Journal of Materials Science - JMS Article Abstracts in Chinese: Volume 59, Issue 12
The Editors of Journal of Materials Science are pleased to present a selection of abstracts translated into Chinese.
在相分离的bcc Nb-Zr合金中的转变和孪晶诱导塑性：一项原子研究 (this opens in a new tab)
Transformation- and twinning-induced plasticity in phase-separated bcc Nb-Zr alloys: an atomistic study
Md Mahmudul Hasan, Srivilliputhur G. Srinivasan & Deep Choudhuri
一些高温体心立方（bcc）结构材料，如Nb-，Zr-和Ti-基合金，会发生相分离，这是一种二阶相变，其中宿主晶格分解为具有不同组成的不同bcc领域。我们使用原子模拟研究了形成bcc的Nb–xZr（x= 0, 25, 50 at.%）合金的高应变率响应。为了在我们的起始合金中诱导相分离，我们首先在1000 K的Nb–xZr单晶中使用混合蒙特卡罗/分子动力学模拟。随后，这些晶体沿着不同的晶体学方向（⟨001⟩,⟨110⟩和⟨111⟩）在应变率为10+8s-1的情况下变形，以研究取向依赖的机械响应。相分离的Nb–xZr微结构表现出富含Zr或Nb的不同bcc领域。值得注意的是，Nb-50 at.%Zr包含的Zr领域比Nb-25 at.%Zr更粗。Zr富集领域充当“软”包含物，导致峰值强度按以下顺序降低：纯Nb（Nb-0 at.%Zr）> Nb-25 at.%Zr > Nb-50 at.%Zr。这意味着相分离导致Nb–xZr软化。我们还发现了两种取决于晶体学方向的变形路径：（i）对于沿⟨110⟩和⟨111⟩方向的变形：弹性变形后跟随{110}⟨111⟩滑移系统的位错塑性；和（ii）对于沿⟨001⟩方向的变形：弹性变形后跟随形成体积fcc结构，在{112⟨111⟩系统上的孪晶，以及在孪晶/基体界面区域的fcc相形成。这最终伴随着{110}⟨111⟩滑移系统的位错塑性。bcc→fcc位移转变在Nb–xZr沿⟨001⟩变形时促进了{112}⟨111⟩孪晶。我们的研究表明，bcc合金的软化可以由涉及局部溶质偏析、位移相变和在多个滑移面上发生的孪晶的机制耦合导致。
在Al/Ti多层膜中残余应力和界面相干性的演变及其对形变机制的影响 (this opens in a new tab)
Evolution of residual stress and interface coherency and their impact on deformation mechanisms in Al/Ti multilayers
Wenbo Wang, Sina Izadi, Hesham Mraied, Chuang Deng & Wenjun Cai
纳米结构金属多层膜（NMMs）的硬度通常从其对单个层厚度（h）的依赖性来理解，然而关于其他微观结构因素所施加的影响的知识却很少。在这项工作中，通过实验和分子动力学模拟研究了残余应力和界面相干性对具有h = 2.5-52 nm的Al/Ti NMMs的形变机制的影响。发现残余应力在Ti层中通常是拉应力，在Al层中是压应力，两者都倾向于随着h的减小而增加。在h < 10 nm时，Ti层中测得的拉应力超过2 GPa。这种高应力与小h处更相干的界面有关，这一点通过透射电子显微镜分析得到确认。最后，分子动力学模拟显示，在h = 2.5 nm时，相干界面比不相干界面更有效地阻止了位错的产生和传递。
NbC/Nb纳米层状结构的抗划痕行为：来自分子动力学原子模拟的洞察 (this opens in a new tab)
Scratch-resistant behavior of NbC/Nb nanolaminates: insights from molecular dynamics atomistic simulations
Md Mesbah Uddin & Iman Salehinia
分子动力学原子模拟被用来研究NbC/Nb陶瓷/金属纳米层状结构（CMNLs）在纳米压痕和纳米划痕过程中的摩擦学性质。该研究比较了CMNLs的划痕行为与NbC和Nb单晶的划痕行为。考虑了两种CMNL模型，都具有NbC的顶层，但金属层厚度分别为2 nm和8 nm。使用半径为5、10和20 nm的球形压头对CMNLs进行划痕，渗透深度为3 nm，避免渗透到陶瓷层下的金属层。结果表明，CMNL模型中的金属和陶瓷交替层减少了与NbC单晶相比在划痕过程中去除的材料量。金属层最厚的模型显示出较低的摩擦系数和材料去除量。模拟表明，压头大小对CMNLs的划痕行为有显著影响，较大的压头的摩擦系数明显较低。研究表明，较大的压头对单个层厚度在摩擦系数和材料去除量方面的敏感性较小。模型的划痕反应与划痕过程中的原子级变形机制有关。影响划痕行为的主要因素是单个层厚度、压头大小和划痕攻击角。总的来说，该研究为CMNLs的摩擦学行为提供了宝贵的洞察，并为抗划痕涂层的设计提供了启示。
