A unified framework for polycrystal plasticity with grain boundary evolution
多晶体中的塑性形变由晶内滑移和晶界介导塑性之间的相互作用控制。然而，虽然体位错所起的作用是相对较好的理解，晶界（GB）的贡献最近才开始研究。已知GB塑性与体塑性一起在宽范围的条件下起关键作用，例如动态恢复、超塑性、剧烈塑性形变等，并且开发能够同时捕获GB和体塑性的模型已经成为高度相关的主题。在本文中，我们开发了一个多晶塑性模型，能够模拟各种晶粒边界介导的塑性过程，结合体位错滑移的一致性。该模型从单晶的描述开始，并通过使用作者开发的专门设计的乘法分解来创建无晶格应变的多晶配置。这导致了一个特定的几何必要位错（GND），定义基本GB功能，如取向不良和倾斜的介绍。该系统的演变是基于能量泛函，该能量泛函使用GND张量的非标准函数来考虑晶界能以及标准弹性能。我们的实现建立在光滑的描述GBs的启发扩散界面模型的晶粒演化数值方便。我们通过模拟各种各样的现象，如剪切引起的GB滑动，耦合GB运动，曲率引起的晶粒旋转和收缩，并通过位错亚晶粒的形成，和结晶的方法的一般性和潜力。
2017-09-28 cond-mat.mtrl-sci
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
On the structure of metal plasticity constitutive equations and the physical origin of the plastic spin
本文通过对一个典型的体积单元的响应进行拟合，分析了金属多晶体的宏观弹塑性响应。为此目的，Hill（1967）（金属复合材料和多晶体本构律的基本结构。J. Mech. Phys. Solids，15，79-95），从而考虑了由塑性形变引起的结构变化。据发现，分配给一个组成晶体的滑移系统的演变类型的影响显着的本构系统的结构特征的整体响应。特别是，只有当滑移系被假定为对流与晶格的经典正规结构。任何其他类型的滑移系演化都会导致宏观塑性形变速率偏离屈服面的外法线。这为备受争议的塑性自旋概念提供了物理解释和严格定义。
2013-06-27 cond-mat.mtrl-sci
The role of slip transfer at grain boundaries in the propagation of microstructurally short fatigue cracks in Ni-based superalloys
利用同步辐射辅助衍射和相衬层析技术研究了一种多晶镍基高温合金在高周疲劳条件下的裂纹萌生和扩展过程。裂纹沿最长的相干孪晶界成核预先存在于试样表面上，这是很好地定向滑移，并提出了一个大的弹性不相容性跨越它们。此外，微观结构短裂纹的传播被发现是由预先存在的晶界上的容易的滑移传递路径。这些信息只能通过表征技术获得，如这里介绍的那些，提供了完整的3D显微结构信息。
2018-11-26 cond-mat.mtrl-sci
Thermodynamic theory of crystal plasticity: formulation and application to polycrystal fcc copper
我们提出了晶体塑性的热力学描述。我们的配方是基于Langer-Bouchbinder-Lookman热力学位错理论（TDT），它断言的基本重要性的有效温度，描述了状态的配置无序，因此位错密度的晶体材料。我们将TDT描述从各向同性塑性扩展到具有多个滑移系的晶体塑性。在单轴压缩、拉伸和简单剪切条件下，多晶面心立方铜的有限元模拟结果与实验结果进行了比较。因此，晶体塑性的热力学理论提供了晶体中位错运动的物理上严格的描述。我们还讨论了新的见解属于不同的滑移系的位错的相互作用。
2019-12-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Dislocation density distribution at slip band-grain boundary intersections
本文利用微分孔径X射线劳厄微衍射（DAXM）研究了钛合金晶界滑移转移的机制。这款3D表征工具能够测量全（9分量）Nye晶格曲率张量并计算几何必要位错（GND）的密度。我们观察到在晶界处的位错堆积，因为相邻的晶粒阻止了位错传输的容易通过。这种不相容性的结果在局部微塑性内的滑移晶粒，附近的滑移面相交的晶界，我们观察到乐队的GNDs躺在晶界附近。我们观察到，GNDs的分布可以显着影响的晶界壁架，作为二次位错源的形成。这一观察结果突出了多晶变形的非连续性质，并帮助我们理解晶界特性的高阶复杂性。
