Generative reconstruction of 2D and 3D polycrystalline microstructures using symmetrized hyperspherical harmonics
Helmholtz-Zentrum Hereon（亥姆霍兹海雷恩中心）；TU Dresden（德累斯顿工业大学）；Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学）；Leuphana University Lüneburg（勒普纳吕讷堡大学）
本文提出一种基于方向的可微微结构表征与重建框架，利用四元数和对称超球谐函数生成多晶微结构，通过空间相关性和变分正则化器实现高保真重建，有效克服传统方法的数值奇异性和不连续性。
2026-05-14 cond-mat.mtrl-sci
Triple junction drag effects during topological changes in the evolution of polycrystalline microstructures
实验，理论和原子模拟表明，有限的三重结迁移率的非平衡三重结角在不断发展的多晶系统的结果。这些角度已被预测和验证的情况下，晶界迁移是稳态的。然而，由于改变晶粒尺寸和拓扑事件（例如，晶粒面/边缘转换-“$T_1$“过程，或晶粒消失“$T_2$“或“$T_3$“过程）。我们研究了拓扑事件附近的三重结角的非稳态演化，并表明发生了从平衡和/或稳态角的大偏差。我们分析了三重结角$τ$的特征弛豫时间考虑一对拓扑事件，从稳态迁移。利用数值计算结果和理论分析，我们预测如何三重结角随时间变化，以及如何$τ$随三重结迁移率变化。我们认为，正是在这些情况下，晶界移动迅速（例如，纳米晶体材料中的拓扑过程），有限三结迁移率三结角的经典稳态预测是不适用的，只能定性地应用。
2017-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Conditional grain-graph diffusion for property-guided inverse design of polycrystalline microstructures
Department of Materials Science and Engineering, University of Toronto（多伦多大学材料科学与工程系）
提出条件晶粒图扩散框架，结合增强晶粒图神经网络，高效实现双相Ti-6Al-4V微结构的性能引导逆设计，生成候选性能接近预设且晶体学一致性高，运行速度远快于随机搜索与进化优化。
2026-08-04 cond-mat.mtrl-sci
Role of microstructure and structural disorder on tribological properties of polycrystalline diamond films
采用热灯丝化学气相沉积法在硅衬底上制备了具有从微晶到纳米晶结构的系统性变化的多晶金刚石薄膜。利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射仪（XRD）和拉曼光谱仪（Raman）对金刚石薄膜的形貌和结构进行了分析。金刚石薄膜的平均粗糙度和晶粒尺寸随甲烷与氢气的比例从0.5%增加到3%而减小。此外，在这些金刚石薄膜中的结构无序增加，从拉曼光谱证明晶粒尺寸的减小。摩擦系数（CoF）被发现是非常低的所有的电影。然而，发现平均CoF随着晶粒尺寸从约1微米减小到约20 nm而从0.011 +/-0.005增加到0.03 +/-0.015。通过FESEM、AFM纳米级摩擦和Raman光谱对磨损痕迹进行分析后发现，微晶金刚石发生了剪切诱导非晶化，磨损率可以忽略不计，而纳米金刚石薄膜发生了剪切诱导塑性形变，没有发生非晶化。一个全面的机制，观察到的CoF的微观结构，结构紊乱和剪切引起的摩擦化学反应在滑动界面的框架进行了讨论。
2019-01-09 cond-mat.mtrl-sci
An integrated full-field model of concurrent plastic deformation and microstructure evolution: Application to 3D simulation of dynamic recrystallization in polycrystalline copper
在高温下的许多时间依赖性变形过程产生显著的并发微观结构变化，可以以深刻的方式改变机械性能。这种微观结构的演变通常是缺乏中尺度变形模型和模拟。在这里，我们提出了一个集成的全场建模方案，耦合的机械响应与底层的微观结构的演变。作为第一个演示，我们集成了基于快速傅立叶变换的弹粘塑性（FFT-EVP）模型与相场（PF）再结晶模型，并进行三维（3D）模拟多晶铜的动态再结晶（DRX）。FFT-EVP和PF之间基于物理的耦合是通过以下方式实现的：（1）在FFT-EVP中采用基于位错的本构模型，其允许将预测的位错密度分布转换为存储的能量分布并传递到PF，以及（2）实施用于DRX的随机成核模型。与实验DRX应力-应变曲线校准，集成模型能够提供全场的力学和微观结构信息，从DRX可以实现定量描述和分析。有人建议，DRX的启动发生显着早于以前的预测，由于非均匀变形。DRX晶粒被揭示为在晶界和结（例如，四重连接），并且在生长期间倾向于保持与旧晶粒的三线。由此产生的应力重分布被发现有深远的影响，随后的位错演化和软化。
2015-12-02 cond-mat.mtrl-sci
Stochastic 3D microstructure modeling of twinned polycrystals for investigating the mechanical behavior of $γ$-TiAl intermetallics
本文提出含相邻孪晶和内含孪晶的γ-TiAl多晶随机三维微观结构模型，结合傅里叶全场计算揭示孪晶对弹性响应的软化作用远大于形貌差异，并验证了双尺度均匀化估计。
2024-02-28 cond-mat.mtrl-sci
Scaling Properties of Polycrystalline Graphene: A Review