在纳米层状Cu中限制层滑移中堆垛错位能的作用 (this opens in a new tab)
Role of stacking fault energy in confined layer slip in nanolaminated Cu
Weisen Ji, Wu-Rong Jian, Yanqing Su, Shuozhi Xu & Irene J. Beyerlein
金属纳米层状材料相比于其粗糙层状对应物展现出优越的强度。对于几到几十纳米的层厚度范围，这些材料的强度与单个位错穿过纳米厚层所需的应力有关，这种运动被称为限制层滑移（CLS）。在这里，我们使用原子模拟，模拟了具有非相干界面的纳米层状Cu中的CLS，重点关注堆垛错位能（SFEs）的作用，其变化幅度高达一个数量级，而其他材料参数基本保持不变。我们的模拟发现，（i）固有SFE影响位错核和界面的结构，（ii）CLS的临界应力与非相干界面的能量正相关，但与固有SFE和不稳定SFE之间的比率负相关。
钻石纳米粒子的塑性：加载和卸载过程中的位错和非晶化 (this opens in a new tab)
Plasticity in diamond nanoparticles: dislocations and amorphization during loading and dislocation multiplication during unloading
Franco Aquistapace, Daniel Castillo-Castro, Rafael I. González, Nicolás Amigo, Gonzalo García Vidable, Diego R. Tramontina, Felipe J. Valencia & Eduardo M. Bringa
本研究关注了当受到平面压头作用时，几种尺寸的立方钻石纳米粒子的机械反应。我们考虑了三个连续阶段，即加载、卸载和重新加载。在大的各向异性应变区域，标准结构探测器停止将原子识别为具有钻石结构，这影响了检测位错的能力。一个由机器学习辅助的结构探测器，MultiSOM，能够检测到更多的晶体钻石原子，并且也能识别出更大的位错密度。MultiSOM还能检测到扭曲的钻石相和方向性非晶化，这与其他共价固体在高应变下观察到的情况类似。卸载后，有大的弹性恢复和显著的非晶化保留。值得注意的是，位错密度在卸载过程中增加，这与大多数材料的情况不同，其中由于位错反应和表面汇流而有大的减少。这种“异常”行为可能与钻石的低位错移动性有关，但也与大量的交叉点有关，这增加了位错密度并进一步减少了位错移动性。卸载状态包括一个能够承受高温退火的密集位错网络。恢复过程中振动态密度（VDOS）的分析与晶体钻石相的显著恢复一致。重新加载纳米粒子显示出较低的强度，没有显著的位错增长。图形摘要
离散位错动力学模拟数据的解释：验证和验证（V&V）应用于尺寸/规模效应和自由表面效应 (this opens in a new tab)
The interpretation of discrete dislocation dynamics simulation data: verification and validation (V&V) with application to size/scale effects and free surface effects
Luo Li & Tariq Khraishi
模拟模型被用来模拟现实世界的现象，而在数值计算过程中不可避免地会出现错误。因此，需要对模拟模型进行验证和确认，以确保模型及其实施是正确的。在本文中，通过将模拟结果与相应的理论进行比较，包括任何分析解，其他数值解和实验数据，对themicro3ddiscrete位错动力学（DDD）模型进行了V&V。DDD模拟是一种强大的模拟方法，可以帮助研究人员更好地理解晶体材料的塑性行为。在这项研究中，对DDD模拟参数进行了参数分析。此外，还对模拟结果进行了验证和确认。
在马氏体钢中模拟位错与晶界的相互作用 (this opens in a new tab)
Modeling dislocation interactions with grain boundaries in lath martensitic steels
Ossama Abou Ali Modad & Mutasem A. Shehadeh
马氏体钢广泛用作化石燃料和核电站关键组件的结构材料，如锅炉、管道和配件。马氏体钢被认为具有遵循库尔德朱莫夫-萨克斯（K-S）取向关系的分层微观结构，其中一个先前的奥氏体晶粒由高角度晶界或包围界分隔的包围组成，这些包围界又被分为由称为块界的高角度晶界分隔的块或变体。块本身是由称为板条界的低角度晶界分隔的板条的聚集体，这些板条界上散布着沉淀物。本工作试图使用一种称为多尺度位错动力学塑性（MDDP）的位错动力学—连续力学方法，来检查位错与包围、块、板条界和沉淀物在单轴拉伸载荷下的相互作用以及它们对材料力学响应的影响。模拟在室温下以105s−1的应变速率进行。在变形过程中出现的主要晶体学特征被提取出来，并根据它们对材料力学响应的贡献进行分析。控制马氏体钢微观结构的取向关系，即K-S取向关系，被纳入MDDP，以准确捕捉所研究材料的变形行为。板条马氏体钢的强度作为板条宽度、块大小和包围大小的函数进行分析，以确定适当的有效晶粒大小。