2019-09-06 cond-mat.mtrl-sci
Prediction of ideal orientations in velocity gradient-driven processes for large plastic deformations of crystals
Université Sorbonne-Paris-Nord（巴黎索邦大学）；FEMTO-ST, Université Marie et Louis Pasteur（玛丽和路易·巴斯德大学）；IMAR, Romanian Academy（罗马尼亚科学院）
本文提出了一种简化模型，通过线性稳定性分析预测大塑性变形中晶体的理想取向和最终织构。
2025-10-17 cond-mat.mtrl-sci
Simulation of dislocation slip and twin propagation in Mg through coupling crystal plasticity and phase field models
提出了一种模拟镁合金塑性形变的数值方法，包括位错滑移和孪晶扩展。位错滑移包括通过晶体塑性模型，该模型使用有限元法求解，而孪晶传播是考虑通过相场模型，该模型使用快速傅立叶变换算法求解。采用相同的时间步长，采用不同的离散方法求解晶体塑性和相场耦合方程。采用该方法对镁微柱沿$[10\bar{1}0]$方向的压缩变形进行了数值模拟。该模型预测的应力-应变曲线以及主要变形机制与文献中的实验数据一致，并证明了在镁合金塑性形变模拟过程中明确考虑孪晶扩展的策略的可行性。最后，一个多晶体中的滑移/孪晶相互作用的例子进行了模拟，以显示该模型的能力。
2023-02-27 cond-mat.mtrl-sci
An analysis of (the lack of) slip transfer between near-cube oriented grains in pure Al
通过对试样表面滑移痕迹的分析，研究了退火多晶铝箔在单向拉伸变形中的晶界滑移传递。晶粒取向和选定的晶界取向差测量的样品的两个表面上使用电子背散射衍射图。结果发现，大多数晶粒在立方取向的15°内，并且大约一半的晶粒在试样厚度上延伸。使用Luster-Morris m'参数（可从表面晶粒取向计算）来评估跨边界滑移转移的可能性。结果表明，在近立方取向的晶粒中，几乎没有晶界迁移现象，只有当m' > 0.97时才有明显的晶界迁移现象，这对应于取向差小于15°的小角度晶界。这种行为被解释为在近立方体取向的晶粒中存在许多主动滑移滑移，其有利于晶粒形状对由相邻晶粒施加的不断变化的边界条件的自适应，而不是促进跨边界的滑移转移。这些结果表明，滑移面和滑移方向之间的对齐跨越边界是不是唯一的重要指标，以确定滑移转移的阈值，在每个晶粒的变形的具体细节（如可用的滑移系统的数量）也必须考虑。
2019-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Assessment of slip transfer criteria for prismatic-to-prismatic slip in pure Ti from 3D grain boundary data
本研究借助LabDCT获取的三维晶界数据，评估纯钛棱柱滑移传递的各类判据，发现κ角与Luster-Morris参数m'预测效果最优，明确了晶界取向对强棱柱滑移多晶体塑性变形的作用。
2023-10-09 cond-mat.mtrl-sci
On the configurational force associated with blocked slip bands at grain boundaries in α-Ti
National Physical Laboratory（英国国家物理实验室）；University of Oxford（牛津大学）
研究通过配置力框架量化被阻 slip 带的局部能量驱动力，揭示晶界几何结构对邻近晶粒变形方向的影响，提供评估被阻 slip 严重程度的物理基础。
2026-03-25 cond-mat.mtrl-sci
Diffuse-interface polycrystal plasticity: Expressing grain boundaries as geometrically necessary dislocations
在多晶体中建模塑性的标准方法是通过在每个晶粒中使用单晶的晶体塑性模型，并在晶界上施加合适的牵引和滑动边界条件。在这种方式中，系统被建模为一组边界值问题与匹配的边界条件。在本文中，我们开发了一个多晶材料的扩散界面晶体塑性模型，结果在一个单一的边界值问题与单晶作为参考配置。使用变形梯度的乘法分解为晶格和塑性部分，即F（X，t）= F^L（X，t）F^P（X，t），通过将F^L施加为分段恒定旋转场R^0（X），并且F^P = R^0（X）^T，从而具有F（X，0）= I和零弹性应变，来构造初始无应力多晶。该模型作为一个先驱，高阶晶体塑性模型与晶界能和演变。