我们提出了一个概述的电，机械和热性能的多晶石墨烯。这种材料的大多数全局性质，例如电荷迁移率、热导率或杨氏模量，对其微观结构敏感，例如晶粒尺寸和线或点缺陷的存在。多晶石墨烯的局部和全局特性已经通过各种模拟和实验测量进行了研究。在这篇综述中，我们总结了多晶石墨烯的特性，并通过建立微观结构如何影响其大规模物理特性的观点，我们的目标是为进一步优化和改进基于这种材料的应用提供指导，例如柔性和可穿戴电子产品，以及高频或自旋电子器件。
2016-12-06 cond-mat.mtrl-sci
Observation of Bulk Plasticity in a Polycrystalline Titanium Alloy by Diffraction Contrast Tomography and Topotomography
多晶金属的机械性能由3D微观结构内变形产生的缺陷的相互作用决定。在通过滑动变形的材料中，塑性通常在微观结构内高度不均匀。许多实验工具可以用来观察样品自由表面滑移事件的结果;然而，只有少数方法可以对这些事件进行批量成像。在这篇文章中，三维微结构内的体滑移事件的成像，使通过结合使用X射线衍射衬度层析成像和拓扑层析成像。通过高分辨率数字图像相关法、X射线衍射衬度层析法、形貌层析法和相位衬度层析法在Ti-7Al变形过程中的相关测量，研究了X射线形貌层析法在体块滑移事件观测中的灵敏度。比以前的研究能够映射更大的晶粒邻域，使滑移传输的定量测量。表面和散装晶粒之间观察到显着差异，表明需要三维观察塑性更好地了解多晶材料的变形。
2021-11-10 cond-mat.mtrl-sci
OptiMic: A tool to generate optimized polycrystalline microstructures for materials simulations
多晶微结构以其独特的物理、化学、结构和拓扑实体，在决定材料的有效性能方面起着重要作用。特别是对于计算研究，众所周知的Voronoi曲面细分技术经常用于获得微结构。然而，标准的Voronoi曲面细分显示出的统计数据通常与真实微观结构中的统计数据相差甚远。然而，这种镶嵌可以被优化以获得在真实微结构中看到的某些关键特征和统计数据。在这项工作中，我们开发的开源软件包OptiMic，使生成优化的微观结构的有限元以及原子模拟。OptiMic允许单分散颗粒以及目前通过Voronoi镶嵌获得的不规则颗粒。然后可以优化这些初始微结构以反映所需的统计特征。该工具的一个关键特性是，它通过可定制的成本函数为用户提供了对优化过程的广泛控制。该软件目前使用Voronoi方法进行镶嵌，并且可以很容易地扩展到包括其他方法，如晶粒生长，相场等。
2021-07-06 cond-mat.mtrl-sci cs.CE
High-fidelity modeling of interface crossing in the diffusion welding process at the polycrystalline scale
针对扩散焊中晶界穿越界面的问题，本文采用 Level-Set 方法开展多参数二维全场微观结构模拟，并提出、测试和讨论两种穿越测量模型。
2025-07-28 cond-mat.mtrl-sci
An artificial neural network for surrogate modeling of stress fields in viscoplastic polycrystalline materials
本工作的目的是开发一个人工神经网络（ANN）的替代建模的粘塑性晶粒微观结构的机械响应。为此，训练基于U-Net的卷积神经网络（CNN）来解释材料行为的历史依赖性。训练数据采用准静态拉伸载荷下von Mises应力场的数值模拟结果的形式。训练的CNN（tCNN）可以准确地再现平均响应以及局部冯米塞斯应力场。tCNN计算未包含在训练数据集中的晶粒微观结构的von Mises应力场，比基于相应初始边界值问题的谱求解器的数值解的计算快约500倍。tCNN还成功地应用于其他类型的微结构形态（例如，矩阵包含类型拓扑）和不包含在训练数据集中的负载水平。
2022-08-29 cond-mat.mtrl-sci
Laguerre tessellations and polycrystalline microstructures: A fast algorithm for generating grains of given volumes
我们提出了一种快速算法，用于生成具有给定体积单元的拉盖尔图，该算法可用于创建多晶材料的RVE以进行计算均匀化，或用于将拉盖尔图拟合到金属的EBSD或XRD测量。给定一个列表所需的细胞体积，我们解决了凸优化问题，找到一个拉盖尔图与这些体积的细胞，任何规定的公差。该算法是建立在计算几何和最优输运理论的工具，据我们所知，还没有被应用到微观结构建模之前。我们通过生成具有用户定义的体积分布的RVE来说明该算法的速度和准确性，该体积分布在3D中具有多达20，000个颗粒。在标准台式PC上，我们可以实现小于小于1%的体积百分误差（以分钟为单位）。我们还给出了多分散微观结构的例子，带，集群和尺寸梯度，并拟合拉盖尔图的三维EBSD测量的IF钢。
2020-06-30 cond-mat.mtrl-sci math.OC
A physics-informed neural network for quantifying the microstructure properties of polycrystalline Nickel using ultrasound data
我们采用物理信息神经网络（PINNs），通过计算材料的顺应性系数（压缩性，刚度和刚度）的空间变化来量化多晶镍的微观结构。PINN的监督与现实的超声波表面声波场数据采集的超声波频率为5 MHz的多晶材料。超声波场数据被表示为材料的顶表面上的变形，该变形使用激光测振法测量。超声波数据进一步补充了使用基于有限元的求解器生成的波场数据。神经网络的物理通知的平面内和平面外的弹性波方程和它的收敛加速使用自适应激活功能。这项工作的首要目标是使用PINN来推断材料的顺应性系数的空间变化，对于超声，PINN涉及弹性波的空间变化速度。更广泛地说，由此产生的PINN为基础的代理模型显示了一个很有前途的方法来解决不适定的反问题，经常遇到的材料的非破坏性评估。