在纳米压痕过程中的位错结构和表面地形图 (this opens in a new tab)
Dislocation structure during nano-indentation and surface topographic maps
Hassaan Zafar, Shafique M. A. Khan & Numan Abu-Dheir
使用三维多尺度离散位错塑性模型研究了纳米压痕过程中的位错结构演变。这个模型结合了两个长度尺度，离散位错动力学和连续有限元分析。研究了纳米压痕位置附近不同滑移面上的位错的增殖、生长和移动。此外，生成了纳米压痕表面的地形图，以观察由退出位错形成的模式。在研究中采用了不同的位错源初始配置。观察到，位错活动一般，以及交叉滑移活动特别，显著依赖于位错源的初始配置。其次，晶体的取向影响了纳米压痕表面的地形。
高斯过程自回归模型捕获Ni-Mo-Nb合金中的微观结构演变路径 (this opens in a new tab)
A Gaussian process autoregressive model capturing microstructure evolution paths in a Ni–Mo–Nb alloy
Andrew Marshall, Adam Generale, Surya R. Kalidindi, Bala Radhakrishnan & Jim Belak
增材制造越来越多地被用于生产复杂几何形状的结构合金组件，这是因为预期的能源节省与近净形成型能力以及构建许多传统制造方法无法实现的新颖内部特性的能力有关。然而，由于遇到的极端热条件，粉末床基础增材制造过程中产生的非平衡微观结构必须经过定制的后热处理过程以恢复目标机械性能。相场模型和模拟技术已经成熟到可以合理准确地预测微观结构演变路径，以及考虑合金特定的热力学和动力学方面的成核和生长过程的结果沉淀相的形态。然而，相场模拟计算量大，这排除了直接将模拟应用到整个组件的长度尺度的能力。因此，非常希望开发低计算成本的替代模型，有效地捕获微观结构长度尺度的物理现象，同时促进设计优化的处理条件，导致组件尺度的位置特定目标微观结构。这里展示的工作演示了应用材料知识系统框架开发一个替代模型，有效地捕获在增材制造条件下固化过程中已知会发生偏析的不同Mo和Nb组成的Ni-Mo-Nb合金退火过程中的微观结构路径。具体来说，这项工作中构建的替代模型基于高斯过程自回归模型，该模型通过两点相关性和主成分分析的降维来获取模拟微观结构的统计表示。这个替代模型被证明能够捕获在沉淀过程中微观结构路径的分叉，这产生了一个在高Nb浓度下由γ''相主导的微观结构和在低Nb浓度下的δ相。
塑性介导的薄膜-柔性基底系统中的形变不稳定性：直接三维模拟 (this opens in a new tab)
Plasticity-mediated deformation instabilities in thin film-compliant substrate systems: direct three-dimensional simulations
Siavash Nikravesh & Yu-Lin Shen
由机械不稳定性驱动的表面皱纹常常在附着在柔性基底上的薄膜结构中形成。在这项研究中，采用了一种最近开发的计算方法来模拟涉及薄膜塑性屈服的皱纹的形成和转变。这些三维（3D）有限元模型包含一个嵌入在膜-基底界面的缺陷，用于触发分支模式。成功应用这种技术以允许薄膜塑性，包括3D表面模式的演变和它们与整体载荷-位移响应的相关性。模拟结果显示，塑性屈服将表面不稳定性模式转变为更局部化的形式。在单轴加载下，正弦弹性皱纹经历皱纹到折叠的转变。在等双轴加载下，初始的方格棋盘阵列转变为沿45°方向的连续高脊。在这两种加载模式下，塑性引起的不稳定性模式在卸载后只部分缓解，留下永久性的表面特征。
使用线性波纹和拉直技术开发和建模梯度微结构 (this opens in a new tab)
Development and modeling of gradient microstructures using linear corrugation and straightening
Mueed Jamal & David P. Field
一种被称为线性波纹和拉直（LCS）的严重塑性变形（SPD）过程被用来变形由双辊铸造镁合金（AZ31）制成的4毫米厚的板材。通过光学显微镜和电子背散射衍射技术，检查了两块经过处理的板材的横截面（通过厚度，从顶边到中部）。然后，为所有四个经过处理的样品的LCS过程的推压-释放周期开发了一个2D有限元模型（FEM），直到三次压制。LCS的FEM显示，总体应变积累在样品中粒径最小的区域最高。从一些处理过的样品中获得的图像与从FEM获得的塑性（PEEQ）和剪切（P12）应变分布结果相关。这证明了一个相对简单的变形模型成功预测了在剪切应变较高和较低的某些区域中，细粒和粗粒发展的形成。此外，FEM显示了在板材样品中形成了死区，其中塑性和剪切应变非常小。这些死区保留了处理过的板材中的原始粗粒。
