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
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
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
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
A Data-Driven Method for Modeling Creep-Fatigue Stress-Strain Behavior Using Neural ODEs
本文提出基于神经常微分方程的数据驱动方法，利用Alloy 617蠕变-疲劳实验数据建立一维应力-应变模型，并通过SINDy符号回归提升可解释性，其精度超过标准Chaboche模型。
2025-05-05 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Crystallographic evaluation of low cycle fatigue crack growth in a polycrystalline Ni based superalloy
本文探讨了Haynes 282光滑杆件低周疲劳裂纹扩展的微观机制。采用裂纹尖端张开角（CTOA）和最大切向应力（θMTS）两种参数化方法对裂纹进行了表征。CTOA的变化，随着裂纹的传播，表现出一个非线性衰减，然后由一个稳定的制度。局部KI和KII场的混合度与θMTS成正比，可通过测量局部偏转来评估。在裂纹周围，通过EBSD和滑移传递分析，讨论了晶粒不相容性的作用。对于有利于亚表面裂纹扩展的晶粒，弹性模量（EM）和施密德因子（SF）存在临界界限，并且这些值存在超过极限阈值。SF-EM图标记了材料中裂纹和未裂纹晶粒的区域。在疲劳裂纹扩展过程中，还发现了组织中有利的孪晶基体不相容性，在裂纹区有大量的（211）面孪晶。基于Luster-Morris参数（LMP）的滑移传递分析已经进行了详细的滑移活动，弹塑性不相容性，和晶界几何形状之间的相互关系的调查。
2021-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Influence of composition and precipitation evolution on damage at grain boundaries in a crept polycrystalline Ni-based superalloy
研究了一种多晶镍基高温合金在850 $^\circ$ C蠕变前后晶间碳化物和硼化物的组织和成分演变。包裹在晶间$\rm γ'$层内的初级MC碳化物分解，导致形成不期望的$\rm η$相的层。这些层具有对应于Ni $_{3}$ Ta的组成，如通过原子探针层析术测量的，并且它们的结构与如通过透射电子显微镜揭示的D0 $_{24}$六方结构一致。电子背散射衍射表明，它们与相邻晶粒之间存在着不同的取向差。因此，这些层作为脆性再结晶区和裂纹萌生点。蠕变后MC碳化物的组成发生了很大变化，Ta含量降低，Hf和Zr含量增加，表明Hf和Zr的添加对MC碳化物的稳定性有有益的影响。相比之下，发现$\rm M_{5}B_3$硼化物在蠕变后微观结构稳定，并且没有实质性的组成变化。发现850 $^\circ$ C的硼化物变粗，在某些情况下导致进入$\rm γ'$耗尽区，然而，在那里没有观察到裂纹。讨论了在设计新型多晶高温合金时，第二相对高温合金组织稳定性的主要影响。
2019-01-07 cond-mat.mtrl-sci
Detection of the onset of yielding and creep failure from digital image correlation
在许多应用中，需要对结构材料的塑性和失效特性进行非破坏性评估。通过这种方式，安全性和弹性特征可以得到显著改善。然而，虽然故障可以通过裂纹可见，塑性通常是不可见的，高度依赖于微观结构。在这里，我们表明，一个方程的基础上的主成分分析的方法是能够检测屈服和三级蠕变发病，直接从应变场获得的数字图像相关性，适用于组件，连续和非破坏性。我们证明了该方法的适用性，以产生镍基海恩斯230金属合金多晶样品，其特征在于通过电子显微镜和基准使用连续多晶塑性建模。此外，我们成功地将这种方法应用于屈服在单轴拉伸的哈氏合金X多晶样品，也准脆性纤维复合材料在单轴拉伸下的三级蠕变的发病。我们的结论是，有关键功能的时空波动的局部应变场，可用于推断力学性能。
2022-11-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Characterisation of microstructural creep, strain rate and temperature sensitivity and computational crystal plasticity in Zircaloy-4