2021-10-05 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Graph Neural Network for Predicting the Effective Properties of Polycrystalline Materials: A Comprehensive Analysis
本文提出 PGNN 图神经网络，基于逾5000个三维多晶微结构高通量数据预测 Li7La3Zr2O12 的电导率与弹性质，误差低于1.4%，并分析特征重要性、外推及迁移学习。
2023-06-08 cond-mat.mtrl-sci
PolyCrysDiff: Controllable Generation of Three-Dimensional Computable Polycrystalline Material Structures
PolyCrysDiff通过条件潜在扩散框架实现了可计算的多晶材料三维微结构可控生成，有效提升了晶粒属性控制精度，为多晶材料的优化设计提供新方法。
2026-03-12 cond-mat.mtrl-sci cs.CV
Resonant States in the Electronic Structure of the High Performance Thermoelectrics AgPb$_{m}SbTe$_{2+m}$ ; The Role of Ag-Sb Microstructures
采用梯度修正密度泛函理论对一类新型四元化合物AgPb $_{m}SbTe$ {2+m}$的电子结构进行了从头算计算，发现它们具有优良的高温热电性能，在800 K时的优值ZT ~2.2.我们发现当Ag和Sb取代Pb时，PbTe体材料导带的价带顶和导带底附近出现共振态。这些状态可以用修饰的Te-Ag（Sb）键来理解。间隙附近的电子结构敏感地依赖于Ag-Sb原子的微观结构安排，这表明大的ZT值可能源于这些有序安排的性质。
2004-08-11 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure-dependent local strain behavior in polycrystals through in situ scanning electron microscope tensile experiments
利用激光烧蚀多晶金属（镍基高温合金Rene 88 DT）表面铂纳米颗粒的数字图像相关技术，获得了室温下原位扫描电子显微镜拉伸实验的局部应变行为。通过将此信息与EBSD的晶体学取向融合，随后的分析表明，平均最大剪切应变倾向于随着施密德因子的增加而增加。此外，最大剪切应变的极端值范围也在靠近晶界处增加，这意味着在多晶Rene 88 DT中，在刚刚超过屈服的应变下，晶界和三重结会积累塑性。原位实验阐明这种类型的微观结构-性能关系对于理解高温下多晶金属中的损伤成核可能是重要的。
2009-05-27 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-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
Enhanced thermopower and low thermal conductivity in p-type polycrystalline ZrTe5
报道了p型ZrTe_5多晶在2 - 340 K温度范围内的热电性能。热电功率（S）为正值，在340 K时随温度升高，S可达458 uV/K。费米能值为16 meV，表明载流子密度较低，约为9.5 × 10^18 cm-3。在38 K时观察到S数据的急剧异常，这似乎是p型ZrTe 5的固有特征。热导率值较低（在T = 300 K时为2 W/m-K），主要贡献来自晶格部分。电阻率数据显示在T ~ 150 K时金属向半导体的转变以及半导体区域中的非Arrhenius行为。的优值zT（0.026在T = 300 K）是约63%，高于HfTe 5（0.016），并优于传统的SnTe，p型PbTe和双极原始ZrTe 5化合物。
2017-08-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Growth, structure, micro-structure and magneto transport of an easy route synthesized bulk polycrystalline TiSe2
本文报道了一种简便的合成块状多晶TiSe 2的方法。通过粉末X射线衍射（PXRD）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）分别测定相纯度和显微结构。通过拉曼光谱分析的TiSe 2的振动模式显示Ag和Eg模式的发生。在180K附近的输运测量中观察到电荷密度波（CDW），在冷却和加热测量中观察到滞后。此外，所研究的TiSe 2在CDW以下显示负磁阻（MR），在CDW以上显示小的正MR。
2022-03-29 cond-mat.mtrl-sci
High-fidelity level-set modeling of diffusive solid-state phase transformations for polycrystalline materials
针对多晶尺度下相变与晶界迁移割裂的问题，提出耦合 ThermoCalc、支持多元合金与形核建模的高保真水平集框架。
2024-05-01 cond-mat.mtrl-sci cs.CE
On the role of boron, carbon and zirconium on hot cracking and creep resistance of additively manufactured polycrystalline superalloys
研究了三种不同硼、碳和锆含量的镍基高温合金的热裂敏感性和蠕变抗力。对于含硼、碳且不含锆的合金，可实现无裂纹和抗蠕变部件。然后，我们合理化这一结果，通过评估硼，碳和锆是如何分布在晶界上的建成和热处理的微观结构的合金含有所有这些元素。观察是通过扫描和透射电子显微镜，原子探针断层扫描。在完工显微组织中，由于溶质分配到液体中以及凝固和冷却期间有限的固态扩散，硼、碳和锆在高角度晶界处偏析。热处理后，晶界处硼和碳的偏聚量显著增加。相比之下，在晶界处未发现锆，但其在热处理期间形成的γ '沉淀物处分配。已知在竣工状态下晶界处锆的存在容易增强热裂纹，而其在热处理微观结构中的缺失强烈表明该元素对抗蠕变性没有重大影响。根据我们的观察，我们提出了合金设计指南，以避免在制造过程中出现热裂纹，并在热处理后达到所需的蠕变性能。