在热环境中带有界面缺陷的层压复合材料的多物理场建模和分析 (this opens in a new tab)
Multiphysics modeling and analysis of laminated composites with interfacial imperfections in thermal environments
Aurélien Vattré
本研究提出了在热环境中带有界面缺陷的磁电弹性多层板的多物理响应的新颖三维解决方案。采用Stroh形式主义，结合Eringen非局部理论来捕捉小尺度效应，实现了热耦合。层压结构简单支撑，并受到时间谐波温度分布和使用傅立叶级数展开表示的扩展牵引力的影响。双变量和位置技术被用来解决由非理想热和机械键合接触之间的挑战，确保递归场关系的一致性和稳定性。分析了一系列应用实例，包括材料排列、长宽比和非局部长度特性、弹性柔顺和热/电弱导界面，以及在综合热机械环境中的强迫振动的影响。全面的结果揭示了多层结构复杂的多物理响应，并为先进材料和结构的实际工程影响提供了宝贵的见解。
微观-宏观有限元建模方法用于研究可磨损涂层材料的摩擦反应 (this opens in a new tab)
Micro–macro finite element modeling method for rub response in abradable coating materials
Jiahao Cheng, Xiaohua Hu, William Joost & Xin Sun
燃气轮机在旋转叶片与静态可磨损涂层接触时会产生“摩擦”。这在高温/高压环境中导致了极端的应变率和动态。当前的摩擦模型是现象学的，并未反映出潜在的微观结构，因此限制了它们的预测准确性。在这项工作中，我们引入了一个以微观结构为基础的，用于模拟可磨损涂层“摩擦”行为的简化建模框架。这个框架包括一个基于数字化可磨损微观结构构建的微观模型，并明确模拟每个组成相的机械行为及其相互作用。在与实验数据校准和验证后，校准的微观模型被用来在各种负载路径下，生成大范围应变率和温度的数据。然后，虚拟生成的数据被用来拟合宏观简化模型，这使得在不损害复杂材料行为完整性的情况下，能快速模拟组件级别的摩擦。所提出的努力将通过应用从微观结构到引擎行为的多尺度建模，解决预测摩擦过程中可磨损材料行为的技术挑战，有效地减少新型可磨损材料的开发成本和时间，以获得更好的“摩擦”性能。
初始剪切纹理和晶粒尺寸梯度对梯度间隙自由（IF）钢塑性变形的协同效应 (this opens in a new tab)
Synergetic effect of initial shear texture and grain size gradient on plastic deformation of gradient interstitial free (IF) steel
Hao Lyu & Annie Ruimi
由于严重的塑性变形，梯度IF钢的样品常常显示出强烈的纹理，这些纹理不能完全通过退火消除。晶粒尺寸的梯度和由此产生的纹理都对梯度IF钢的机械行为有贡献。采用基于位错的多尺度模型来模拟具有各种初始剪切纹理的梯度间隙自由（IF）钢的拉伸行为。发现在过渡区域中强烈的{110}纹理可以增强材料的强度，并导致后期的应变/应力重新分布。这揭示了过渡区域中初始纹理和梯度微观结构的协同效应的重要性。
沉淀物和位错密度相互作用影响了Inconel合金的强度和延展性 (this opens in a new tab)
Precipitate and dislocation-density interactions affecting strength and ductility in inconel alloys
Attilio Arcari, Derek Horton, Muh-Jang Chen & Mohammed A. Zikry
粒度和沉淀物的形态、方向和分布在硬化的镍合金718中直接受到材料加工、热力和机械历史的影响，并针对其在服务中的热力-机械行为进行优化。基于位错密度晶体塑性公式的计算方法被用来研究和识别主导的微观结构机制和缺陷，如完全和部分的位错密度，在实验上被表征的718合金规格中。完全和部分位错密度及其与材料微观结构的相互作用的角色，影响了合金的机械行为，进行了研究。不同的沉淀物体积分数被用来表征和识别这些相互作用和行为。使用一个集成的实验和建模方法，沿着晶粒边界以细长棒的形式沉淀的δ相被显示为位错密度积累的来源。相互作用包括强化，通过阻碍由相干沉淀物引起的位错的运动来实现，以及剪切变形竞争，与剪切滑移或塑性积累在优选定向滑移系统的沉淀物和基体之间相关。
增材制造的 Haynes 282 拉伸引起的各向异性收缩的晶体塑性有限元研究 (this opens in a new tab)
