蜂窝晶格实现高键强度，为无机半导体的塑性设计提供新思路。
2026-02-20 cond-mat.mtrl-sci
Unravelling the mechanisms underlying crack initiation in additively manufactured steel
University of Michigan（密歇根大学）；ESRF, The European Synchrotron（欧洲同步辐射装置）；Michigan Center for Materials Characterization, University of Michigan（密歇根大学材料表征中心）；ENSCM（法国国家化学工程学院）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；Mines Paris, PSL University（巴黎矿业学院，PSL大学）
研究增材制造钢裂纹萌生机制，结合多模态技术观察裂纹尖端塑性三维演变，发现锻造钢与增材制造合金在裂纹尖端塑性表现不同，揭示抗断裂能力受其空间演变控制，为提高损伤容限提供机理框架。
2026-07-10 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
