晶界的案例
晶界沉淀誘發晶界非等原子比高熵相相變
為此，我們提出了一種全新的策略，利用晶界沉淀顆粒引起的局部應力集中作為驅動力來觸發晶界處預設的非等原子比高熵相的相變。這種在晶界處的原位應力誘導相變引入了相變誘發塑性(TRIP)效應，使得沉淀強化型(FeCoNiCr)90Ti5Al5高熵合金能夠兼具高強度和高塑性（抗拉強度高于1.5 GPa，斷后延伸率高于38%）。這種“局部應力集中誘發晶界亞穩相相變”的策略可以充分利用晶界沉淀顆粒的生成（而不是避免）同時提高高熵合金的強度和塑性。
金屬材料晶界上的沉淀顆粒可以通過多種效應的疊加，在提高合金強度方面發揮重要作用，如晶界上的沉淀顆粒可以通過促進晶粒的形核和阻礙晶粒的長大來細化晶粒，同時在變形過程中可以作為物理障礙，阻礙位錯運動。然而，這些晶界沉淀顆粒在大幅增加金屬材料強度的同時，通常也會導致金屬材料塑性的顯著損失。在加載條件下，由于晶界沉淀顆粒與基體之間彈塑性變形的高度不相容性，會在晶界沉淀顆粒和基體界面處產生較高的局部應力集中。如果持續拉伸含有大量晶界沉淀顆粒的合金，會導致合金晶界局部應力水平迅速增加，從而會很快產生界面微裂紋、沉淀顆粒脫粘和最終的晶間斷裂。
由于晶界沉淀顆粒誘發的晶間脆化是安全關鍵應用中需要重點關注的問題，因此研究者們一直致力于克服由晶界沉淀引起的負面影響。研究者經常采用的一種策略是抑制晶界沉淀顆粒的析出，同時促進晶粒內部沉淀顆粒的析出。然而，這種策略在很大程度上限制了合金的成分和力學性能。另一個流行的策略是盡可能減小晶界沉淀顆粒的尺寸，同時盡可能使其在合金中均勻分布，以分散局部應力集中。然而，以上這些方法顯然不能根本性地解決問題。解決這一長期困擾材料科學家和工程師問題的關鍵，在于探索如何創新地利用晶界顆粒和基體界面的局部應力集中作為驅動力來觸發有利于提高合金塑性的強化機制，如相變誘發韌性和相變誘發塑性機制等。
展開 考慮晶界影響的晶體塑性模型
于是很多模型會選擇加入一個經驗項，比如 (K/sqrtws3nkm3)，這樣當然有效，但物理圖像多少有些不夠清楚：晶界到底是怎么影響位錯運動的？不同晶界為什么會產生不同的阻礙作用？滑移能不能從一個晶粒傳到另一個晶粒？
Simulation of polycrystal deformation with grain and grain boundary effects這篇文章最有意思的地方在于：作者并不是簡單把晶界當作一層“硬殼”，而是嘗試從位錯運動、晶界阻礙和滑移傳遞的角度，重新建立晶界強化的物理圖像。
作者提出的是一個“兩尺度模型”。第一層是我們熟悉的晶粒尺度模擬，也就是基于有限元的晶體塑性計算。它負責求解每個晶粒、每個單元中的應力、應變、滑移量和位錯密度演化。第二層是介觀尺度模擬，用來處理普通 CP-FEM 很難直接描述的部分：位錯在晶粒內部的重新分布、由位錯堆積產生的背應力，以及位錯穿過晶界時受到的阻礙。
這篇文章里，最值得關注的是它對晶界的處理。作者使用滑移傳遞準則來判斷一個滑移系上的位錯是否容易穿過晶界進入相鄰晶粒。簡單來說，如果入射晶粒中的滑移方向和相鄰晶粒中的某個出射滑移方向比較匹配，同時兩側滑移面在晶界上的跡線也比較匹配，那么這個晶界對該滑移系就是“比較通透”的；反之，它就更像一個強障礙。
于是，晶界不再只是一個統一的強化層，而變成了一個和晶界取向、兩側晶粒取向、入射滑移系、出射滑移系都有關的局部障礙。這個思想非常適合和晶體塑性模型結合，因為晶體塑性本來就是逐滑移系計算的。
在作者的模型中，晶界通透性可以進一步轉化為晶界障礙應力。通透性越高，障礙應力越小；通透性越低，障礙應力越大。這樣一來，晶界對塑性滑移的影響就可以直接進入滑移率方程：只有當有效分切應力足夠克服晶界障礙時，晶界附近的滑移才能繼續發展。
這篇文章的另一個重要部分是位錯重分配。