2017-06-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
+SSLIP: Automated Radon-Assisted and Rotation-Corrected Identification of Complex HCP Slip System Activity Fields from DIC Data
针对HCP晶体滑移系识别难题，提出+SSLIP框架，结合氡变换预选、旋转校正及双滑移系匹配，实现DIC数据中复杂滑移系活动场的自动、逐点识别。
2025-05-26 cond-mat.mtrl-sci
An analysis of the influence of grain size on the strength of FCC polycrystals by means of computational homogenization
采用基于多晶体集合体计算均匀化的多尺度策略，分析了晶粒尺寸对面心立方多晶体流变应力的影响。每个晶体的力学行为由基于位错的晶体塑性模型给出，其中临界分解剪应力遵循泰勒模型。变形过程中每个滑移系中位错的产生和湮灭由Kocks-Mecking模型给出，该模型经过修改以考虑晶界处的位错储存。以多晶Cu为例验证了模拟策略，所有模型参数均由位错动力学模拟或实验获得，模拟结果与文献中的实验数据吻合较好。该模型被应用于探讨不同的微观结构因素（初始位错密度，晶粒尺寸分布的宽度，织构）的晶粒尺寸效应的影响。结果发现，初始位错密度，$ρ_i$，起着主导作用的晶粒尺寸效应的大小和流动应力的依赖性与晶粒尺寸的逆幂（$σ_ y -σ_\infty \propto d_g^{-x}$）打破了大初始位错密度（$> 10^{14}$ m $^{-2}$）和晶粒尺寸$d_g > $ 40 $μ$ m FCC金属。然而，它被发现，晶粒尺寸的贡献强度遵循幂律函数的无量纲参数$d_g\sqrt{ρ_i}$的应用应变（$<$ 2 \%）的小值，与以前的理论考虑塑性的尺寸效应。
2018-01-16 cond-mat.mtrl-sci
Polycrystal plasticity with grain boundary evolution: A numerically efficient dislocation-based diffuse-interface model
晶粒结构对合金材料的力学性能起着关键作用。设计晶粒结构需要全面了解材料在各种制造过程中晶界（GB）的演变。为此，我们提出了一个计算效率高的框架来描述体塑性和GBs的共同演变。我们把GB表示为扩散的几何必要位错，其演化描述了GB塑性。在此表示下，统一使用塑性形变梯度的演化方程，经典晶体塑性理论的核心方程来描述GBs和体塑性的演化。为了减少自由度的数量，我们提出了一个程序，它结合成一组控制方程的塑性形变梯度的每个滑移率的控制方程。最后，我们概述了一种方法来引入一个合成的潜力，以推动迁移的平面GB。三个数值例子来证明该模型。首先，缩放测试被用来证明我们的框架的计算效率。其次，我们研究了通过将圆形颗粒嵌入双晶体形成的三晶体的演化，并证明了我们模型的预测与Trautt和Mishin（2014）的分子动力学模拟之间的定性一致性。最后，我们通过模拟施加位移下的合成多晶的演化，展示了施加载荷在织构演化中的作用。
2021-10-24 cond-mat.mtrl-sci
FFT-based investigation of the shear stress distribution in face-centered cubic polycrystals
金属中非线性效应的发生，如塑性和损伤，强烈地受晶粒水平上的非均匀应力分布的影响。本文研究了作为塑性形变临界驱动力的滑移系中剪切应力的局部应力分布。特定的晶粒取向相对于负载方向进行了研究，在线性弹性制度，并在初始塑性形变的基础上的一个大的合奏微观结构。发现单晶的弹性各向异性对应力分布的分散有至关重要的影响，而在相应的晶体方向上的杨氏模量支配晶粒中的平均应力。它进一步表明，对于更高的各向异性，剪切应力偏离正态分布，更好地近似对数正态拟合。比较全场模拟的最大熵方法（MEM），揭示了MEM提供了一个很好的预测的第二个统计时刻的线弹性范围。在剪切应力的空间分布的研究中，晶界被确定为一个区域的显着的应力波动，并作为在弹塑性转变过程中屈服的起点。
2022-07-23 cond-mat.mtrl-sci