2021-05-18 cond-mat.mtrl-sci
Influences of Granular Constraints and Surface Effects on the Heterogeneity of Elastic, Superelastic, and Plastic Responses of Polycrystalline Shape Memory Alloys
采用实验和模拟相结合的方法研究了多晶记忆合金在超弹性应力作用下的变形不均匀性。原位X射线衍射，特别是远场高能衍射显微镜（ff-HEDM）技术被用来非破坏性地测量的位置，晶体取向，弹性应变张量和体积为数百个奥氏体晶粒在超弹性加载的镍钛（NiTi）形状记忆合金的晶粒平均统计。该实验数据还用于在有限元模型内创建合成微结构。然后，利用各向异性弹性力学模拟拉伸加载过程中的晶内应力的发展。从这些应力中计算出相变和滑移的驱动力。单个奥氏体晶体的晶粒平均响应检查之前和之后的多个应力诱导的转变事件表明，在试样内部的晶粒进行更多的应力和塑性变形小于表面晶粒的超弹性响应摇下来。单个晶粒内的异质性检查表明，晶界附近的区域表现出较大的应力变化相比，晶粒内部。这种晶内异质性更强烈地驱动的约束，相邻的晶粒比初始应力状态和个别晶粒的取向。
2017-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Comparison of evolving interfaces, triple points, and quadruple points for discrete and diffuse interface methods
界面的演化是许多物理过程所固有的，从流体中的空化到固体中的重结晶。界面运动的计算建模带来了许多挑战，其中许多挑战与模拟过程中可能发生的拓扑转换范围有关。由于晶界性质的极端多样性、异质性和各向异性，涉及晶界运动的多晶材料中的微结构演化是特别复杂的示例。然而，准确地模拟这一过程对于确定多晶材料中的工艺-结构-性能关系至关重要。在这种材料中的微观结构演变的模拟通常使用扩散界面方法，如相场方法，其具有多功能性和易于处理复杂几何形状的优点，但由于需要高界面分辨率而可能过于昂贵。离散界面方法需要更少的网格点，因此可以表现出更好的性能，但受到的关注相对较少，可能是由于维护网格和一致地实现晶界网络上的拓扑转换的困难。这项工作明确地比较了最近开发的离散界面方法的多相场方法在多晶材料的微观结构演变的几个经典问题：收缩球形晶粒，稳态三重结二面角，和稳态四重点二面角。在每种情况下，离散方法被发现满足或优于多相场法的精度可比水平的细化，证明其潜在的功效作为一种数值方法的微观结构演变多晶材料。
2022-06-30 cond-mat.mtrl-sci
Construction of 3D-Ferroelectric Polarization Microstructure and Detection of Polarization Invariants under Induced Flexoelectric Strains
Indian Institute of Technology Hyderabad（印度理工学院海德拉巴分校）
本研究开发结合PFM的极化分量分辨成像技术，在BCZT薄膜中引入挠曲电应变检测到高压下的单斜相新极化不变量，为异相多晶体系逆模型开发奠定基础。
2026-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Particle pinning during grain growth -- A new analytical model for predicting the mean limiting grain size but also grain size heterogeneity in a 2D polycrystalline context
本文提出一种新解析模型，预测二维多晶中粒子钉扎导致的极限晶粒尺寸及异质性，量化晶界截获粒子数，确定最大化异质性的条件，并与全场模拟和相场计算验证，结果吻合良好。
2024-04-06 cond-mat.mtrl-sci
Neural Network Accelerated Process Design of Polycrystalline Microstructures
Duke University（杜克大学）；Virginia Tech（弗吉尼亚理工大学）；Stanford University（斯坦福大学）
针对多晶微观组织工艺设计中传统模拟计算效率低、工艺路径选择指数增长的问题，提出融入物理约束的神经网络方法学习基本工艺下的微观组织演化，在铜微观组织刚度优化实验中实现686倍加速且误差仅0.053%。
2023-05-03 cond-mat.mtrl-sci cs.CE cs.LG
Grain boundary-induced martensitic transformations: A phase-field study of nucleation, size-effect, triple junction-effect, microstructures, and compatibility at the nanoscale
基于Ginzburg-Landau型多相相场方法，提出了一种考虑界面结构应力的纳米尺度下多晶材料晶界诱发马氏体相变的数值模拟方法。在该方法中，N个独立的序参量用于描述奥氏体（A）<->马氏体（M）相变和N（>1）个马氏体变体，另外M个独立的序参量用于描述多晶样品中的M（>1）个晶粒。利用GB（s）的可变能量作为与AM变换有关的序参量的函数，考虑了由于MT期间其结构重排而引起的GB能量的变化<->。一个丰富的绘图之间的转变温度的A，预马氏体，和M的双晶体与对称的平面倾斜GB绘制不同的奥氏体GB宽度。在具有对称或非对称平面或圆形倾斜的各种双晶中探索了参数（包括奥氏体GB宽度、由于MT引起的GB能量变化、GB取向差、施加的应变和样品尺寸）对相的非均匀形核以及随后复杂的马氏体微观结构演变的强烈影响。GB在正向和反向转变期间。三重结（TJ）的能量和相邻的GB的能量和宽度也被示出强烈影响的成核和微结构使用具有三个对称的平面倾斜GB的三晶体。研究了微结构在晶界上的相容性。绘制了跨GBs和TJ区域的弹性和结构应力，这对于理解GBs和TJ在材料失效中的作用至关重要。
