Machine learning superalloy microchemistry and creep strength from physical descriptors
我们提出了一个元素不可知的描述符集的高斯过程回归模型的高温合金性能。此外，我们还开发了一种校正方法，以提供多相合金中微观化学的最佳和最物理的预测。该模型的预测性能的高温合金微观化学，显微组织和强度性能得到证实。当在测试数据中包含新的、看不见的元素时，模型仍然能给出很好的预测;使用基于组分的描述符，这种外推到新的化学空间是不可能的。
2022-12-13 cond-mat.mtrl-sci
Effect of alloying on the microstructure, phase stability, hardness and partitioning behavior of a new dual-superlattice nickel-based superalloy
最近报道了一种新型的y-y ′-y”双超晶格高温合金，该合金具有良好的高温力学性能。目前的工作采用最先进的化学和空间表征技术来研究系统添加的Mo，W和Fe和Nb和Al含量的变化对相分数，热稳定性，元素分配和机械性能的影响。合金是通过电弧熔炼，然后进行热处理而制成的。采用多尺度表征技术和硬度测试对复合材料的微观结构、热稳定性和力学性能进行了表征。然后通过热力学模型解释了这些性质或元素分配行为的变化。适度增加1.8 at.% Mo对微观结构和热稳定性有很强的影响：它使热处理期间的微观结构粗化最小化，同时不显著降低γ '固溶线温度。Nb减少0.6原子%，强烈地降低了y”体积分数，而不影响y“体积分数。减少的沉淀分数导致合金硬度的显著降低。添加Fe以实现更好的可加工性和降低材料成本，降低了γ ′固溶线温度，并在热处理期间引起快速的显微组织粗化，而不影响合金硬度。Al减少0.4原子%，降低了y'体积分数和y'固溶线温度，也不影响合金硬度。添加0.9at.% W降低了γ ′固溶线温度，但增加了两种沉淀物的体积分数。这些数据对于优化当前的合金设计和为未来的合金设计工作提供信息将是非常宝贵的。
2022-09-19 cond-mat.mtrl-sci
High Resolution 3D Strain and Orientation Mapping within a Grain of a Directed Energy Deposition Laser Additively Manufactured Superalloy
激光增材制造（LAM）的工业化面临着快速复杂的凝固过程带来的不良微观结构和高残余应力的挑战。因此，控制变形图案化的机械性能的非破坏性评估是至关重要的。在这里，我们使用暗场X射线显微镜（DFXM）非破坏性地映射的3D晶内取向和应变变化在整个表面断裂晶粒内的定向能量沉积镍高温合金。DFXM结果揭示了一个高度异质性的三维微观结构的局部取向和晶格应变。该晶粒包括具有交替应变状态的$\approx$ 5 $μ$ m尺寸单元，高达5 $\times 10^{-3}$，并且取向差<0.5°。DFXM的结果进行了比较，从其截止表面相同的晶粒的电子背散射衍射测量。我们讨论了LAM过程中的微观结构的发展，合理化的发展过程中的极端热梯度和溶质偏析的敏感性的变形图案。
2023-03-08 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modeling of $γ/γ''$ microstructure formation in Ni-based superalloys with high $γ''$ volume fraction
镍基高温合金IN 718优异的力学性能主要来源于共格的$γ''$析出相。由于基质和沉淀相之间的强烈各向异性晶格失配，颗粒表现出明显的板状形态。使用相场模型，我们调查各种影响因素，确定的平衡形状的$γ"$沉淀物，最大限度地减少总的弹性和界面能的总和。在增加沉淀相分数时，该模型预测越来越强的颗粒-颗粒相互作用，导致具有显著增加的纵横比的形状。匹配的先验未知的界面能量密度，以适应实验$γ"$的形状是敏感的相含量施加在基础模型。考虑消失相含量导致界面能量密度的估计值比基于实际相分数12%的估计值低30%。我们考虑在不同的六边形和矩形超结构，这是由于不同的选择点对称和周期性的边界条件的沉淀物的周期性排列。此外，实施非体积守恒边界条件以补偿由于$γ$基质和$γ''$沉淀物之间的各向异性晶格失配而引起的应变。与传统的边界条件相比，这种专门定制的模拟配置不会与系统周期性相冲突，并且在高沉淀物体积分数下提供了更加真实的总弹性能。能量上最有利的超结构被发现是一个六方沉淀物的安排。
2020-02-25 cond-mat.mtrl-sci
Effects of C and B microalloying additions on the microstructure and processability of René 41 Ni-based superalloy
本文通过热压缩试验、表征、有限元模拟和机器学习，研究C、B微合金化对René 41镍基高温合金热加工性与再结晶行为的影响。
2023-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Application of Finite Element, Phase-field, and CALPHAD-based Methods to Additive Manufacturing of Ni-based Superalloys
在这项工作中使用的数值模拟研究方面的显微组织和显微偏析的镍基高温合金在激光粉末床熔融增材制造过程中的快速凝固。有限元分析的热建模模拟激光熔池，表面温度与Inconel 625上的原位热成像测量结果一致。提取模拟熔池的几何和热特征，并用于随后的中尺度模拟。在两个长度尺度上模拟了熔池中的凝固。采用Scheil-Gulliver凝固模型和DICTRA软件计算了Inconel 625多元合金枝晶间的显微偏析。相场模拟，使用Ni-Nb作为一个二元类似物的Inconel 625，产生的显微组织与主细胞/树枝状臂间距与实测间距在实验观察到的显微组织和较小程度的显微偏析比预测的DICTRA模拟协议。的组合物配置文件是用来比较热力学驱动力的成核对实验观察到的沉淀物通过电子和X射线衍射分析确定。我们的分析列出了可能由富枝晶间成分的FCC相形成的沉淀物，并将这些沉淀物与在两个温度下1小时热处理的实验观察到的相进行比较：1143 K（870°C）下的应力消除或1423 K（1150°C）下的均匀化。