采用弯曲蠕变试验、数字图像相关、电子背散射检测和热机械拉伸试验相结合的方法，结合晶体塑性模型，研究了Zr-4合金的晶级应变速率敏感性和温度敏感性。从室温微尺度蠕变中提取晶体速率敏感特性，从热多晶响应中提取温度敏感特性。晶体塑性实验结果表明，由于交叉滑移激活，在缺口尖端附近观察到较大的微尺度蠕变应变，最大可增加50%。微尺度SRS是高度非均匀的，其晶体学敏感性依赖于塑性形变速率和潜在的基于晶粒的位错滑移激活。金字塔<c+a>滑移和总位错堆积是温度敏感织构对屈服和强度硬化的影响。多晶体的真实重构和准确的速率敏感单晶性质是捕获多尺度SRS的关键。
2021-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure-based fatigue life model of metallic alloys with bilinear Coffin-Manson behavior
提出了一种基于微观结构的多晶金属合金疲劳寿命预测模型，该模型具有双线性Coffin-Manson关系。该模型是基于在确定的最大值的疲劳指标参数获得的塑性能量消耗循环中的微观结构。疲劳指标参数通过使用晶体塑性有限元模型的微结构的代表性体积单元的计算均匀化而获得。基于微观结构的模型被应用于预测在400 $^\circ$ C下的IN 718的低周疲劳行为，其表现出双线性Coffin-Manson关系，假设该行为是由从低周应变幅下的高度局部化塑性到高周应变幅下的更均匀变形的转变触发的。模型预测与实验结果非常吻合的一个广泛的循环应变振幅和两个应变比（$R_ε$ = 0和-1），并证实了最初的假设。此外，他们提供了一个微观力学解释的影响，应变比的疲劳寿命在低循环应变幅。
2017-11-06 cond-mat.mtrl-sci
A micropolar continuum model of diffusion creep
固体多晶材料的扩散蠕变过程通常采用柯西连续介质模型描述，其粘性流变特性是依赖于晶粒尺寸的牛顿流体。这种连续体缺乏描述晶粒旋转所需的旋转自由度。在这里，我们提供了一个更一般的连续描述的扩散蠕变，包括晶粒旋转，并确定与微极（Cosserat）流体的材料的变形。我们推导出的微极本构张量的物理描述的离散收集刚性颗粒，要求离散和连续描述之间的等效耗散的均匀化的表达式。一般的本构关系推导出Coble（晶界扩散）和Nabarro-Herring（体积扩散）蠕变。详细的计算进行了二维平铺的不规则的六边形晶粒，这说明了一个潜在的耦合之间的旋转和平移的自由度。如果只考虑晶界处的材料的镀出或去除，则本构律是退化的：涉及晶界处的纯切向运动的变形模式不被抵抗。这种简并可以通过包括晶界滑动的阻力，或通过对变形施加额外的约束来消除。
2021-05-31 cond-mat.mtrl-sci
Experimental and numerical analysis of cyclic deformation and fatigue behavior of a Mg-RE alloy
Mg-1 Mn-0.5Nd合金的应变控制疲劳合金进行了实验和模拟研究。显微组织由分散的强织构晶粒（13%）嵌入具有随机织构的晶粒基体中组成。循环应力-应变曲线显示有限的拉压各向异性，因为有限的织构。由于孪晶的存在，压缩下的循环硬化和拉伸下的循环软化发生。此外，断裂试样的孪晶体积分数取决于试样是在拉伸还是压缩下断裂，表明在整个疲劳寿命期间都会发生孪晶-去孪晶。采用计算均匀化方法模拟了多晶合金的力学响应。使用现象学晶体塑性模型对Mg晶粒的行为进行建模，该模型考虑了基底、棱柱和锥体滑移（包括各向同性和运动硬化）以及孪晶和去孪晶。模型参数由不同循环应变幅下的循环应力-应变曲线标定。数值模拟被用来了解占主导地位的变形机制，并预测疲劳寿命的疲劳指标参数的基础上，在每个疲劳周期的累积塑性剪切应变的装置。
2020-10-06 cond-mat.mtrl-sci
Effect of severe thermo-oxidative aging on the mechanical behavior and fatigue durability of short glass fiber reinforced PA6/6.6