2022-06-18 cond-mat.mtrl-sci
Structural and Electronic Properties of Amorphous and Polycrystalline In2Se3 Films
测量了γ-和κ-In_2Se_3的非晶和单相多晶薄膜的结构和电子性质。稳定的γ相在膜体中均匀成核并具有高电阻率，而亚稳的κ相在膜表面成核并具有中等电阻率。热沉积和退火后的冷沉积γ薄膜的微观结构有很大的不同，但电子性质是相似的。退火后的非晶In 2 Se 3薄膜的电阻率的增加被解释为在结晶过程中的In-In键与In-Se键的替代。在制备用于电测量的In 2Se 3薄膜时必须非常小心，因为过量硫属元素或表面氧化的存在可能会极大地影响薄膜性能。
2003-03-19 cond-mat.mtrl-sci
Fitting the grain orientation distribution of a polycrystalline material conditioned on a Laguerre tessellation
描述与晶粒微观结构相关的分布有助于物理学家理解材料中的过程及其性质。本文提出了一种通用的统计方法，用于分析晶粒的晶体取向在一个三维拉盖尔镶嵌数据集，它代表了多晶材料的微观结构。我们引入复杂的随机模型，这可能会取代昂贵的实验室实验：有条件的拉盖尔镶嵌，我们建议的立方晶格取向的分布，其中的相互作用是相邻晶粒的镶嵌方向对之间的相互作用模型。我们讨论的参数估计和模型比较方法的基础上，最大pseudolikastrophic以及图形化的程序，模型检查使用模拟。我们的方法被应用于分析一个数据集表示镍钛记忆合金。
2022-11-04 cond-mat.mtrl-sci stat.AP stat.ME
Domain wall-grain boundary interactions in polycrystalline Pb(Zr0.7Ti0.3)O3 piezoceramics
在铁电薄膜和双晶中，晶界和畴壁之间的相互作用被广泛研究。然而，这方面的知识还没有转移到多晶陶瓷，其中晶粒尺寸代表了一个强大的工具，以定制的介电和机电响应。在这里，我们涉及的大块多晶Pb（Zr0.7Ti0.3）O3的介电和机电性能的变化与晶界畴壁的相互作用。制备了晶粒尺寸在3.9 - 10.4微米范围内的样品，并研究了它们的微观结构、晶体结构和介电/机电性能。晶粒尺寸的减小伴随着大信号机电性能的降低和小信号介电常数的增加。高能衍射分析表明，增加微应变后，减小晶粒尺寸，而piezoresponse力显微镜表明，增加局部矫顽电压附近的晶界。因此，性能的变化与靠近晶界的应变材料体积有关，表现出降低的畴壁动力学。
2020-02-24 cond-mat.mtrl-sci
Simulations of multivariant Si I to Si II phase transformation in polycrystalline silicon with finite-strain scale-free phase-field approach
采用无标度相场方法（PFA）和相应的有限元方法（FEM）模拟了多晶聚集体中立方Si Ⅰ到四元Si Ⅱ的马氏体相变（PT）。该模型的重要特征是大的和非常各向异性的相变应变张量$\varepsilon_{t}=\{0.1753;0.1753; -0.447\}$和应力张量依赖的非热耗散阈值PT，这产生了计算的基本挑战。具有55和910随机取向晶粒的3D多晶体在周期性边界条件和零平均横向应变下经受单轴应变和应力控制载荷。耦合演化的离散马氏体显微组织，马氏体变体和Si II的体积分数，应力和相变应变张量，和织构的介绍和分析。宏观变量有效地代表多变量的转换行为。55和910晶粒的宏观应力-应变和相变行为接近（差异小于10%）。这使得宏观本构方程的确定，通过处理骨料与少量的颗粒。大的相变应变和晶界导致数十GPa的巨大内应力，影响微观组织演变和宏观行为。与单晶相反，由于PT和负的局部切线模量的局部机械不稳定性在宏观尺度上通过由晶界阻止/减缓Si II区域的生长并产生内部背应力来稳定。这导致PT期间的压力增加。所开发的方法可用于研究类似的PT与大的转化菌株，并进一步发展，包括塑性应变和应变诱导的PT。
2023-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Impedance spectroscopy study on post-annealing-tuned polycrystalline CaCu3Ti4O12 films: Evidence of Barrier Layer Capacitor Effects
本文采用脉冲激光沉积（PLD）技术在Pt/Ti/SiO2/Si（100）衬底上制备了多晶CTO薄膜，并对其沉积态和退火后的电学性能和微结构进行了研究。我们的研究结果表明，沉积的多晶CCTO薄膜是由绝缘晶界与半导体晶粒，表明高介电常数归因于势垒层电容器（BLC）的效果。采用简单的阻容等效电路和修正的恒相元件电路描述了阻抗谱，计算结果与实测曲线吻合较好。晶粒和晶界的电阻和电容可以通过改变退火气氛和温度来调节。在无氧退火气氛下，晶界的电阻变化较大，而晶粒的电阻变化不大。而在氧气气氛下退火，则相反.在此基础上，论证了CCTO多晶薄膜中晶粒电阻率的来源是氧的损失，而晶界则接近氧的化学计量。
2004-10-09 cond-mat.mtrl-sci
Enhanced creep performance in a polycrystalline superalloy driven by atomic-scale phase transformation along planar faults