2017-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Low-cycle fatigue of a nickel-based superalloy at high temperature: Simplified micromechanical modelling
本文主要研究镍基高温合金$γ/γ'$ AM 1高温低周疲劳的细观力学模型。活化滑移系统的性质在不同类型的通道的$γ$相进行了分析，考虑到施加的和内部的应力的综合影响。后者分为两个贡献，失配应力和弹性$γ'$阶段和弹塑性$γ$阶段之间的相容性应力，这是在一个简化的复合材料的方法估计。内应力可以诱导滑移活动和/或由其松弛，这导致在增加的施加应力下不同通道中的滑移激活事件的复杂序列。考虑到这些影响，可以预测[001]拉伸、压缩和低周疲劳过程中通道内活动滑移系的性质和分布。所得到的微观结构的行为及其后果的各向异性性质的聚结的$γ'$沉淀物进行了讨论相对于现有的实验数据。
2021-09-06 cond-mat.mtrl-sci
Splitting Instability in Superalloys: A Phase-Field Study
该研究建立含弹性与界面能各向异性的相场模型，揭示高温合金 γ′ 树枝状沉淀物分裂由弹性能密度降低驱动，并由负弹性相互作用能维持稳定。
2024-01-23 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field, dislocation based plasticity and damage coupled model: modelling and application to single crystal superalloys
本文提出了一个耦合相场、位错密度塑性和损伤的新模型。基于可动位错和不动位错的演化，建立了位错密度控制方程。模型中考虑了位错增殖、湮灭、位错相互作用引起的动-不动迁移和界面阻塞等机制。特别是，在位错和相场耦合模拟中经常出现的围绕粗化第二相的“吞隙”问题，在本模型中得到解决。此外，位错切割到第二相在第三蠕变过程中，这是很少被考虑在以前的相场模拟的单晶高温合金的现象，成功地捕捉在本模型与损伤耦合。模型动力学考虑了由外载荷、共格界面错配、塑性活动和损伤引起的长程应力，以及由反相界面、位错线张力和森林位错捕获引起的短程应力。利用该耦合模型对单晶高温合金在200 MPa和350 MPa下的高温蠕变进行了$\langle 001 \rangle$模拟，并与实验结果进行了比较。结果表明，在整个蠕变过程中，模拟的相组织、位错和蠕变性能与实验基本一致。
2021-12-24 cond-mat.mtrl-sci
Ultra high-temperature deformation in a single crystal superalloy: Meso-scale process simulation and micro-mechanisms
一个单晶镍基高温合金进行工业相关的过程模拟的介观尺度研究揭示了微观结构的发展和微观力学行为之间的复杂的相互作用。由于样品计量体积小于它们所产生的母体材料的高度核心结构的长度尺度，它们的细微组成差异引起不同的加工硬化速率，受到不同的二次枝晶臂间距、γ相固溶线温度和拓扑反转的γ/γ相微观结构的影响。的γ-总理沉淀物具有一个特征的“X”形态，从热有利的枝晶生长和N-型漂流，表明蠕变型机制是普遍的同时积极的溶质传输机制。高分辨率电子背散射衍射（HR-EBSD）表征揭示了变形图案，以下的伽马/伽马-素数的微观结构，具有高的几何必要的位错密度场本地化的伽马/伽马-素数接口;奥罗万循环显然是介导的可塑性的机制。残余弹性应力的检查表明，“X”γ '沉淀物形态显著增强了变形不均匀性，导致γ通道内的应力状态有利于滑移，并促进γ'沉淀物突起的进一步生长。这种局部塑性和残余应力的组合被认为是在随后的铸造后均匀化热处理中形成再结晶缺陷的关键。
2020-08-17 cond-mat.mtrl-sci
Predictive modeling of solidification during laser additive manufacturing of nickel superalloys: Recent developments, future directions
与传统制造工艺相比，增材制造（AM）工艺生产的零件具有更好的物理、化学和机械性能。在AM工艺中，复杂的零件几何形状是由多组分合金粉末以逐层的方式通过多道激光熔化、固化和固态相变在较短的制造时间内以最小的表面精加工以合理的成本生产的。然而，越来越需要通过例如应力消除热处理和热等静压对制造的部件进行后处理，以始终实现均匀的微观结构和性能。AM工艺中的凝固控制晶粒的尺寸、形状和分布、生长形态、元素偏析和沉淀、随后的固态相变以及最终的材料性质。这个过程中的关键问题与多物理场（如流体流动和热量和质量的扩散）和多尺度（长度，时间和温度范围）的挑战有关，这些挑战是由于AM加工过程中局部快速加热和冷却而产生的。通过多尺度建模和模拟，将越来越好地理解合金化学-工艺-微观组织-性能-性能在这一过程中的相互关系。
2017-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Simulation and analysis of $γ$-Ni cellular growth during laser powder deposition of Ni-based superalloys
在本工作中，使用三维相场模拟，作为在镍基熔池中的增材制造凝固条件的函数而产生的细胞状或枝晶状微观结构被模拟。宏观热模型用于获得温度梯度$G$和凝固速度$V$，它们被提供作为相场模型的输入。我们提取的细胞间距，细胞核心的组成，和细胞的尖端，以及糊状区温度从模拟的微观结构作为一个功能的$V$。单元格间距与不同的比例关系的凝固条件和近似的$G^{-m}V^{-n}$。细胞核心的成分进行了比较，与枝晶生长理论的解析解，发现是在良好的协议。通过对糊状区的分析，我们提取了一个特征性的桥接平面，其中主$γ$相以0.6和0.7之间的$γ$分数跨细胞间液体通道聚结。温度和$γ$分数在这个平面上被发现随着增加$V$。模拟的显微组织特征是重要的，因为它们可以用作后续热处理工艺模拟的输入。