研究了短纤维增强热塑性塑料（SFRP）的疲劳寿命估算，重点研究了热老化的共轭效应。将含有35%（V35）和50%（V50）重量比的短玻璃纤维的两种材料在空气中在200{ \textdegree } ℃下老化500小时，并与处于干态模塑（DAM）状态的相同材料进行比较。在从注射板机加工出的样品中进行单调和疲劳试验，并沿注射方向的三个不同方向（0、45、90{ \textdegree }）切割，以捕获注射SFRP中典型的皮芯微结构的各向异性。单调拉伸试验证明了文献中报道的聚酰胺基质的硬化和脆化，但其敏锐度取决于基质比例和纤维取向。在恒定振幅、频率（10 Hz）、温度（200{ \textdegree }C）和应力比R=0.1条件下进行应力控制疲劳试验。V35的疲劳曲线比V50的疲劳曲线受老化的影响更大。从平均应变演变和SEM观察的综合结果证实，疲劳寿命估计的起始方法仍然是有效的，在老化复合材料。从该数据库中评价了文献中最近报告的几个疲劳标准。初步分析了时效对该准则中不同疲劳指标参数循环演化的影响。对于目前的疲劳条件，未老化材料的最佳标准（即基于循环蠕变能量的标准）被证明仍然是老化材料的最佳标准。最后，从未老化状态下的疲劳准则的识别来预测老化复合材料的疲劳寿命的能力进行了评估。
2022-11-17 cond-mat.mtrl-sci
Thermoelectromotive force of hafnium at plastic deformation in regime of creep at temperature of 300 K
精确测量了晶粒尺寸为10 μm的多晶铪（Hf）在300 K蠕变区塑性形变过程中的温差电动势和电阻率。结果表明，热电动势的大小取决于形变机制的性质，这是由于形变过程中电子在铪晶格中不同结构缺陷上散射的大小发生了变化。主要研究结论是，在准确表征铪的过程中，热电动势测量方法比电阻率测量方法更能提供信息。
2013-02-07 cond-mat.mtrl-sci
On the physical origin of fatigue phenomena
分数幂律材料的行为已被研究的框架内的一个修改的平均场论，其中高温结构的前体在晶体或多晶材料被视为部分有序的液体在很宽的温度范围内。通过这样做，可以通过修改的Landau-Khalatnikov方程来研究材料的弛豫行为。然后变得清楚的是，作为分数幂律行为的特殊情况，看似完全不同的疲劳现象和物理退化由基本物理现象支配，即，在一系列原子弛豫过程中，有序结构和部分有序高温结构前体之间的竞争。
2012-11-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Influence of the coating brittleness on the thermomechanical fatigue behavior of a $β$-NiAl coated R125 Ni-based superalloy
本研究探究了β-NiAl涂层R125镍基高温合金的涂层脆性对热机械疲劳行为的影响，通过多类试验与检测技术发现等温和循环氧化可提升涂层断裂应变并延长热机械疲劳寿命。
2024-06-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Phase field cohesive zone modeling for fatigue crack propagation in quasi-brittle materials
本文扩展相场内聚区方法以模拟准脆性材料（如混凝土）的疲劳裂纹扩展，通过多种疲劳行为和二维/三维边值问题验证，证明其能准确捕捉疲劳裂纹扩展，并给出改进预测能力的建议。
2024-02-04 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Creep and Fracture of a Protein Gel under Stress
已知生物材料如蛋白质或多糖凝胶定性地表现为软固体并且在外部载荷下破裂。结合光学和超声成像剪切流变学，我们表明，蛋白质凝胶的失败的情况是让人想起脆性固体：后的主要蠕变制度，其特征在于幂律行为的指数是完全占线性粘弹性，骨折成核和增长的垂直剪切，到凝胶的突然破裂。一个单一的方程占这两个连续的过程很好地捕捉完整的流变响应。破坏时间与所施加的剪应力遵循幂次递减规律，类似于固体的Basquin疲劳定律。这些结果是在最近的纤维束模型，包括损伤积累的弹性纤维和蛋白质凝胶作为模型，脆性样软固体的协议。
2014-08-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
A Three-dimensional Constitutive Model for Polycrystalline Shape Memory Alloys Under Large Strains Combined With Large Rotations