预测在役零件的机械失效需要了解其变形行为，以及相关的动态微观结构演化，直至近原子尺度。已知溶质与由塑性形变产生的缺陷相互作用，从而影响它们在整个微观结构中的位移，并因此影响材料对激发的机械响应。这种效果在这里研究了多晶镍基高温合金与两个不同的Nb含量，导致其蠕变寿命的显着变化。在750 ℃和600 MPa下的蠕变试验表明，高Nb合金在蠕变应变速率方面表现得更好。考虑到相似的初始微观结构，机械行为的差异归因于沿平面缺陷发生的相变，由不同类型的堆垛层错和合金成分控制。电子沟道衬度成像显示两种合金中存在堆垛层错。微孪晶仅在低Nb合金中观察到，部分地合理化较高的蠕变应变速率。在高铌合金中，原子探针断层扫描证明了两种不同类型的堆垛层错的分配行为的基础上。发现超晶格本征层错（SISF）富集在Nb，Co，Cr和Mo，而只有Nb和Co偏聚在超晶格非本征层错。基于它们的成分，局部相变沿故障发生的建议，导致在高铌合金蠕变应变速率较慢。相比之下，在低Nb合金中，主要发现富集Co、Cr、Nb和Mo的SISF。根据本文提出的结果和文献中的结果，提出了一种原子尺度驱动的合金设计方法，该方法控制并促进750 ℃下沿平面断层的局部相变，旨在设计具有增强的抗蠕变性的高温合金。
2020-11-05 cond-mat.mtrl-sci
A microstructure-sensitive electro-chemo-mechanical phase-field model of pitting and stress corrosion cracking
本文提出一种微结构敏感的电-化学-力学相场模型，通过引入晶体取向依赖性和双电层边界条件，揭示了多晶微结构对点蚀与应力腐蚀缺陷形态和动力学的显著影响。
2024-03-29 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Unified Phase-Field Framework for Antiferroelectric, Ferroelectric and Dielectric Phases: Application to HZO Thin Films
Kookmin University（建国大学）；Kangwon National University（江原国立大学）
本研究提出统一相场框架用于模拟氧化铪基电容器的铁电、反铁电和介电相行为，通过晶粒拓扑和取向显式建模，揭示垂直相排列对开关特性的影响。
2026-02-15 cond-mat.mtrl-sci
Enhancement of polarization and magnetization in polycrystalline magnetoelectric composite
磁化的电控制或极化的磁控制在同时具有电和磁偶极矩的材料中提供了额外的自由度，磁电多铁性确定了具有多晶配置的微结构，其增强了整体极化/磁化，并且优于单晶配置。多晶配置对应的本地字段的表征强调非平凡的作用，发挥了更好的交叉耦合介导的各向异性和非对称应变的随机性。
2021-03-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.comp-ph
Computational modelling of hydrogen assisted fracture in polycrystalline materials
我们提出了一个相场和凝聚区相结合的氢脆配方，解决了金属的多晶微观结构。与以前的研究不同，我们的变形-扩散-断裂建模框架考虑了氢-微观结构的相互作用，并明确捕获了体（穿晶）断裂和晶间断裂之间的相互作用，后者通过晶界脱粘等机制由氢促进。我们展示了潜在的理论和计算公式，通过模拟晶间和穿晶开裂在相关的案例研究。首先，进行验证计算，以显示该框架如何预测预期的定性趋势。其次，该模型被用来模拟最近的实验纯镍和镍铜高温合金，吸引了特别的兴趣。我们表明，该模型是能够提供一个很好的定量协议与测试数据，并产生一个机械的基本原理的实验观察。
2022-07-15 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Phase-field modeling of biomineralization in mollusks and corals: Microstructure vs. formation mechanism
虽然生物结晶过程已在微观尺度上进行了广泛的研究，解决这种现象的中尺度方面的模型是罕见的。在这项工作中，我们调查是否相场论发展在材料科学描述复杂的多晶结构的介观尺度上可以有意义地适用于模拟生物系统中的结晶。我们展示了相场技术的能力，通过模拟一系列的微观结构中观察到的软体动物壳和珊瑚骨骼，包括颗粒状，棱柱状，片状/柱状珍珠层，和洒球晶结构。我们还比较了两种可能的钙化微观机制：经典的路线，通过从流体状态和非经典的路线，结晶的无定形前体沉积在固化前通过离子的离子添加。我们表明，适当选择的模型参数的微观结构中发现的生物矿化系统中可以得到沿这两条路线，虽然时间尺度的非经典路线似乎更现实。模拟和天然生物矿物的相似性表明，在生物体中观察到的巨大生物复杂性之下，生物结构的基本设计原理可以用简单的数学来理解，并通过相场论来模拟。
2020-12-01 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Pb addition on microstructure, transport properties and the critical current density in a polycrystalline FeSe0.5Te0.5
研究了Pb添加对FeSe0.5Te0.5超导体的影响，发现高含量Pb会削弱晶粒耦合并抑制超导渗流，而少量Pb（x=0.05）能通过改善相均匀性和晶粒连接性提升全磁场下的临界电流密度Jc。
2023-08-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.app-ph
Large-scale multiscale modeling of phase transformation in nanocrystalline materials: Atomistic and Phase-Field methods