2017-12-18 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
Phase-Field Modelling of Transformation Pathways and Microstructural Evolution in Multi-Principal Element Alloys
最近开发的难熔多主元素合金（MPEA），AlMo $_{0.5}$ NbTa $_{0.5}$ TiZr，显示出有趣的微观结构，具有无序相的立方沉淀物（$β$，bcc）相干嵌入有序相（$β'$，B2）基质，不像常规的Ni基超合金，其中有序相（$γ'$，L12）是沉淀相，无序相（$γ$，fcc）是基质相。了解导致这种微结构的相变途径（PTP），以便为特定的工程应用定制微结构，这变得至关重要。在这项研究中，我们首先提出了一个可能的PTP导致的微结构，并采用相场法模拟沿PTP的微结构演变。然后，我们探讨可能的PTP和材料参数，导致一个倒置的微观结构与有序相的沉淀相和无序相的基体相，微观结构类似于在镍基高温合金中观察到的。我们发现，为了保持沉淀物作为高度离散的颗粒沿这些PTP，沉淀相的体积分数需要小于基体相的体积分数，并且沉淀相的弹性刚度应高于基体相的弹性刚度。
2021-11-03 cond-mat.mtrl-sci
Creep properties and deformation mechanisms of single-crystalline $γ^\prime$-strengthened superalloys in dependence of the Co/Ni ratio
钴基高温合金被认为是除镍基高温合金外最有前途的高温材料。然而，Ni似乎也是Co基高温合金中不可或缺的合金元素。为了解决基础元素对变形行为的影响，在单晶合金系列上进行高温压缩蠕变实验，该单晶合金系列被设计成呈现变化的Co/Ni比和恒定的Al、W和Cr含量。在900 °C和250 MPa下进行蠕变测试，并通过电子显微镜表征所得的微观结构和缺陷配置。随着Co/Ni比的变化，最小蠕变速率相差一个数量级以上。中间CoNi基合金表现出总体最高的蠕变强度。量化了几种强化贡献，例如$γ$相的固溶体强化、有效扩散系数或堆垛层错能。基体元素含量不同，试样的剪切机制也有很大不同。当富Ni合金表现出SISF和SESF剪切时，富Co合金在$γ^\prime$相被切割时产生扩展的APB。这主要是由于不同的平面故障的能量，所造成的一个不断变化的偏析行为。因此，它被认为是剪切电阻率和发生在$γ^\prime$相的变形机制是至关重要的蠕变性能的研究合金系列。
2021-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Casting voids in nickel superalloy and the mechanical behaviour under room temperature tensile deformation
利用X射线计算机断层成像（XCT）和扫描电镜（SEM）对第二代镍基高温合金的显微组织进行了研究。铸态材料含有0.15（± 0.001）体积%的空隙，这些空隙分布在枝晶间区域。在拉伸变形后，空隙的体积分数增加到0.21（± 0.001）体积%。表面观察表明，从空洞表面的位错发射的证据，一种机制可能有助于扩大的空隙，并有助于增加空隙体积分数。现象学参数，如应力三轴度，往往被认为是控制空洞的增长，通过晶体塑性模拟和文献报道的数据进行了研究。结果表明，应力三轴度和空洞增长之间的弱相关性，但这可能是由于缺乏数据在更高水平的塑性形变，这是有限的材料的延展性。试样内部应力场的分布是不均匀的，应力场的峰值是缺口直径与试样宽度之比的函数。较小的缺口直径与样品宽度比倾向于将三轴度峰值分布在样品的中心，但也会导致较高的应变局部化，这种效应会导致样品早期失效。
2021-01-12 cond-mat.mtrl-sci
Accelerating microstructure modelling via machine learning: a new method combining Autoencoder and ConvLSTM
本文提出一种结合自编码器与ConvLSTM的机器学习方法，利用已知成分的相场模拟数据训练模型，对未知成分基于前m帧预测未来第n帧微观结构，从而在保持分辨率的同时显著加速相场模拟。
2023-05-01 cond-mat.mtrl-sci
Prediction of irradiation induced microstructures in the AgCu model alloy using a multiscale method coupling atomistic and phase field modelling
本文发展了一种基于相场的多尺度方法，从原子尺度到微结构尺度，模拟了二元体系在辐照下的微结构演化。为此，开发了一种有效的数值方案。在氪离子辐照下的AgCu合金的情况下，使用原子的方法计算的唯象参数，作为温度和辐照通量的函数。预测了辐照通量和温度对图案化微结构形成的影响。在AgCu的情况下，我们的模型进行了定性和定量验证的衍射实验研究。
2016-10-09 cond-mat.mtrl-sci
Emergent B2 chemical orderings in the AlTiVNb and AlTiCrMo refractory high-entropy superalloys studied via first-principles theory and atomistic modelling
结合从头算电子结构理论与原子尺度蒙特卡罗模拟，研究了 AlTiVNb 和 AlTiCrMo 难熔高熵高温合金的相稳定性，揭示了高温下由 Al 和 Ti 驱动的 B2 化学有序及其对电子结构和电阻率的影响。