记忆合金（SMA）已经被广泛地意识到在工程工业中用作主动/智能变形结构的致动器。由于SMA的高致动能量密度，与其他活性物质相比，与基于SMA的致动器集成的结构在总体结构重量、完整性和功能性之间的权衡方面具有很高的优势。大多数SMA的本构模型是在无限小应变范围内开发的。然而，据报道，特定的SMA可以产生几乎高达8%-10%的转化应变，采用的无穷小应变假设不再合适。此外，工业应用可能需要SMA致动器在工作时经历大的旋转变形。结合上述两个事实，SMA的本构模型开发的有限变形框架是必要的。本文提出了一种考虑大应变、大转动的形状记忆合金三维本构模型。该模型利用对数应变作为大变形分析的有限应变测量，使得其速率形式的亚弹性本构关系可以一致地积分为基于自由能的超弹性本构关系。马氏体体积分数和二阶相变应变张量被选为内部状态变量来表征多晶SMA表现出的非弹性响应。所提出的配方和它的数值实施方案可以扩展到其他非弹性现象，如变形诱导塑性，粘塑性和蠕变下大变形在未来的工作。
2020-01-15 cond-mat.mtrl-sci
Effects of carbon nanotubes on grain boundary sliding in zirconia polycrystals
氧化锆多晶材料在高温下会发生热激活晶界滑移，导致塑性甚至超塑性形变，从而导致力学性能急剧下降。由于GB滑动是材料中能量耗散的来源，机械损耗测量非常适合于研究这种机制。他们揭示，在一般情况下，机械损耗峰值，这演变成一个指数增加在较高的温度。当多晶陶瓷中存在晶间玻璃膜或/和非晶口袋时，机械损耗整体较高，蠕变速率也较高。在这里，我们表明，在氧化锆中引入碳纳米管，特别是，大大减少GB滑动，从而在高温下的机械损失。通过高分辨率透射电子显微镜在晶界处观察到纳米管，并且纳米管与通过边界的超塑性流动的减少有关，这应该提高材料的抗蠕变性。
2007-11-02 cond-mat.mtrl-sci
Advanced creep modelling for polymers: A variable-order fractional calculus approach
本文提出一种变阶springpot模型，动态适应聚合物蠕变过程中的粘弹性变化，结合交叉熵方法校准参数，克服了固定阶次模型的局限，为长期材料性能预测提供了准确工具。
2025-10-13 cond-mat.mtrl-sci math.DS physics.app-ph
Mechanical behavior of high-entropy alloys: A review
高熵合金（High-entropy alloys，HEAs）是由等摩尔或近等摩尔的多个主成分组成但易于形成单一相的材料，是冶金领域的一个新的研究课题，近十年来引起了广泛的关注。HEA族包含面心立方（fcc）、体心立方（bcc）和六方密堆积（hcp）结构的HEA。一方面，机械性能，例如硬度、强度、延展性、疲劳和弹性模量，对于HEAs的实际应用是必不可少的。自从HEAs出现以来，科学家们一直在这个方向上进行探索。另一方面，追求高强度和良好的塑性是材料的关键研究问题。因此，加强高等教育机构是一个至关重要的问题。近年来，许多文章都在关注HEAs的强化策略[1-14]。在本章中，我们回顾了最近的工作在室温下的弹性性能和力学行为的HEAs，包括背后的塑性形变的HEAs在低温和高温的机制。此外，目前的工作检查的HEAs的强化策略，例如应变硬化，晶界强化，固溶强化，和颗粒强化。简要介绍了其疲劳、蠕变和断裂性能。最后，讨论了高能放大器未来的科学问题和挑战。
2021-02-17 cond-mat.mtrl-sci
A thermodynamic approach to nonlinear ultrasonics for material state awareness and prognosis
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
本文提出基于热力学框架的非线性超声学模型，用于材料损伤检测与预测，通过构建伪弹性应变能函数描述材料能量存储与耗散机制。
2016-10-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cs.CE
The influence of substantial intragranular orientation gradients on the micromechanical response of heavily-worked material
本研究利用高能X射线衍射显微术测量晶粒内取向场，通过3D微力学模拟发现，考虑晶粒内取向差对准确预测剧烈加工Al-7085的变形机制、应力与塑性应变分布及疲劳寿命至关重要。
2024-05-30 cond-mat.mtrl-sci
Grain boundary stresses in elastic materials
本文提出弹性多晶材料晶间法向应力的解析模型，通过微扰迭代从双晶扩展到三维晶粒链结构，并利用有限元模拟验证其准确性。
2022-07-22 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph
