微觀結構建模的案例
金屬增材制造的微觀結構演化建模與仿真
然而，它們面臨一個共同的挑戰–新晶粒成核的建模。金屬3D打印中，成核是一個關鍵問題，遠遠沒有解決。
探索晶粒結構演變
《Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review》論文的目的是回顧模擬AM-增材制造過程微觀結構的理論方法。通過實驗中觀察到的為業界提供了控制增材制造過程中晶粒結構演變的不同機制的良好物理基礎。最終，必須根據實驗結果驗證數值模型。
微觀結構建模的基礎是定義明確的溫度場，描述了在凝固前沿對溫度進行建模的不同方法，并討論了它們的具體優缺點。主要部分涉及對晶粒結構演變建模的各種方法，包括對其在實際成分中計算微觀結構的預測能力的重要討論。
雖然金屬增材制造過程看似是一種焊接過程，其中通過高功率激光光束熔化粉末層，或者將金屬粉末注入由激光束產生的熔池中。然而焊接工藝和增材制造之間仍存在重要區別，在金屬增材制造過程中，數百小時內會形成數百條線和數百層。因此，需要觀察到瞬態溫度場，溫度場的疊加，原位熱處理和幾何效應。
直到今天，幾位實驗家都報告了但沒有詳細研究這種現象。晶粒成核的原因之一是偏析的微觀結構被重新熔化。在重熔過程中，可能會發生一些沉淀物或顆粒沒有完全溶解并充當異質核的現象。另外，單元或樹突與熔池之間的粗糙界面，或多或少的均勻熔體（對流）可能會導致強烈的過冷情況，尤其是在樹突間區域內。后一種現象幾乎尚未被探索，并且將來需要進行詳細的研究。
在增材制造中，通常我們都知道掃描策略對微觀結構有很大影響。另外，表面效應對微觀結構有很大影響。
展開 案例分享 | 汽車內飾件結構分析中的微觀結構考量——用 Digimat-RP 優化工作流程
我們認為，將材料建模技術引入到結構分析中（例如引入到 Digimat 中），即便供應商未提供精準的仿真材料數據，也一定能夠改進塑料零件的質量。
【CAE案例】應力腐蝕開裂（SCC）的有限元仿真
01
研究背景
應力腐蝕開裂是指金屬在氧化腐蝕和應力的共同作用下導致晶體結構變化從而引起的開裂現象。
核電廠一回路中的金屬器件會受到放射性輻照，輻照損傷導致的晶體結構變化使應力腐蝕開裂現象更容易發生。
圖1 晶間應力腐蝕開裂的電鏡掃描顯示結果
基于晶體微觀結構的建模和斷裂力學有限元仿真可以對應力腐蝕開裂的過程進行可視化的模擬。利用有限元仿真，可以進一步提高我們對應力腐蝕開裂的理解，并且通過有限元仿真的方式可以對應力腐蝕開裂的產生進行相應的預測，為核電廠一回路的金屬元器件正常運行提供相應的保障。
本案例基于有限元斷裂力學仿真，對應力腐蝕開裂的生成過程進行相應的仿真。
02
仿真方案
在晶體微觀結構建模上，本案例利用10節點四面體單元對晶粒結構進行相應建模，模擬實際的晶體結構。如下圖所示，整個正方體結構代表研究樣品的一個微小樣本，每個彩色的不規則結構代表一個晶粒。整個所研究的材料樣本的有限元網格中包含172個晶粒、52000個節點，35000個10節點四面體單元。平均每個晶粒中包含210個單元。
展開 【技術干貨】一文詳解影響碳纖維及其復合材料壓縮性能的結構因素（二）碳纖維的微觀結構及壓縮破壞
在本系列專題文章中，將會從微觀結構和宏觀角度系統地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結構及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強度的測試方法》
碳纖維的微觀結構
為了開發提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結構是很重要的。生產碳纖維最常用的前驅體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉變過程的微觀結構規律。
碳纖維是通過對PAN纖維進行高度可控的連續熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預氧化（又叫熱穩定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩定是在空氣氣氛中進行的，通常PAN纖維在不同溫度下經受200至300°C的熱處理，并根據特定前驅體纖維的加工要求在規定的時間內施加張力。