本研究将原子分子动力学模拟与介观相场计算方法相结合，以研究多晶铝微结构中的相变。事实上，工程材料的微观结构计算建模可以帮助优化其工业应用的机械性能（例如涡轮叶片的定向凝固）。因此，多尺度建模方法的开发，以找到制造变量（如温度）和晶体材料的微观结构特性（如晶粒尺寸）之间的关系，这可以用来开发一个先进的制造工艺的敏感应用。结果表明，晶粒生长的原子模型可以作为研究相变动力学的第一性原理方法，更准确地描述多晶材料的形貌。另一方面，相场介观方法需要较少的计算工作量，但仍然依赖于半经验数据来捕捉准确的相变制度，这使得这种方法适合于快速检查新的制造条件以及其对多晶材料的微观结构性能的影响。
2019-06-17 cond-mat.mtrl-sci
The anisotropic grain size effect on the mechanical response of polycrystals: The role of columnar grain morphology in additively manufactured metals
本文针对增材制造金属的柱状晶粒形态，提出轴向晶粒尺寸与各向异性描述符，通过晶体塑性模拟揭示晶粒尺寸各向异性对力学响应各向异性的贡献呈平方反比关系。
2023-11-14 cond-mat.mtrl-sci
Effect of ZrB$_2$ additions on the thermal stability of polycrystalline diamond
本文研究了添加ZrB $_2$对多晶金刚石显微结构、热稳定性和热机械磨损性能的影响。在高压高温（HPHT）烧结之后，ZrB $_2$材料显示出粘结相完全转化为硼化钴（Co2 B和Co $_{23}$ B $_6$）相。原位PXRD和TEM真空退火实验观察到，与STD-PCD材料的$850^{\circ}C$相比，ZrB $_2$材料的本体石墨化的开始发生在高于$1000^{\circ}C$。ZrB $_2$ -PCD工具显示出优异的热机械磨损行为，在高温干摩擦测试期间表现出增加的耐久性和稳定的磨痕进展。然而，在低温湿磨试验期间观察到ZrB 2-PCD工具的耐磨性降低，这可能是由于ZrB 2添加剂样品中金刚石邻接度降低。可以探索进一步优化ZrB $_2$添加剂相含量、混合方法或烧结条件以改善这种新型PCD材料的耐磨性。
2023-02-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Microstructure and superconductivity of Ir-doped BaFe2As2 superconductor
通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电阻率和磁化强度测量研究了标称成分为Ba（Fe 1-xIrx）2As 2（x=0.10，0.15和0.20）的多晶样品。XRD和SEM结果表明，样品几乎为单相。在x=0.10的样品中观察到TC~28 K的体超导电性。TC~28 K是电子掺杂AFe_2As_2型（A=Ca，Sr，Ba）超导体的最高超导临界温度。对于x=0.10的样品，上临界场Hc 2（0）高达65 T。讨论了与共掺杂的情况下，基本的物理。
2009-12-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
VN-GraphGG: von Neumann--Mullins--based graph grain growth simulation
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；The Hong Kong University of Science and Technology (Guangzhou)（香港科技大学（广州））；Wuhan University（武汉大学）；HKUST Shenzhen-Hong Kong Collaborative Innovation Research Institute（香港科技大学深圳-香港协同创新研究院）
该研究提出VN-GraphGG方法，将VN定律与图神经网络结合，实现高效晶粒生长模拟，精度高且速度快，可用于研究动力学异质性对晶粒演化的影响。
2026-10-12 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Simultaneous achievement of large anomalous Nernst effect and reduced thermal conductivity in sintered polycrystalline topological Heusler ferromagnets
本研究通过火花等离子烧结法制备多晶Co$_{2}$MnGa板材，实现了大反常能斯特效应与降低的热导率，获得创纪录室温热电优值，揭示了多晶拓扑材料在横向热电应用中的潜力。
2025-06-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Dopant-segregation to grain boundaries controls electrical conductivity of n-type NbCo(Pt)Sn half-Heusler alloy mediating thermoelectric performance
未来热电材料的科学驱动设计需要深入了解微观结构和传输特性之间的基本关系。多晶材料中的晶界通过空间电荷效应引起的声子散射或电子俘获来影响热电性能。然而，目前缺乏对晶界相关特征的仔细研究，阻碍了性能的进一步优化。在这里，我们研究了n型NbCo 1-xPtxSn半Heusler合金，这是通过球磨和放电等离子烧结（SPS）合成的。在一个样品上进行SPS后退火，导致改善的低温电导率。用电子显微镜和原子探针断层扫描对两种样品的显微结构进行了观察。退火后，晶粒尺寸从约230 nm增大到约2.38 μm。Pt被发现在晶粒内和晶界处，在那里它局部地降低电阻率，如通过原位四点探针电导率测量所评估的。我们的工作展示了微观结构和电导率之间的相关性，通过调整晶界的化学成分为未来的微观结构优化提供了机会。
2021-07-01 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure evolution and thermal stability of equiatomic CoCrFeNi films on (0001)alpha-Al2O3