2025-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Lattice genome: representation and analysis of heterogeneous crystalline microstructures
University of Arizona（亚利桑那大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
受材料基因组概念启发，提出晶格基因与晶格基因组，通过变分自编码器编码菊池衍射图样紧凑表示局部晶体结构，并利用EBSD映射实现空间分辨，用于可视化晶粒尺度异质性、域分割和量化晶内异质性。
2026-06-08 cond-mat.mtrl-sci
Neural Cellular Automata for Solidification Microstructure Modelling
提出基于卷积神经网络的神经细胞自动机（NCA）模拟金属凝固微观结构，能学习关键凝固特征且比传统CA快六个数量级，并在训练范围外提供可靠预测。
2023-09-07 cond-mat.mtrl-sci
A multi-scale approach to microstructure-sensitive thermal fatigue in solder joints
本文提出了一种多尺度模拟方法来研究球栅阵列（BGA）板组件的单晶Sn-3Ag-0. 5Cu（wt%，SAC 305）焊点的微结构敏感损伤的托换机制进行热循环。多尺度方案耦合板级建模在连续宏观尺度和个别焊料建模在晶体微观尺度。锡晶体取向及其在疲劳损伤中的作用的系统研究进行了比较实验观察。晶体取向检查相对于损伤的发展，提供基于证据的最佳焊料微结构设计在服务的热机械疲劳。
2022-04-13 cond-mat.mtrl-sci
Automated Segmentation of Large Image Datasets using Artificial Intelligence for Microstructure Characterisation, Damage Analysis and High-Throughput Modelling Input
针对阈值法难以分割复杂显微组织的问题，提出基于 nnU-Net 与 GAN 的两种 AI 分割方法，并在双相钢 SEM 图像中验证其泛化性及面向表征、损伤分析和有限元建模的价值。
2024-03-01 cond-mat.mtrl-sci
Crystal plasticity analysis of deformation anisotropy of lamellar TiAl alloy: 3D microstructure-based modelling and in-situ micro-compression
详细的微观结构表征和原位微柱压缩耦合晶体塑性有限元模拟（CP-FEM），研究在层状TiAl合金的塑性各向异性的微观机制。在模拟和原位实验中的微观结构的考虑，使微观机制负责的高度各向异性的变形响应的TiAl层内和层间尺度上的深入理解。本文研究了γ/α_2层片组织的两种特殊结构，即γ/α_2界面与加载方向成{25}^o和{55}^o。基于微结构的CP-FEM分析表明，{25}^o微柱中的塑性各向异性主要是由超级位错和普通位错的滑移引起的，而{55}^o微柱中的塑性各向异性主要是由纵向超级位错和纵向孪晶引起的。此外，横向超位错更加活跃，使得{25}^o微柱中的变形比{55}^o微柱中的变形更少局部化。此外，CP-FEM模型成功地预测了γ/α_2界面处大量的内应力，这被认为是对TiAl的塑性有害的。然而，正如所证明的模型，有害的内应力可以显着缓解激活的横向变形孪晶，这表明，TiAl的塑性可以提高通过促进横向孪晶。
2019-04-19 cond-mat.mtrl-sci
Modelling the relationship between deformed microstructures and static recrystallization textures: application to ferritic stainless steels
我们提出了一个原始的方法来预测静态再结晶织构的发展过程中退火变形晶体材料。微观结构被认为是一个人口的亚晶粒和晶粒的大小和边界属性决定其增长速度。模型的输入参数直接测量的电子背散射衍射测量的变形微结构的取向图地图。亚晶性能的各向异性驱动竞争生长，导致再结晶织构的发展。通过模拟热轧铁素体不锈钢静态再结晶织构的发展，说明了该方法。模型预测被发现是在良好的协议与实验测量，并允许在再结晶织构的形成序列的深入调查。在由于有利的生长条件而形成的织构组分和由于它们在先前的变形状态中占优势而形成的织构组分之间建立了区别。在重结晶状态的α纤维取向的高分数被证明是一个结果，而不是一个优选的生长机制中的变形的微观结构，而不是他们的优势。因此，需要在退火之前对这些取向的分数进行严格控制，以使它们在再结晶状态下的存在最小化。
2021-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Phase field modelling of microstructure transformations in Zr-Sn alloy during irradiation
Institute of Applied Physics, National Academy of Sciences of Ukraine（乌克兰国家科学院应用物理研究所）；Sumy State University（苏梅州国立大学）
本研究采用结合反应速率理论和CALPHAD方法的相场模型，三维模拟Zr-Sn合金在热处理和辐照下的微观结构演变，揭示第二相形成及其对辐照剂量的依赖性。
2026-09-30 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning of microstructure--property relationships in materials leveraging microstructure representation from foundational vision transformers
Graduate Interdisciplinary Program in Applied Mathematics, University of Arizona, Tucson, AZ 85721, USA（应用数学联合交叉学科硕士项目，亚利桑那大学，图森，亚利桑那州，85721，美国）；Department of Materials Science and Engineering, University of Arizona, Tucson, AZ 85721, USA（材料科学与工程系，亚利桑那大学，图森，亚利桑那州，85721，美国）
提出利用预训练基础视觉Transformer提取任务无关的微结构特征，并结合轻量级机器学习预测材料性能，无需昂贵的特定任务训练即可实现稳健的微结构表征与高效的性能预测。
2025-06-26 cond-mat.mtrl-sci cs.CV cs.LG
A priori procedure to establish spinodal decomposition in alloys
本文提出一种无需实验参数即可预测合金调幅分解温度与波长的先验计算程序，并在NiRh中验证其屈服强度可超越镍基高温合金。
2023-11-17 cond-mat.mtrl-sci
Rapid Electron Backscatter Diffraction Mapping: Painting by Numbers
通过使用电子背散射衍射（EBSD），在扫描电子显微镜（SEM）中通过分析晶相和取向生成丰富的图谱，从而大大增强了微结构表征。传统的EBSD分析包括电子束的光栅扫描和每个衍射图案的顺序分析。对于晶粒形状、晶体学织构和微观结构分析，这可能是低效的。在这项工作中，我们提出了快速EBSD，数据融合的方法结合forescatter电子（FSE）成像与静态稀疏采样的EBSD模式。我们将FSE图像分割成相似颜色（即相和晶体取向）的区域，然后收集每个分割区域的代表性EBSD数据。这使得能够在（快速）FSE成像的空间分辨率下执行微观结构评估，同时包括来自代表性点的EBSD分析的取向和相位信息。我们展示了快速EBSD技术的钴基高温合金和应变双相钛合金的样品，与传统的分析结果进行比较。快速EBSD有利于在有时间限制的实验中评估晶粒尺寸分布。
2018-11-13 cond-mat.mtrl-sci
Modelling of microstructures during in-situ alloying in additive manufacturing for efficient material qualification processes
在这项工作中，提出了一个数值模拟框架相场法的基础上，能够捕捉凝固过程中的异质金属微观结构的演变。所涉及的物理学可以证明特别有用时，不仅研究系统经历热梯度，如在均匀系统，而且在条件下，表现出鲜明的空间梯度，即当这些不均匀性，甚至在介观尺度上存在。为了说明该模型的能力，研究了激光粉末床熔合期间高熵合金的原位合金化作为示例性用例。由此产生的数字孪生模型预计将缩短新材料的开发时间，并大大减少实验资源需求，从而有助于有效的材料鉴定过程。
2021-10-20 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Polynomial diagrams for microstructure modelling
Heriot-Watt University（赫瑞-瓦特大学）；Lancaster University（兰卡斯特大学）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Inria（法国国家信息与自动化研究所）；École normale supérieure, Université PSL（巴黎高等师范学院，巴黎文理研究大学）
本文提出了一种多项式图框架，该框架扩展了幂图和各向异性幂图，允许细胞间边界为指定次数的代数曲线。通过将幂图（APD）重新表述为一次（二次）线性参数化最小化图的实例，展示了其自然出现。同时开发了高效的GPU加速框架，利用Legendre多项式和最大化的正则化凹目标函数来拟合多项式图到图像数据。还提供了自包含的优化算法分析，包括尺度和规范不变性以及正则化参数趋于零时的极限目标函数。最后将算法应用于拟合钢的电子背散射衍射图像。
2026-05-20 cond-mat.mtrl-sci math.OC
High-throughput in-situ characterization and modelling of precipitation kinetics in compositionally graded alloys
开发新的工程合金化学是一个耗时和迭代的过程。一个必要的步骤是表征纳米/微观结构，以提供所考虑的每种合金化学成分的加工和性能之间的联系。加速识别最佳化学成分的一种方法是使用含有成分梯度的样品，即。组合样品，并同时研究许多不同的化学物质。然而，对于工程合金，最终性能不仅取决于化学，而且取决于微观结构发展的路径，这需要表征每种化学的微观结构演变。在这方面的贡献，我们展示了一种方法，允许在原位，纳米级表征合金中的沉淀物结构，作为老化时间的函数，在组合样品中含有的组成梯度。该方法使用小角X射线散射（SAXS）在同步加速器光束线。Cu-Co系统用于概念验证，并且制备的组合样品含有0%至2%的Co梯度。将这些样品在450{ \textdegree } ℃和550{ \textdegree } ℃之间的温度下老化，并且同时监测作为时间函数的全部沿组成梯度的沉淀物结构（沉淀物尺寸、体积分数和数密度）。这个大的数据集是用来测试的适用性和鲁棒性的常规类模型的沉淀，考虑并发成核，生长和粗化和模型的能力来描述这样一个大的数据集。
2015-08-27 cond-mat.mtrl-sci
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
A computational approach towards modelling dislocation transmission across phase boundary