Crystal plasticity finite element study of tension-induced anisotropic contraction of additively manufactured Haynes 282
Indrajit Nandi, Nabeel Ahmad, William G. Tilson, Jian Wang, Nima Shamsaei & Shuai Shao
通过激光粉末床熔融（L-PBF Haynes 282）制造的圆柱形Haynes 282拉伸试样显示出异常的拉伸变形行为，其特征是各向异性的横向收缩和椭圆形的拉伸断裂表面。在这项工作中，进行了晶体塑性有限元模拟，以探索这种异常的潜在机制。根据L-PBF Haynes 282的实验观察到的晶粒结构，创建了晶粒聚集体的圆柱模型。初始的晶体学取向被分配以生成从单晶到完全随机的一系列纹理。在拉伸变形过程中，模拟的晶粒聚集体的形状和晶体学纹理的演变已经被分析并与实验进行了比较。发现L-PBF Haynes 282的近单晶纹理是变形异常的原因。具体来说，沿[110]轴线拉伸的模拟单晶显示出强烈的各向异性横向收缩；而具有随机纹理的模型在加载轴线上是对称的。虽然在变形过程中，两个模型都在加载轴线上演变出相对强烈的[111]极点，但单晶模型的取向在[11¯0]方向上分裂，而随机纹理模型演变成强烈的纤维纹理。当在单晶模型中引入小的、随机的错位时，变形各向异性和纹理演变似乎是两个极端情况的中间状态；并且与实验观察到的情况相似。图形摘要
ECAP处理的超细晶粒金属的应变硬化和微观结构演变：铜、铝和镁合金的比较研究 (this opens in a new tab)
Strain hardening and microstructure evolution in ECAP-processed ultrafine-grained metals: a comparative study of copper, aluminum, and magnesium alloys
Georges Ayoub, Ossama Abou Ali Modad, Ali al-Hadi Kobaissy, Mutasem Shehadeh & Ioannis Mastorakos
本研究对纯铜、Al-1100合金和Mg AZ31合金在等通道角压(ECAP)下的纹理演变、变形机制和位错密度演变进行了比较分析。为此，我们提出了一个独特的晶粒破碎模型，结合了连续位错动力学和泰勒-林晶体塑性。铜和铝合金，具有面心立方(FCC)晶体结构，在晶粒破碎过程中表现出类似的微观机械过程。这两种材料的ECAP后纹理都与理想方向一致，表明晶粒围绕流动方向中心旋转。另一方面，具有六方密堆积(HCP)晶体结构的镁AZ31合金，显示出类似滚动的纹理。Al-1100显示出由位错滑移有利的高位错倍增率，而Mg AZ31在200℃下显示出较慢的位错密度演变，这可以与动态再结晶和孪晶低活性相关联。实际上，由于温度升高，动态再结晶可能形成新的晶粒，导致位错密度逐渐增加。此外，平均晶粒尺寸减小率的比较与位错密度的发现一致，铝合金经历了显著的晶粒破碎，而Mg AZ31合金的晶粒破碎率最慢。采用的连续位错动力学(CDD)与晶体塑性建模方法，能够预测材料的响应，为理解和优化变形行为提供了强大的工具。进一步的研究机会在于探索额外的因素，提炼对FCC和HCP材料的变形行为的理解，以及扩大建模方法对其他材料和加工技术的适用性。
连续损伤力学-耦合塑性模型对AA6061-T651 CMT焊接接头的力学行为的建模 (this opens in a new tab)
Continuum damage mechanics-coupled plasticity modeling of mechanical behavior in AA6061-T651 CMT-welded joints
R. Serrano, G. Ayoub & R. Ambriz
这项工作主要研究了CMT（冷金属传递）焊接接头在AA6061-T651铝合金中的力学行为，同时建立了与焊接区域观察到的微观结构特征的相关性。此外，还提出了一个耦合连续损伤力学和各向异性塑性模型的数学框架，该模型采用有限应变公式。目标是准确描述CMT焊接接头在AA 6XXX合金中的力学行为、断裂和损伤演变。使用从对各种焊接区域进行的单轴拉伸试验中获得的实验数据对所提出的模型进行校准，包括基材、热影响区和熔融区。为了捕捉焊接接头的整体行为，采用了一个复合框架。该框架包含多个串联的弹性-粘塑性元素，每个元素代表一个特定的焊接区域。模型展示了强大的预测能力，成功预测了6061-T651铝合金CMT焊接和其各自焊接区域的关键力学性能，包括屈服应力、最大拉伸应力和断裂应变。值得注意的是，与实验值相比，模型达到了高度的准确性，准确性分别约为0.8、0.98和0.9。实验结果和数值模拟显示了密切的一致性，验证了所提出模型的准确性和预测能力。此外，模型还展示了其捕捉加载过程中损伤演变的能力。所提出的建模方法有效地捕捉了每个焊接区域的独特特性，并提供了对焊接断裂和损伤演变的宝贵见解。
由定向能量沉积制造的Inconel 718超级合金的机械性能异质性 (this opens in a new tab)