展開 含晶界多晶幾何模型的建立及其在abaqus中的實現
圖1 (a)不含具有一定厚度晶界的多晶模型; (b)晶界厚度為1μm的多晶組織模型; (c)晶界厚度為1.5μm的多晶組織模型
具體建模思路如圖2所示(以線段AB、BC為例，其余線段計算方式相同):
1) 首先計算線段AB及BC的中點P和Q的坐標，并計算AB及BC的單位向量；
2) 計算向量vectAB及vectBC的斜率k1和k2;
3) 根據中點坐標及單位向量可以獲得到AB及BC邊距離為d的點P'和Q';
4) 根據k1，k2，P'及Q'可以求得兩個虛線的交點M坐標，這個M點即為距離AB及BC都是d的偏離點;
5) 以此類推，求得所有晶粒內部的各偏離點，通過python控制Partition Face功能，即可在每個晶粒內部生成一個偏離的相似晶粒，結果如圖1(b)(c)所示。
圖2 晶界生成過程示意圖
通過控制Partition Face過程，可以實現對晶界區域的分割，如圖3所示。圖3(a)所示為每個晶粒的晶界為一個整體，與其余晶粒的晶界互不干涉；而圖3(b)所示為每個晶粒的晶界被分為若干段，每一段可根據共享它的兩個晶粒取向差來確定特征。
圖3 (a)各晶粒的晶界為整體Set; (b)各晶粒的晶界為單獨Set.
通過設置neper中晶粒的尺寸比例，可以生成軋制態組織模型，并且基于本文的方法，建立對應的晶界模型，如圖4所示。
圖4 不同長徑比的含晶界組織模型：(a) 2:1; (b) 3:1.
三、總結及展望
建立考慮了晶界Set的幾何模型在預測晶界擴散、損傷、再結晶等過程方面有著重要的作用。
展開 基于huang程序和Homtools插件實現考慮晶界的晶體塑性建------模案例二十 ￥99
? 基于huang程序和Homtools插件實現考慮晶界的晶體塑性建模
案例說明
1，通過Homtools生成包含晶界和200個晶粒的晶體模型
2，根據材料腳本批量給每個晶粒分配不同的材料屬性，對于晶界采用兩種方式建模（a. 晶體塑性。b.普通彈塑性模型）
3，在X方向施加20%的工程應變
4， 后處理顯示晶界和晶粒的應力應變情況
圖一，插件示意圖
圖二，包含晶界的模型
圖三，網格劃分示意圖
圖四，累計剪切應變分布（a晶界）
圖五，模型對應邊界條件（a晶界）
圖六，滑移系的臨界分剪切應力分布（a晶界）
圖七，晶界應力分布（a晶界）
圖八，累計剪切應變分布（b晶界）
圖九，等效應力分布（b晶界）
圖十，晶界處等效塑性應變（b晶界）
圖十一，晶界處等效應力分布（b晶界）
展開 
發現多晶金屬的晶界速度和曲率不相關
利用鎳在800°C退火過程中6次成像的三維組織，測量了已知晶體學中超過5×104個晶面的晶界曲率和速度。出乎意料的是，晶界速度和曲率不相關。相反，研究者發現邊界速度和五個決定了晶界晶體學宏觀參數之間有很強的相關性。速度對晶界的敏感性，可能是缺陷介導的晶界遷移或晶界能各向異性的結果。速度和曲率之間缺乏相關性，可能是由晶界網絡施加的約束造成的，這意味著需要一個新的晶界遷移模型。
圖1 晶界遷移。
圖2 晶界速度作為曲率的函數。
圖3 平均速度作為晶體參數的函數。
圖4 Σ3和Σ7晶粒邊界的選定屬性。
鑒于Ni、Cu、Al和Au的邊界性質是高度相關的，該觀察結果也可能適用于其他具有面心立方結構的技術上重要的金屬。晶界速度與平均曲率不相關的發現表明，對于多晶體，傳統的關于晶界遷移的基本假設是不正確的。因此，基于這一假設的模型存在潛在的缺陷。
展開 PNAS：借助機器學習進行晶界處原子動力學測定
【引言】
晶界動力學和晶粒長大、晶界擴散、滑移，位錯和點缺陷的產生湮滅有著密切關聯。評價晶界原子動力學的復雜性在于：這種復雜性既和晶界結構的高度退化的本質有關，還和晶界網絡與多晶顯微結構的相互連接有關。晶界原子結構既表現出連續晶粒的有序性，也在復雜的勢能圖景中被困于亞穩態極小值處，可聯想到非晶態材料。