Understanding plasticity in zirconium using in-situ measurement of lattice rotations
了解多晶金属的变形对于将其用于高价值高风险应用至关重要。我们提出了原位表征的塑性形变的锆，六方密堆积（HCP），金属。塑性形变的分析是使用电子背散射衍射（EBSD）来揭示晶格取向的变化。通过TrueEBSD的实现，我们可以将晶格旋转关联回未变形的参考系。这使我们能够探索哪些滑移系是活跃的，以及均匀（即相对于外部载荷的变形）和非均匀（即相对于局部晶粒邻域的变形）的程度。此外，从我们的分析中，我们注意到，晶格旋转一致的一个显着的分数<a>金字塔slip.These结果放置在上下文中的变形和性能的HCP合金和锆合金用作核燃料包壳。
2019-10-09 cond-mat.mtrl-sci
Stacking faults and the γ-surface on {1-101} pyramidal planes in α-titanium
用第一性原理方法计算了α钛中一级锥面的整个γ面。这些平面上的滑移涉及c + a位错，这是α-钛多晶体可以补充具有a型Burgers矢量的棱柱平面上的滑移以保持延展性的一种方式。我们发现两个稳定的内在堆垛层错的能量相对较小。结果表明，在α-钛中，c + a位错不可能分解成Burgers矢量为（c + a）/2的两个位错，因为在（c + a）/2处不存在稳定的层错。相反，我们提出了一个可能的解离的c + a位错成三个部分位错分开的两个内在的故障，我们已经确定。
2016-10-02 cond-mat.mtrl-sci
Crystal plasticity finite element simulation of lattice rotation and x-ray diffraction during laser shock-compression of Tantalum
韦克斯堡等等人[Nature 550 496（2017）]在LCLS X射线自由电子激光设施中使用超快原位X射线衍射来测量由冲击压缩激光驱动的[110]纤维织构化钽多晶中的滑移和变形孪晶引起的大晶格旋转。我们采用晶体塑性有限元方法模型，与滑移动力学密切基于各向同性位错为基础的利弗莫尔多尺度模型[巴顿等。例如，J. Appl.Phys.109（2011）]来分析该实验。我们阐明了晶格旋转度和塑性动力学之间的联系，表明在$\sim$ 27 GPa的冲击压力下，在相对缓慢的动力学机制（导致滑移系统激活的平衡模式，因此净晶格旋转相对较小）和快速动力学机制（由于成核的开始）之间发生转变。导致变形系统激活的不平衡图案，并因此导致大的净晶格旋转。我们证明了该模型与实验X射线衍射数据的晶格旋转之间的良好拟合，并表明该数据是变形动力学的约束。
2021-08-18 cond-mat.mtrl-sci
Theory of finite strain superplasticity
多晶体的塑性流动进行了分析，假设晶粒细的速率限制过程是晶界滑动，和晶粒很容易适应他们的形状滑移，以保持空间连续性。它示出，思想的多晶随机取向的晶粒作为一个均匀的和各向同性的连续处理时，它作为一个动态介质，即使在一个规模远远大于晶粒尺寸，导致粗差。晶粒的多面体性质以根本的方式影响塑性流动，因为相邻晶粒的相对速度被约束到公共边界平面，并且只有面内剪切应力有助于它们的相对运动。这种收缩决定了材料介质的速度场的发散性不会消失，并且塑性形变必然涉及晶粒体积变化，而晶粒体积变化只能是弹性的。由于这是有限度的，断裂是塑性流动的必要步骤。发展了塑性流动的理论方法，重点研究了从零应变到断裂应变的超塑性变形。该理论可以定量地解释观察到的超塑性材料的特点，并回答了该领域的许多悬而未决的问题。
2009-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Causation-guided mechanism identification and interpretable reduced-order modeling of damage-driving grain-boundary stress in creep
Tsinghua University（清华大学）；Beijing University of Technology（北京工业大学）；University of Wisconsin, Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文通过结合位错攀爬影响的晶粒塑性有限元模拟与因果引导机器学习框架，识别晶界应力的关键特征并建立可解释的降阶模型，揭示了晶界几何、晶体学兼容性、蠕变应力松弛和微机械对比的耦合作用。
2026-08-14 cond-mat.mtrl-sci cs.IT math.IT