Mechanical property heterogeneity in Inconel 718 superalloy manufactured by directed energy deposition
Laith Alqawasmi, Surya T. Bijjala, Tariq Khraishi & Pankaj Kumar
基于粉末的激光定向能量沉积（L-DED）使得快速原型制造和生产复杂几何形状的Inconel 718部件用于结构应用成为可能。然而，由L-DED得到的异质微观结构可能导致室温下的机械性能不均匀。因此，评估L-DED制造的Inconel 718超级合金的机械性能的局部异质性是重要的。已经在由L-DED制造的样品体积内调查了Inconel 718超级合金的硬度和局部拉伸性能的机械性能，以确定性能的局部变化。机械性能在沉积后和标准溶液处理和时效（STA）条件下进行了比较。L-DED Inconel 718在沉积后条件下的平均硬度和拉伸强度性能显著较低，而其应变至失效显著高于其锻造对应物。STA使得L-DED Inconel 718的平均机械性能等同于其锻造对应物。在沉积后的L-DED Inconel 718中，硬度沿着沉积方向变化。有趣的是，L-DED Inconel 718沿着沉积方向的硬度的局部变异在STA后被消除。拉伸强度性能沿着沉积方向变化，并且发现在表面附近最低。即使在STA后，拉伸强度性能的局部变化趋势也是相同的。局部延性在L-DED Inconel 718中相对于强度呈现出一种趋势。仔细评估显示，机械性能的局部变化在沉积方向上显著，而在L-DED Inconel 718的扫描方向上在沉积后和STA条件下最小。L-DED Inconel 718的机械性能的局部异质性是根据各自的微观结构和变形特性来解释的。图形摘要
交联聚合物在同时受到疲劳和热老化影响时的本构行为和失效预测：一种降阶的知识驱动的机器学习模型 (this opens in a new tab)
Constitutive behavior and failure prediction of crosslinked polymers exposed to concurrent fatigue and thermal aging: a reduced-order knowledge-driven machine-learned model
Aref Ghaderi, Georges Ayoub & Roozbeh Dargazany
为了评估热老化和循环疲劳对交联聚合物的本构和失效行为的联合影响，我们提出了一种新颖的物理信息驱动的数据驱动本构模型。尽管已经对各个降解模式进行了大量研究，但这两种老化机制的同时影响尚未深入探讨。我们的目标是模拟由于同时暴露于这两种老化过程而导致的机械性能降解。为了准确捕捉两种老化过程之间的复杂相互作用，我们开发了一种物理信息驱动的机器学习方法，该方法使用各自的老化机制来分别模拟每种老化条件的影响。然后，我们使用条件神经网络将代表每种老化条件相关损伤的动力学方程进行耦合。通过这样做，我们的模型可以考虑到机械和环境损伤协同作用对聚合物大分子网络本构响应的影响。该模型是基于机械和环境效应完全独立的假设构建的，建立在我们最近的热氧化老化和水解老化模型之上。该模型使用基于顺序老化的广泛实验数据进行验证。所建议的模型与实验结果显示出满意的相关性，证明了其预测受热老化和循环疲劳影响的材料的长期耐久性和可靠性的潜力。总的来说，我们的方法为设计和优化受复杂老化条件影响的材料提供了一种有价值的工具。
氧化诱导的半晶体聚合物的硬化与弱化 (this opens in a new tab)
Oxidation-induced stiffening versus weakening in semicrystalline polymers
A. K. Rodriguez, B. Mansoor & A. A. Benzerga
聚合物容易受到氧化的影响，其对聚合物机械行为的影响对其长期性能提出了重大挑战。有趣的是，在简单的拉伸紫外老化的聚乙烯板中并未显示出模量的任何显著变化。但是，他们的纳米压痕数据显示，随着暴露时间的增加，近表面硬度增加了一倍。为了理解这个明显的冲突，我们结合了机械测试和电子显微镜对原始和紫外老化的未稳定的半晶体聚合物薄膜和板材的研究。我们的研究为理解半晶体聚合物紫外老化过程中同时出现的两种竞争机制之间的复杂关系提供了新的见解：氧化诱导的硬化和弱化。前者机制，氧化诱导的硬化，可能是由紫外诱导的化学结晶和交联引起的，这增加了局部结晶度。另一方面，氧化诱导的弱化是由于随着暴露时间的积累而产生的大量裂纹。我们的发现对于开发聚合物老化的预测模型和改善其长期性能具有重要的意义。
热活化位错集合的非平衡统计热力学：第一部分：受限局部平衡下的子系统反应 (this opens in a new tab)
Nonequilibrium statistical thermodynamics of thermally activated dislocation ensembles: part 1: subsystem reactions under constrained local equilibrium