【成果簡介】
多晶材料中，晶界位置的原子運動能力更高，但晶界網絡內原子結構的復雜性使得結構和原子動力學之間難以聯系起來。近日，美國賓夕法尼亞大學的Tristan A. Sharp（第一作者兼通訊作者）等研究人員在在國際頂級綜合性期刊PNAS上面發表了文章“Machine learning determination of atomic dynamics at grain boundaries”。該工作使用機器學習建立了局域結構和動力學之間的關聯。在研究塊體非晶態材料的前期工作的基礎上，作者定義了一個純結構量（軟度）來獲取原子重排的傾向。該方法可以正確識別晶體區域，堆垛層錯以及孿晶界是發生原子重排可能性較低的區域，而高能量的晶界有著較大的原子重排可能性。
【圖文導讀】
圖1：Al的三維多晶橫截面中一小塊區域的顯微結構。
(a) CNA方法可視化得到的顯微結構；
(b) VoroTop可視化得到的顯微結構；
晶粒內部是局域的FCC（白色院子），而堆垛層錯和孿晶界是局域HCP結構（紅色原子），一般晶界內的原子機遇是FCC也不是HCP（藍色原子）。
(c) 同樣的原子以 phop瞬時值為標準的著色圖；
(d) 同樣的原子以軟度為標準的著色圖。
圖2：晶粒內和晶界處的軟度S的分布。
展開 基于黃umat和真實晶界形狀探究剪切滑移帶的形成和發展------案例七
? 基于黃umat和真實晶界形狀探究剪切滑移帶的形成和發展
案例實操
1，基于真實的ebsd模型生成晶體模型，晶界處采用自由網格進行劃分，保留真實晶界形狀（可以更準確預測與晶界相關的響應，損傷，應力集中，剪切帶的演化等）
2，基于腳本的材料參數批賦值
3，X0方向固定，施加X1方向的20%的工程應變
4，采用二維平面應變單元進行分析
5，提交與后處理材料數據
Ebsd的掃描圖
保留晶界形貌幾何模型
簡單拉伸載荷的施加
變形結束時材料的應力分布情況
不同時刻下剪切滑移帶的發展
無鉛鹵化物雙鈣鈦礦晶界缺陷工程改善光電性能
與其他傳統半導體類似，HDP的器件性能可能受其有害缺陷的限制，包括晶體內部(GI)和晶界(GB)缺陷。因此，亟待了解HDP中低能晶界的電子特性以及其如何影響HDP的光電和器件性能。
【成果簡介】
近日，清華大學材料學院柳百新院士課題組(第一單位)等利用第一性原理計算，發現一些特定種類的晶界由于其較低的形成能而很容易在多晶HDP中出現，而在其他傳統鈣鈦礦材料中晶界的形成能往往較高。更為重要的是，低能量的Σ5(310) 晶界會在第I類和第II類HDP的帶隙中間產生深能級缺陷態，這些深能級缺陷態有可能會成為電子-空穴復合中心而極大地損害HDP的服役性能。本工作研究者通過對晶界中的缺陷進行調控設計來實現無鉛HDP材料更優越的光電性能。發現通過特定的本征缺陷或者缺陷復合物的引入可以分別有效消除第II類和第I類HDP晶界中的深能級缺陷。同時，通過細致的化學勢點篩選，發現在一些預先設計的特定精確的生長條件下，這些缺陷或缺陷復合物會自發地偏聚到HDP的晶界中心，而且可以有效地抑制體相中的有害深能級缺陷。此外，和很多其他半導體類似，本工作研究者發現在被缺陷或缺陷復合物鈍化后的晶界中會出現能帶彎曲的現象，這有利于HDP薄膜中載流子的分離。通過獨特的化學方法對晶界進行調控是一種普世的方法，可以應用到其他多晶材料中，這為設計具有更優越光電性能的多晶鈣鈦礦提供了新的觀點和指導。
研究成果以“Defect Engineering of Grain Boundaries in Lead-Free Halide Double Perovskites for Better Optoelectronic Performance”為題發表在《Advanced Functional Materials》上[Adv. Funct.