圖1 碳纖維結構轉變
在熱穩定化過程中，PAN纖維的線性結構通過環化、脫氫和氧化等化學反應逐漸轉變為梯型結構。在該階段結束時，PAN纖維獲得足夠的熱穩定性，可以承受碳化處理過程中的高溫。
與熱穩定化不同，碳化過程必須在惰性氣氛中進行，以防止纖維熱解。在低溫碳化過程中，穩定的PAN纖維在高達1000°C的溫度環境中，在精確的張力和停留時間下進行熱處理。隨后，所得纖維在高溫碳化爐約1600°C左右的溫度以及張力下進一步碳化，隨著分子間交聯和雜原子的去除，穩定的PAN聚合物轉變為芳香族平面結構。
展開 
ABAQUS-微觀結構模型
ABAQUS-微觀結構模型
ABAQUS-微觀結構模型.doc
COMSOL微觀多孔介質二維滲流模擬基于四參數隨機生長建模
微觀多孔介質流體
微觀多孔介質廣泛存在于巖石、土層等流體介質之中，這使得流體穿過存在復雜性，滲流的微觀結構決定其宏觀現象，在研究中可采用表征單元體（representative elementary volume，簡稱REV）方法，這就涉及到微觀介質的模型重構。
這里采用AbyssFish四參數隨機生長2D軟件進行微觀多孔介質的構建，V1.1版本軟件通過優化改進的算法，可指定四參數隨機增長的分布概率、生長概率、孔隙率、以及孔隙尺寸特征等參數，并可進行同一參數不同孔隙率的動態輸出，方便對比研究。
這里生成尺寸為寬度為2.0，高度為0.5的多孔介質模型，并將其導入到COMSOL內，多孔介質的孔隙率為70%(白色)。COMSOL模型構建方法可以參考：COMSOL建立孔隙尺度多孔介質結構模型教程
多孔介質中的孔隙為單聯通域，無無效幾何，如果指定的孔隙率過小，軟件生成的孔隙可能非單聯通，需要將非聯通的的幾何進行手動刪除處理。
物理場采用流體流動中的層流，左側為流體入口，右側為出口，以下為流速及壓力計算結果。
模型樣圖
建模采用的AbyssFish四參數隨機生長2D軟件可在下面鏈接下載：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1899410
展開 任意多晶微觀結構生成，GUI操作，模型直接下載
在金屬材料、陶瓷及復合材料的微觀力學研究中，構建一個符合統計學特征的多晶代表性體積單元（RVE）往往是科研工作的第一步。
然而，傳統的建模方法往往面臨重重困難：使用商業軟件手動分割效率低下；利用專業建模軟件（如 Neper）雖然強大，但命令行操作和復雜的參數配置讓許多初學者望而卻步；而自編程序生成 Voronoi 鑲嵌模型，又難以精準控制晶粒尺寸分布和形狀統計特征。
有沒有一種工具，既能保證模型的科學性，又能像“點外賣”一樣簡單快捷？
今天，我們要向大家強烈推薦一個在線神器——Synthetmic。
【核心介紹：什么是 Synthetmic？】Synthetmic 是由赫瑞-瓦特大學（Heriot-Watt University）的 David Bourne 博士開發的一款基于 R 語言 Shiny 框架的在線 GUI 工具。它的核心使命是通過數學算法，快速生成具有特定幾何特性的合成多晶微觀結構。
該工具不僅支持傳統的 Voronoi 鑲嵌，更引入了功能強大的 Laguerre 鑲嵌（權重 Voronoi）算法。這意味著你不再受限于勻稱的晶粒，而是可以生成具有特定體積分布、更接近真實金屬組織的復雜模型。
網站地址：https://david-bourne.shinyapps.io/synthetmic-gui/
【功能亮點：為什么它值得收藏？】
零門檻，全在線操作： 無需安裝任何環境，打開瀏覽器即可完成從參數配置到模型生成的全過程。
高度可定制的統計控制： * 晶粒數量： 自由設定生成 10 到 1000+ 個晶粒。
尺寸分布： 支持對晶粒體積的對數正態分布（Log-normal）進行精準控制，模擬不同加工狀態下的組織。
空間排布： 通過調整點過程參數，控制晶粒的密集程度與均勻性。
展開 Ansys Workbench | 材料微觀結構：四種 RVE 的均質化分析