为了研究刃型位错和两相微结构内相边界之间的纳米级相互作用，需要考虑由于位错引起的内部应力场上的相衬的影响。为此，本文提出了一种二维半离散模型。它由两个不同的相组成，每个相都有其特定的材料特性，由完全相干和非破坏性的相边界分开。每个阶段被建模为一个连续丰富的Peierls-Nabarro（PN）位错区，限制位错运动到一个离散的平面，滑移面。本文考虑了一个垂直于相界且连续穿过相界的单一滑移面。基于经典PN模型，沿滑移面的体诱导剪切力由滑移面剪切力平衡。该模型的能力，捕获位错在相界的障碍，位错堆积和位错传输进行了研究。结果表明，在材料性能（例如，弹性刚度，滑移面性能）的相位差单独创建一个障碍的位错从软到硬相的运动。该模型考虑了位错、外晶界和相界之间的相互作用，为研究两相微结构中刃型位错-相界相互作用提供了一种合适的工具。
2018-10-18 cond-mat.mtrl-sci
Parameter-free quantitative simulation of high dose microstructure and hydrogen retention in ion-irradiated tungsten
氢同位素被保留在用于聚变发电应用的材料中，随着微结构经受辐照损伤，改变氢脆和氚库存。但是，高度损坏的材料的建模-暴露于超过0.1位移每原子（dpa）-其中观察到渐近饱和，例如钨面临的等离子体在聚变托卡马克反应堆，是困难的，因为一个高度损坏的微观结构不能被视为弱相互作用孤立的缺陷陷阱。在本文中，我们开发的计算技术，找到在高度辐照材料的缺陷含量，而无需可调参数。首先，我们展示了如何产生收敛的高剂量（>1 dpa）的微结构使用的组合的创建-松弛算法和碰撞级联的分子动力学模拟。然后，我们做了强大的点缺陷和空洞区域的简单发展的Wigner-Seitz分解的晶格网站的估计。我们使用我们的估计的空隙表面积来预测钨的氘保留容量作为剂量的函数。然后将其与在290 K下自辐照至不同损伤剂量并在370 K下暴露于低能量氘等离子体的钨样品的3 He核反应分析（NRA）测量进行比较。我们表明，我们的模拟微观结构给出了一个很好的匹配实验数据，与模型和实验显示1.5-2.0原子%，在高剂量极限下，氘仍保留在钨中。
2021-06-24 cond-mat.mtrl-sci
Accurate identification and measurement of the precipitate area by two-stage deep neural networks in novel chromium-based alloys
Queensland University of Technology（昆士兰科技大学）；Data Science Institute, Department of Computing, Imperial College London（帝国理工学院数据科学研究所，计算系）；School of Metallurgy and Materials, University of Birmingham（伯明翰大学冶金与材料学院）；Institute of Advanced Science Facilities, Shenzhen（深圳先进科学设施研究院）；Department of Computer Science, University of York（约克大学计算机科学系）；School of Mathematical Sciences, Tongji University（同济大学数学科学学院）；Department of Earth Science and Engineering, Imperial College London（帝国理工学院地球科学与工程系）
提出DT-SegNet两阶段深度学习方案，结合YOLOv5和SegFormer，实现电子显微镜图像中析出相的目标检测与分割，显著优于现有工具。
2026-06-23 cond-mat.mtrl-sci cs.CV cs.LG
A Generative Model for Accelerated Inverse Modelling Using a Novel Embedding for Continuous Variables
Faculty of Georesources and Materials Engineering, RWTH Aachen University（亚琛工业大学地质资源与材料工程学院）
针对材料科学中逆建模找目标性能对应微观结构的不适定问题，提出基于浮点数二进制表示的新型连续变量嵌入策略，用于生成模型，无需归一化即可精细调控生成的微观结构，加速材料设计。
2024-05-21 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Anisotropic power diagrams for polycrystal modelling: efficient generation of curved grains via optimal transport
针对各向异性幂图（APDs）生成计算成本高的问题，提出依托GPU适配的快速最优输运算法生成指定统计特性的APDs的方法，可快速生成高分辨率微观结构，还配套开源Python库PyAPD。
2024-05-21 cond-mat.mtrl-sci math.OC
Understanding the volume-diffusion governed shape-instabilities in metallic systems
任何日常材料的可靠性都取决于其性能。在给定条件下，控制材料行为的一个因素是微观结构。尽管没有任何相变，微观结构的变化将显着改变性能。因此，对微观结构稳定性的实质性理解对于避免材料性能的任何意外灾难性变化至关重要。在目前的工作中，一个这样的数值方法称为相场建模，用于分析的稳定性的二维和三维的有限结构，这决定了曲率驱动的演变的微观结构。这种数值方法的一个特点是引入了标量变量，称为相场，除了其他热力学变量。虽然相位场的包含避免了对界面跟踪的需要，这是其他常规技术的费力方面，但它用有限的扩散区域代替了尖锐的界面。因此，在采用和扩展相场技术，它表明，该模型恢复的统治法律，即吉布斯-汤姆逊关系，尽管扩散界面的引入。随后，采用数值处理研究体积扩散控制的曲率诱导相变。
2019-06-25 cond-mat.mtrl-sci
Martensite decomposition kinetics in additively manufactured Ti-6Al-4V alloy: in-situ characterisation and phase-field modelling