展開 哈工程Scripta、MSEA：基于晶界偏聚和位錯調控開發低合金高強塑鎂合金！
為準確研究晶界偏聚及其影響，研究者對實驗進行了精心設計，排除其他因素的影響，包括初始晶粒尺寸、織構、晶界類型以及第二相，基于負混合焓和最小化晶界位錯彈性應變原則，發現了添加微量RE元素可以顯著提高鎂合金中常用元素（Zn和Ca）的偏聚濃度，有效抑制退火過程中的晶粒長大（圖1）。另外，也證實晶界偏聚濃度的增加可以提高擠壓合金的屈服強度。利用微量稀土元素添加提高晶界偏聚水平，為設計和開發低合金化高性能鎂合金提供了新思路。（MSEA831 (2022) 142259）
圖1 (a) 無稀土鎂合金和 (c) 含微量稀土鎂合金的晶界偏聚含量; (b) 無稀土鎂合金和 (d) 含微量稀土鎂合金在相同退火條件下的晶粒長大情況；（e）不同退火狀態下含/不含稀土鎂合金的屈服強度。
基于以上晶界偏聚研究，研究者通過合金化設計結合低溫低速擠壓+退火工藝，綜合利用晶界偏聚和位錯調控，提出一種開發低合金化高強塑性鎂合金的新方法。首先,采用低溫低速擠壓工藝制備出超高強度低合金化Mg-2Sm-0.8Mn-0.6Ca-0.5Zn（wt%）合金，該擠壓合金屈服強度達到453MPa，但塑性較差（延伸率僅3.2%）（圖2），超高的強度主要源于擠壓過程中形成的含有高密度殘余位錯和納米錳沉淀的細晶結構。然后，協同考慮位錯回復、靜態再結晶和晶粒生長等因素，采用350°C作為退火溫度，退火15分鐘后的合金（HT15合金）表現出高強度和高塑性的優異組合，其中，屈服強度為403MPa，伸長率為15.5%（圖2）。
展開 基于huang.for結合cohesive單元模擬晶粒之間的晶界開裂
<p> 已有大佬做了基于cohesive+泰森多邊形(Voronoi)插件模擬晶粒之間的晶界開裂的視頻，這個視頻中晶粒模型主要是通過homtools插件建立的，cohesive單元的建立是通過Cohesive_generator_2D3D插件實現的。附上視頻鏈接：</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-link" data-title="基于cohesive+泰森多邊形(Voronoi)插件模擬晶粒之間的晶界開裂--Abaqus平臺" data-link="https://www.bilibili.com/video/BV1LV411y7CL/?share_source=copy_web&vd_source=ee5e911cda47c9e62824b381dae143c2" data-regular="true">
<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1LV411y7CL/?share_source=copy_web&vd_source=ee5e911cda47c9e62824b381dae143c2" target="_blank" class="figure-link-a" rel="nofollow">基于cohesive+泰森多邊形(Voronoi)插件模擬晶粒之間的晶界開裂--Abaqus平臺</a>
</figure>
</div><p><br></p><p> 在Neper中建立晶粒模型劃分網格時也可以批量插入0厚度cohesive單元，我之前進行了嘗試，這里給出一個示例。
展開 《Scripta Materialia》電場誘導的晶界退化機制！
晶界應變輪廓和納米級空隙可能是由于晶格收縮和晶格重新膨脹導致這種還原氧化錯相出現和消失的殘余影響。
圖1 在直流(黑色)和交流(紅色)電場作用下，8YSZ試樣的J-E曲線
圖2 (a) 直流電場；(b) 交流電場；(c) 1500℃常規燒結和(d) 1500℃預致密樣品直流電場下的微觀組織
圖3 (a, b) 沿晶界存在的納米孔；(c) 晶界輪廓；(d) Y元素分布
圖4 常規預燒結壓塊在直流電場作用下的斷口
晶界處氧空位的連續積累會導致擴散障礙，阻礙進一步的離子傳導，并且還會導致晶粒的物理分離，從而減少陽極、電解質和陰極之間的接觸面積。相場模擬表明，由氧擴散驅動的氧空位和釔間隙的較大化學膨脹系數是由直流偏壓引起的，可以解釋觀察到的不尋常的電子、離子和機械性能。晶界附近氧空位和自由電子濃度的顯著增加會降低電阻率，并可能誘發p型絕緣體到n型半導體的轉變。晶界核心處的化學機械誘導拉伸應力可作為生坯破碎以及高電流密度下的微裂紋、應變輪廓和納米孔隙的影響機制。本研究為理解固體氧化物燃料和電解電池中的高溫降解提供了理論基礎。（文：破風）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
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abaqus晶體塑性有限元分析后處理晶界顯示插件分享
abaqus后處理中顯示晶界可以是多晶塑性分析更加直觀，但abaqus未內置此功能，需要通過二次開發實現，這里分享一個插件用于實現該功能，插件源于一位法國讀博士老哥的分享，將該插件放入到abaqus plug-in中即可輕松的實現后處理晶界的顯示問題
軟件用戶界面：
得到的效果圖如下：
如果您在文章中使用了該插件，請引用該作者對應的兩篇文獻：
1，A physically-based mixed hardening model for the prediction of the ductility limits of thin metal sheets using a CPFE approach
2，Investigation of the effect of morphological and crystallographic textures on the ductility limits of thin metal sheets using a CPFEM-based approach
插件壓縮包：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1tlAH2su4DiY5zGnxBFMfUA?pwd=cxbi
提取碼：cxbi
此外如果使用該插件存在任何疑問，可以加入我的知識星球，并提出使用過程的疑問。會根據你遇到的問題進行統一解答。
展開 《Scripta Materialia》高熵合金的晶界弛豫行為和相穩定性!