David L. McDowell
这篇三部分的论文为内部状态变量（ISV）理论的解释以及热活化位错集合行为的基础提供了新的见解。我们正式定义了支撑ISV理论的重要物理概念，如配置子系统（例如，单个晶粒或相）、受限的局部平衡和热活化位错反应在晶体塑性中的背景，然后在非平衡统计热力学框架内实施这些概念。吉布斯自由能障碍对每个子系统内位错反应的重要性被强调，因为焓障碍受到局部约束和作用在子系统内的长程和短程非热内应力的影响。定义了单个位错反应的动力学和运动学方面。通过正式识别非弹性变形及其在热耗散中的作用，承认了非热内应力在稳定位错在障碍之间的位置的作用。以与第一原理方法相同的方式正式引入了热和配置固有熵变，这些熵变对吉布斯自由能的变化作为反应驱动力的贡献，这些熵变基于每一步处位错反应的概率。我们区分了到达反应鞍点的平衡热力学，对于这种情况，配置和热熵的变化都适用，与位错的鞍点后延伸滑动，这种滑动通过色散声子动力学与热浴耦合。我们为固有熵产生写下子系统和集合关系。在子系统级别和整个子系统集合中，基于加权平均焓障碍与最大（速率限制）焓障碍的比率，引入了热活化位错过程的焓障碍的“相关度”的概念。据认为，非平衡轨迹逐渐向集合的相关行为移动，这是由于内应力在有利和不利于反应的相互作用子系统之间的重新分配。相关度是一个涉及位错在各种配置子系统内和之间的种群的多体概念。
非平衡统计热力学的热活化位错集合：第二部分—集合演化朝向焓势垒的相关性 (this opens in a new tab)
Nonequilibrium statistical thermodynamics of thermally activated dislocation ensembles: part 2—ensemble evolution toward correlation of enthalpy barriers
David L. McDowell
在第一部分中，我们正式定义了统计热力学中的重要物理概念，这些概念支撑着内部状态变量（ISV）理论，例如配置子系统（例如，单个晶粒或相），受限的局部平衡，以及在晶体塑性背景下的热活化位错反应。吉布斯自由能势垒对每个子系统内的位错反应的重要性被强调，因为焓势垒受到局部约束和作用在子系统内的长程和短程非热内部应力的影响。在这项工作中，我们正式应用吉布斯热力学到待定位错势垒反应的鞍点。基于反应概率的配分函数作为驱动待定集合反应的吉布斯自由能变化的统计力学基础；它被用来定义待定反应的热熵和配置熵的变化；后者不仅在子系统内部，而且在子系统的排列上枚举反应，与多尺度层次结构一致。通过反应后的动态重排和滑移产生的固有熵具有纯粹的热耗散性质，通过色散声子动力学与热浴耦合，并与待定反应的熵变区分开来。基于第一部分中引入的每个子系统内部和子系统集合之间的热活化位错过程的相关度的重要概念，我们认为非平衡轨迹逐渐趋向于增加集合子系统的焓势垒的相关性，这是由于硬（对扩展位错反应不利）和软（更有利）子系统之间的内部应力重新分布。相关度是一个多体概念，涉及到各种配置子系统内部和之间的位错群体。目前的统计热力学框架调用了充分尊重子系统的异质性和势垒强度分布的受限局部平衡方法，与ISV理论相通。然而，文献中的ISV理论形式几乎普遍是降阶的，以减少复杂性。因此，为完全相关的条件提供了ISV理论的降阶表示，如晶体塑性的硬化定律和流动动力学的标准表示，以及与去相关行为相关的潜在变化，包括由卸载或外部应力方向变化引起的瞬态。硬和软子系统相互作用导致的具有多个背应力组分的集合运动硬化的起源自然地显现出来。
非平衡统计热力学的热活化位错集合：第3部分—泰勒-奎尼系数，尺寸效应和广义正态性 (this opens in a new tab)
Nonequilibrium statistical thermodynamics of thermally activated dislocation ensembles: part 3—Taylor–Quinney coefficient, size effects and generalized normality
David L. McDowell
在第1部分和第2部分中引入的热活化位错集合的非平衡统计热力学框架被应用于解释和说明由外部应用应力完成的塑性工作的一部分被耗散为热量，即所谓的泰勒-奎尼系数，对于纯金属和复杂合金都是如此。讨论了内部应力和非弹性变形在某些合金中起的重要作用，导致它们将塑性工作转化为热量的比例非常低。概述并讨论了新配置子系统形成和发展的条件，包括与相邻配置子系统之间的界面区域相关的过渡或适应子系统在反应焓不匹配中起的关键作用。尺寸效应归因于这些过渡子系统中位错的能量有利的适应配置的访问可能性随着表面积与体积比的增加而减少，而不是更常见的归因于几何必要的位错或堆积。在反应滑移应与驱动位错通过反应路径鞍点的热力学驱动力相同的要求下，讨论了广义正态性。基于物理机制，考虑了值得注意的例外。虽然无法严格证明最大内在熵产生（MEP）率启发式，但杰恩斯的最大信息熵变化方法对于每一个非平衡演化的增量与位错障碍和子系统的统计代表性集合的最大内在熵产生是物理一致的。