在（0001）a-Al_2 O_3（c-蓝宝石）衬底上，室温下制备了均匀的面心立方（fcc）CoCrFeNi多晶薄膜。研究了200 ~ 670 nm厚薄膜在973 ~ 1423 K温度范围内的相稳定性和形貌稳定性。fcc相持续存在，而<111>30-100 nm宽的柱状晶粒的原始织构演变成~10或~1000微米宽的晶粒。只有与蓝宝石具有特定取向关系的晶粒生长;如在纯面心立方金属（M）膜的情况下，发现4种取向关系（OR）：OR 1（M（111）[1-10]//α-Al 2 O 3（0001）[1-100]）和OR 2（M（111）[1-10]//α-Al 2 O 3（0001）[11-20]）及其孪生相关变体（OR 1 t和OR 2 t）。低于1000 K，膜的微观结构稳定成10微米宽的OR 1和OR 1 t孪晶膜厚度无关。在1000 K以上，OR 2和OR 2 t晶粒膨胀到超过膜厚度的1000倍以上的尺寸。在退火时，薄膜要么保持其完整性，要么破裂，这取决于晶粒生长和晶界开槽的竞争动力学。三重交界处的晶界，在电影的稳定性的主要演员，进行了跟踪。较薄的膜和较高的温度有利于膜破裂的去湿从孔槽在三重结下到基板。OR 2和OR 2 t晶粒的晶界迁移得足够快，以克服可能引发破裂的空穴的成核。OR 2和OR 2 t晶粒在这种复杂的合金中的生长速度比纯fcc金属在相同的同源退火温度。
2020-05-06 cond-mat.mtrl-sci
Line and Planar Defects with Zero Formation Free Energy: Applications of the Phase Rule toward Ripening-Immune Microstructures
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；George Mason University（乔治梅森大学）
本研究提出基于相律的零形成自由能条件，揭示了抗粗化微结构的形成机制与共存缺陷类型限制。
2025-08-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Phase-Field Study of Polycrystalline Growth and Texture Selection During Melt Pool Solidification
本研究通过相场模拟揭示熔池纵横比偏离1时织构由弱变强，归因于热梯度形状与方向，且与初始晶粒密度无关。
2023-02-07 cond-mat.mtrl-sci
Emergent grain boundary phases in stressed polycrystalline thin films
在多晶薄膜的合成过程中，晶界（GB）微结构影响残余应力的发展，并且受残余应力的发展影响。最近的研究表明，优选的生长方向和邻接晶体的旋转之间的挫折，以本地尖点GB能量导致内部应力局部纳米表面层周围的谷和脊，形成在紧急边界（eGB）。使用的连续框架，数值分析和全原子模拟的双晶$\langle 111\rangle$铜薄膜的组合，我们表明，eGB调整其表面形貌和旋转程度响应于外部应变。压缩有利于旋转和增长的低能量GB相（络合物）在eGB谷，而张力有利于过渡在eGB脊，应力引起的质量流出/流入，改变界面和变形能量之间的能量平衡的反映。分子动力学模拟的应变和生长的双晶薄膜显示，eGB的相变耦合到岛形成在表面的三重结，提供了一个直接的联系eGB相和表面台阶流。eGB结构，形态和力学之间的相互作用出现作为一个重要的成分，在薄膜生长过程中的应力和形态演变的预测性理解，多晶表面的多功能响应在不同的表面现象，如表面介导的变形，界面脆化，热开槽，应力腐蚀，表面催化和拓扑传导具有广泛的影响。
2022-12-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phase-Field Modeling of Coupled Brittle-Ductile Fracture in Aluminum Alloys
含析出相铝合金的断裂至少涉及两种机制，即富铝基体的韧性断裂和析出相的脆性断裂。在这项工作中，耦合晶体塑性相场模型的混合韧脆破坏模式的制定和使用的影响，在铝合金中的损伤演化的沉淀形态和尺寸分布的调查。在断裂过程区的弹性和塑性功耗散的一致性框架被用来制定脆性和韧性损伤的耦合本构行为，分别。产生具有不同颗粒形态和取向的代表性体积元（RVE），并模拟其单轴载荷以评估不同模型微结构的抗损伤性。对于铝基体的临界能量释放率$G_c$值范围为4至8 Jm $^{-2}$的单晶和10至16 Jm $^{-2}$的多晶体，该模型预测的变化，从颗粒脱粘到开裂，然后韧性基体失效。观察到颗粒失效机制的变化，作为增加$G_c$的结果，单，多晶模型微观结构。对于颗粒脱粘的情况下，与其他研究的情况相比，具有圆形或椭圆形颗粒（主轴垂直于加载方向）的微观结构显示出更高的延展性和断裂功。在颗粒开裂的情况下，与平行于加载轴排列的椭球形颗粒的显微组织显示出较高的延展性和断裂功之间的调查的情况下。模拟定性再现实验观察到的颗粒失效机制（开裂和脱粘）的两个不同的基体合金类（商业纯和2xxx合金）与陶瓷颗粒增强。
2022-04-29 cond-mat.mtrl-sci
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
Thermal response of the iron-based Ba122 superconductor to in situ and ex situ processes
热性能是控制多晶材料相纯度和显微结构的关键参数之一。铁基BaFe 2 As 2超导体（Ba 122）的熔点预计将用于高场应用，但仍存在争议。在这项工作中，热重-差示扫描量热法（TG-DSC）测量未掺杂和Co掺杂的Ba 122进行。制备了单质金属和预反应的Ba 122粉末的混合物，以分别研究原位和非原位合成路线期间的热响应。此外，淬火样品的相和微观结构进行了评价，以阐明所观察到的放热/吸热峰。结果表明，Ba 122的熔点约为1300°C。
2021-01-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