针对增材制造Ti-6Al-4V合金的非平衡α'马氏体组织性能缺陷，结合原位表征实验与高效相场模拟，揭示了其马氏体分解的动力学规律与组织演化特征。
2024-04-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Level-set based design of Wang tiles for modelling complex microstructures
微观结构的几何形状在非均质材料的响应中起着至关重要的作用。因此，生成微观结构样本的方法对于高级数值分析越来越重要。我们扩展Sonon等人。的统一框架，最初开发用于产生颗粒和泡沫状微观结构几何形状的周期性晶胞，非周期性微观结构表示的基础上的形式主义的王瓷砖。这种形式主义最近已被提出，以推广的周期性晶胞方法，使快速合成任意大，随机微观结构样品从一个预定义的兼容性约束的少数域。然而，一个强大的程序，能够设计复杂的，三维的，泡沫状和蜂窝形态的王瓷砖尚未提出。这一贡献填补了空白，大大扩大了平铺概念的适用性。由于最初的Sonon et al.的框架建立在粒子的随机顺序添加上，通过水平集场对粒子边界的隐式表示来增强，我们首先设计了基于瓦片集的连通性图的分析，解决了当粒子与瓦片边界相交时粒子应该被复制的问题。接下来，我们介绍了几个修改的原始算法，是必要的，以确保微观结构的兼容性，在广义周期设置王瓷砖。建立了一个通用的程序生成瓷砖形态，我们比较严格的非周期性和随机集具有相同的基数方面，减少人工周期性重建的微观结构样品。我们证明了二维问题的顶点定义的瓦片集的优越性，并说明了该算法的能力与二维和三维的例子。
2020-03-11 cond-mat.mtrl-sci cs.CG
Microstructural Design via Spinodal-Mediated Phase Transformation Pathways in High-Entropy Alloys (HEAs) using Phase-Field Modelling
本文利用相场模拟研究两相高熵合金中两种旋节线介导相变路径下的微观结构演化，系统分析平衡体积分数、自由能景观和弹性模量失配对双连续/析出形貌及相有序性的影响，为多相高熵合金微观结构设计提供依据。
2022-06-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
From High-Entropy Alloys to Alloys with High Entropy: A New Paradigm in Materials Science and Engineering for Advancing Sustainable Metallurgy
本研究提出从高熵合金到高熵型合金的设计新范式，突破传统单一主金属设计思路，引入多元素无主成分理念，结合多组分废料利用与AI建模工具，推动可持续冶金发展。
2025-02-24 cond-mat.mtrl-sci
An intermediately-homogenized peridynamics approach to failure of microstructually disordered materials
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg（弗里德里希·亚历山大埃尔朗根-纽伦堡大学）
本文提出了一种介观尺度的peridynamics方法，用于分析微结构无序材料的失效过程，通过随机顺序参数场描述材料属性的局部异质性和空间相关性。
2025-12-17 cond-mat.mtrl-sci
Microstructural characterization and kinetics modelling of vermicular cast irons
采用多种实验技术（XRD、SEM、TEM和穆斯堡尔谱）对等温淬火蠕墨铸铁进行相鉴定和显微组织表征。针状组织由铁素体和奥氏体组成，其平均尺寸与钢和奥贝球铁中贝氏体铁素体的平均尺寸一致。假设贝氏体的板状形核形状，奥氏体到贝氏体转变中涉及的自由能变化的评估给出了接近从统计长度分布观察到的平均特征长度。在Avrami框架中模拟了转变的动力学;为了阐明等温淬火相变的机制，考虑了扩散控制和无扩散生长假设。结果表明，C的扩散是贝氏体层形核过程的主要原因，当C浓度足够时，贝氏体层形核过程是局部位移相变的结果，但贝氏体板的进一步长大几乎被抑制。
2006-10-03 cond-mat.mtrl-sci
Unravelling densification during sintering by multiscale modelling of grain motion
本文通过分子动力学推导晶粒运动规则并转化为相场模型，揭示了空位吸收驱动的晶粒运动无阻力传播，实现了对烧结致密化的多尺度模拟，模型在97至262颗粒范围内具有代表性。
2023-08-14 cond-mat.mtrl-sci
Renormalization group approach to multiscale modelling in materials science
枝晶生长和材料微观结构的形成通常必然涉及从原子到样品尺寸的宽范围的长度尺度。兰格的相场方法，增强了最佳渐近方法和自适应网格细化，处理这一范围的尺度，并提供了一种有效的方法来移动相边界。然而，它不能保留潜在的晶体学各向异性的记忆，因此不适合涉及缺陷或弹性的问题。相场晶体（PFC）方程--Hohenberg-Swift方程的守恒类似物--是一个具有代表原子密度的周期解的相场方程。它可以原生模型的弹性，固相的形成，并准确地再现非平衡动力学的相变在实际材料。然而，PFC模型在原子尺度上很重要，使得它不适合处理严重感兴趣的问题的长度尺度范围。在这里，我们表明，一个计算效率高的多尺度方法PFC可以系统地开发使用重整化群或等效技术，以获得适当的粗粒度耦合相位和振幅方程，这是适合于解决方案的自适应网格细化算法。
2005-08-29 cond-mat.mtrl-sci
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
Incorporating non-linear effects in fast semi-analytical thermal modelling of powder bed fusion