活化熵的增加必然導致晶界松弛的活化能增加。P1峰的活化能隨著合金的混合熵幾乎呈線性增加。因此，隨著V含量的增加，相應的活化熵逐漸增加，這意味著在晶界弛豫過程中，晶界附近有更多可選擇的原子擴散路徑。在1100℃退火5小時后，AlCrTiV合金中的HTBG異常增加，這是由于異常小晶粒的出現和納米級FCC富鈦析出相引起的錯配位錯。此外，觀察到異常小晶粒附近存在成分偏析。
圖1 AlCrTiVx (x= 0, 0.5, 1)合金的XRD結果以及不同樣品的逆極圖和取向分布
圖2 不同成分試樣的IF和相對模量隨溫度的變化
圖3 對比不同成分試樣在退火后與原始試樣的高溫IF行為
圖4 (a) 退火后AlCrTiV樣品的典型IPF圖; (b) 退火AlCrTiV樣品晶粒周圍的SEM圖和相應的EDX圖; (c)(d)富Ti相與基體界面的元素分布和高分辨率TEM圖像; (e)退火AlCrTiV試樣的顯微結構示意圖
本文研究了AlCrTiVx (x=0, 0.5, 1)高熵合金的晶界弛豫行為和相穩定性。混合熵增加引起的活化能的增加。除了混合熵外，原子半徑、晶界類型和自擴散系數的差異也可能影響晶界弛豫，導致高熵合金的成分略有差異。無論如何，相比優化晶粒尺寸和添加高熔點組分來提高材料的熱穩定性，優化構象熵為評估和設計具有高熱穩定性的金屬材料提供了新的思路。本文結果對等原子高熵合金的熱穩定性研究和利用內摩擦技術表征納米異質結構有一定參考價值。（文：破風）
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展開 《Scripta》：不規則形狀析出相和鋸齒晶界，讓高熵合金性能更優！
SEGB的形成與相對較大的晶間析出相有關，由于基體和晶界之間的應變能差異以及沿晶粒的快速溶質擴散，析出相/基體界面的邊界優先向晶界快速生長和增粗。平整晶界STG-MNiHEA樣品的析出相通過Ostwald熟化機制而不是彼此聚結而粗化，這種粗化過程導致晶內和晶間析出相呈球狀。
《Scripta Materialia》：機器學習預測鋁在鎂晶界偏析！
鋁對鎂合金的服役條件也有影響，通常是提高耐腐蝕性，已有研究顯示鋁具有在晶界(GBs)處偏析的趨勢，形成Mg17Al2析出。這些析出相是值得研究的，因為磁性材料優先腐蝕晶界處，或者該相可以作為腐蝕的物理屏障，具體取決于析出相的體積分數。此外，該相的形成通常會影響合金的機械性能，大部分會降低延展性。因此，研究這些相形成時鋁原子的偏析對于更好的開發鎂合金至關重要，雖然已有研究通過MD模擬對微觀結構進行建模，但是現有報道沒有將模擬結果與機器學習結合應用于鎂合金。
美國密歇根大學的研究人員首次將模擬結果與機器學習和數據科學技術結合應用于鎂合金研究，將鋁的偏析能量量化為鎂的不同對稱傾斜晶界(STGB)的數據集。相關論文以題為“Machine learning to predict aluminum segregation to magnesium grain boundaries”發表在Scripta Materialia。
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