这种一致性源于反应数密度的增加，随着焓障碍之间的相关度在子系统中的增加（与相关的局部平衡状态），这表现出相应的配置熵变化的增加；后者作为与反应后鞍点动态重配置和位错扩展滑移相关的热耗散的代理。讨论了集合内在熵产生的自下而上构造和施加MEP约束的自上而下构造的含义。考虑了在集合级别应用梅耶-内尔德尔规则进行位错反应的焓-熵补偿的适用性；只有在强烈的应力辅助热活化反应和焓障碍在子系统中的高度相关的情况下，才认为适用。在当前的统计热力学框架和强调位错配置熵角色的现代理论之间，提出了一些对比。我们以讨论原子模型和离散位错建模方法在解决一些关键未解决问题以推进理解的实用性，以及数据科学和机器学习可能发挥的有益作用结束。
晶体中的暗能量：多晶聚合体储能预测 (this opens in a new tab)
Dark energy in crystals: prediction of stored energy in polycrystalline aggregates
Vikram Phalke, Samuel Forest, Hyung-Jun Chang, Tonya Rose & Arjen Roos
在金属材料的塑性变形过程中，部分消耗的机械能以热的形式扩散。转化为热的塑性工作的部分被称为泰勒-奎尼系数（TQC），通常被假定为一个约为0.9的常数参数。塑性工作的剩余部分被称为储存能量。储存能量被认为是动态或静态恢复和再结晶的主要驱动力。因此，对储存能量和TQC的数值预测和实验测量对于优化热力学材料处理至关重要。使用现有的晶体塑性模型来预测储存能量和TQC，并与实验测量结果相符，仍然是一个具有挑战性的问题。在这项工作中，使用了一个热力学类的晶体塑性模型来预测铜和铝单晶的储存能量和TQC。然后，将数值储存能量预测扩展到多晶奥氏体钢316L，并与文献中的实验测量结果进行比较。在储存能量的数值表达式中引入了一个特设因子，以弥补与实验测量的差异。为此，分析了统计储存位错（SSDs）和几何必要位错（GNDs）对储存能量预测的贡献，以理解特设因子的物理起源。通过应变梯度塑性模型，考虑了GNDs对储存能量和增强硬化的贡献。当前的系统有限元晶体塑性模拟还包括在晶粒边界处的特定界面条件。所呈现的计算分析表明，与实验相比，根据所提出的热力学一致的晶体塑性框架预测的能量储存评估中仍存在暗能量。
原位扫描电子显微镜(SEM)对纳米纤维Al-Si和Al-Si-Sr共晶的拉伸行为进行了表征 (this opens in a new tab)
In situ SEM characterization of tensile behavior of nano-fibrous Al–Si and Al–Si–Sr eutectics
Bingqiang Wei, Wenqian Wu, Arkajit Ghosh, Metin Kayitmazbatir, Amit Misra & Jian Wang
原位扫描电子显微镜中的拉伸测试用于研究激光精炼的全共晶Al-Si和Al-Si-Sr合金中的纤维取向和集群边界的影响。在Al-Si合金中，从单个集群中取样的测量拉伸应力-应变反应高度依赖于Si纳米纤维相对于加载方向的取向。具有多个集群的拉伸样品表现出改善的应变硬化，但测量的延展性受到沿着共晶集群边界的裂纹的限制。用Sr掺杂并用更细的激光束处理的Al-Si共晶合金，由于纳米级Si纤维的纤维直径和纤维间距的精细化，从单个集群中取样的屈服强度更高。因此，具有多个集群的样品在集群内部发展出显著的均匀伸长之前，会在共晶集群边界处发生滑动或裂纹。Al-Si-Sr样品的低延展性可以归因于由Sr元素添加引起的集群边界剪切强度的降低。图形摘要
近年来纳米增强相变材料的最新进展 (this opens in a new tab)
Recent advances in nano-enhanced phase change materials
Qian Zhang, Fukun Ma, Liqiang Liu, Wenjie Tan, Min Jing, Li Wang, Minghang Cai & Haoyu Wang
面对全球日益增长的能源需求，由于其良好的热能储存能力，相变材料（PCMs）近年来已成为研究热点。单一的PCMs存在如熔化时易泄漏、热导率和循环稳定性差等缺陷，这不利于热储存。因此，复合PCMs越来越受到未来应用的关注。由于纳米材料的独特物理化学性质，发现纳米材料和PCMs的复合物可以减少过冷，抑制相分离，提高热导率和循环稳定性。纳米增强的PCMs在相变能源储存领域有着巨大的应用。尽管已经有许多关于纳米增强PCMs的研究报告，但到目前为止，还没有对纳米增强PCMs进行系统总结。本文主要关注通过纳米添加剂的类型和性质来提高PCMs的热性能。在这篇综述中，总结了由纳米材料增强的PCMs的最新研究进展，包括纳米材料的种类，纳米复合PCMs的合成，纳米材料对PCMs热导率的影响，以及纳米复合PCMs的应用。这项工作为未来纳米增强PCMs的应用提供了参考价值，并有利于扩大纳米材料在相变能源储存材料领域的应用。