针对粉末床熔融半解析热模型因线性假设而忽略材料性能温度依赖和辐射热损失的问题，提出低计算开销的非线性修正方法，显著提升了预测精度。
2024-04-03 cond-mat.mtrl-sci
CO-activator model for reconstructing Pt(100) surfaces: local microstructures and chemical turbulence
我们提出了CO吸附和催化CO氧化的非均匀Pt（100）表面，其中包含不同的结构区域的模拟结果。这些区域是在CO诱导的过渡期间形成的，从具有覆盖层的六边形几何形状的重构相到具有正方形原子排列的块状（1x 1）相。在本方法中，表面转变的非平衡态的行为来解释。该区域的特征是六方相和（1x 1）相共存，并终止于临界分叉点（Tc ~680 K，pCO ~10 Torr）。由于增加的波动，在该尖点附近的高温和高压下的行为应该与在超真空条件下的实验中通常观察到的超真空型行为有质的不同。在非均匀表面上，我们发现一个制度的非均匀振荡的特点是随机驻波的吸附物浓度。由此产生的波前的空间变形允许更深入地了解Pt（100）表面上的不规则振荡的性质。
2008-01-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Data-driven analysis of grain-growth kinetics in duplex and triplex systems
在多相系统中晶粒生长过程中，单个相-晶粒的演化动力学与整个微观组织生长速率之间的关系还没有得到令人信服的理解。因此，在这项工作中，舒适的可理解的统计工具来实现的多相系统的整体晶粒生长动力学，双相和三相，具有不同的相分数的演变相晶粒的影响。一个数据集，能够呈现统计上显着的，和访问，信息是通过建模和分析，在二十个不同的多晶系统，包括14个三重和五个双相微结构与不同的相分数，和一个均匀的单相系统，在多相场框架中的晶粒生长。这些广泛的微观结构的统计分析揭示，在各向同性的晶粒生长过程中，双相和三相系统的整体演化动力学主要由主相晶粒的生长速率决定，而与相分数无关。此外，通过多元非线性回归，人们意识到，随着主相晶粒的体积分数的增加，由双相和三相显微组织所表现出的整体各向同性晶粒生长速率按照一定的指数关系增加。此外，本研究揭示，虽然在三重微结构中的晶粒生长过程中的各个相晶粒的演变表现出一定程度的相互依赖性，但在具有相对低体积分数的次要相的晶粒之间观察到最少的相互作用。
2021-08-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Statistical reconstruction of three-dimensional porous media from two-dimensional images
提出了一种随机各向同性两相材料三维微结构的建模方法。实施该技术所需的信息可以从微结构的二维图像中获得。重建的模型与原始复合材料共享两点相关和弦分布函数。该方法的目的是生产模型的计算和理论预测随机材料的有效宏观性能（如导电性和导热性，渗透性和弹性模量）。为了测试该方法，我们重建的形态和预测的导电性众所周知的重叠球模型。计算结果与原始模型的数据吻合得很好。
1999-02-01 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Modeling and Reconstructing Complex Heterogeneous Materials From Lower-Order Spatial Correlation Functions Encoding Topological and Interface Statistics
非均质材料的多功能物理性质与其复杂的微观结构密切相关，可以使用包含材料相的关键结构特征的各种空间关联函数对其进行统计表征和建模。一个重要的相关问题是从包含在关联函数中的有限形态信息逆重建材料的微结构。在这里，我们详细介绍了一种广义格点（GLP）方法的基础上的格子气模型的非均匀材料，有效地计算一个特定的关联函数通过更新相应的功能与略有不同的微观结构。这允许人们将迄今为止使用的最广泛的低阶关联函数（包括编码拓扑连通性信息和界面统计的那些）并入Yeong-Torquato随机重建过程中，并且因此使得人们能够获得虚拟材料微结构的更精确的再现，以确定各种关联函数的信息内容，并为感兴趣的材料选择最敏感的微观结构描述符。我们的GLP方法的效用说明了建模和重建广泛的随机异质材料，包括“集群”RSA磁盘，金属陶瓷复合材料，枫丹白露砂岩和二进制激光散斑图案的二维切片，以及其他例子。
2019-09-29 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Microstructure-informed reduced modes synthesized with Wang tiles and the Generalized Finite Element Method
最近推出的一组王瓷砖的代表-传统的周期性单位单元为基础的方法的推广-作为一个减少的几何模型的材料随机异质微结构，使有效的合成的微观结构实现。为了便于宏观分析与王瓷砖产生的完全解决的微观结构，我们开发了一个降阶建模方案，利用预先计算的瓷砖的特性。在离线阶段，受计算均匀化的启发，我们从压缩的微观结构表示中提取连续的波动场，作为对由一阶和二阶宏观梯度表示的广义载荷的响应。在在线阶段，使用广义有限元法的ananimation，我们结合这些领域与一个粗略的有限元离散化，以创建特定的宏观问题的微观结构通知减少模式。考虑到一个二维标量椭圆问题，我们证明了我们的计划提供了小于3%的误差在相对的$L_2$和能量规范只有0.01%的未知数相比，完全解决的问题。通过局部细化宏观离散化和/或采用更多预先计算的波动场，可以进一步提高精度。最后，与标准的基于快照的降阶方法不同，我们的方案处理宏观几何形状或负载的显着变化，而不需要重新计算离线相位，因为波动场是在没有任何宏观问题的先验知识的情况下提取的。
2020-09-28 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.comp-ph