概述
材料的性能在很大程度上受其微觀結構影響。本文檔使用 Ansys 材料設計器展示四種不同類型的微觀結構及其對應的宏觀尺度材料性能：隨機單向纖維結構、體心立方顆粒結構、金剛石晶格結構和編織結構。
目標
理解微觀結構與宏觀尺度材料性能之間的關系
步驟
案例1：隨機單向纖維（木材）
1. 打開 Ansys Workbench，創建一個“材料設計器”組件。檢查單位。
2. 定義材料。創建一種纖維材料，楊氏模量為18000MPa，泊松比為0.1；然后創建一種基體材料，楊氏模量為1800MPa，泊松比為0.35。
3. 在材料設計器中定義微觀結構。選擇隨機單向纖維作為代表性體積元（RVE）。設置纖維體積分數為0.4，纖維直徑為50μm。創建幾何模型（圖1），并使用默認設置生成網格。
4. 創建一個恒定材料，并求解工程常數。工程常數匯總如圖2所示。可以觀察到，纖維方向上的整體楊氏模量 E1 比 E2 和 E3 大100%以上。這是因為纖維的楊氏模量高于基體，從而增強了縱向剛度。這種微觀結構的典型例子是木材和一些復合材料。
圖1. 隨機單向纖維的 RVE
圖2. 隨機單向纖維結構材料的工程常數
案例2：體心立方結構（金屬）
5. 按照案例1的相同步驟操作。為顆粒定義各向同性材料屬性（E=25000MPa, ν=0.3），并為基體定義各向同性材料屬性（E=18000 MPa, ν=0.3）。
6. 定義體心立方結構 RVE（圖3）。顆粒尺寸設為1nm。生成網格。這種微觀結構是金屬的典型代表。
圖3. 體心立方結構的 RVE
7. 求解工程常數。工程常數概覽如圖 4 所示。
展開 微觀拆解：陶瓷濾波器內部結構，放大看太酷了！
下圖是陶瓷濾波的基本結構和原理，由鋯鈦酸鉛等粉末高溫燒結壓鑄的陶瓷片經高壓直流極化后形成具有壓電效應的壓電材料，具有壓電效應和諧振選頻功能。
和普通晶振晶體特性類似，因此通過組合可制成各類陶瓷諧振器或者濾波器等器件，下圖是其等效電路，和晶振差不多。
下圖是一顆455khz中頻陶瓷帶通濾波器
塑封
塑料外殼樹脂灌封，三引腳。
顯微攝影
底部
剝離部分外殼后露出電極片
一共四顆陶瓷片，兩個稍厚，兩個薄一些。
抽出一片，中間有個金屬墊片負責固定和保證接觸良好。
另一面有個彈性墊片壓緊
第一顆陶瓷片，表面鍍銀。
另一面中心部位鍍銀(這個面積根據設計需要，可以微調諧振頻率)，
側面
第二片陶瓷，薄一些。
雙面鍍銀，且面積一樣。
全部取出后，兩個厚的完全一樣，兩個薄的也是一樣。
電極分布，底部有個絕緣墊片，負責隔離u形電極片。
展開 服務能力 | 聚烯烴微觀結構精準表征系統解決方案
素材來源于網絡
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哈工大《Sci China Mater》：微觀結構調控優化高熵非晶合金磁熱性能
這表明，微觀結構調控是優化高熵合金磁熱性能的一種可行方法。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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。
分子動力學模擬微觀結構對金屬納米玻璃塑性變形行為的影響
金屬納米玻璃性質與玻璃-玻璃界面密切相關，但是結構無序和界面寬度窄，加劇了研究難度。模擬金屬納米玻璃的變形機理發現，晶粒尺寸影響塑性響應，結構從非定域變形到剪切帶的過渡。玻璃-玻璃界面的缺陷短程有序充當了剪切轉變區的成核位點。在納米玻璃制備方面，即顆粒的惰性氣體冷凝和冷壓實，預測玻璃-玻璃界面中的缺陷短程有序也受到了變形過程的影響。本文通過分子動力學研究發現，玻璃狀顆粒固結后，納米玻璃界面是接觸區域中拓撲不匹配和剪切過程，這種粒子衍生模型明顯不同于現有的體相衍生微觀結構模型。本文也分析了金屬納米玻璃的整體變形行為與微觀結構和界面特性的相關性。
【成果簡介】
近日，德國達姆施塔特工業大學的Omar Adjaoud（通訊）作者等人，采用分子動力學模擬方法，研究了微觀結構對Cu64Zr36納米玻璃塑性變形行為的影響。分析了兩種制備納米玻璃的方法：一種是化學均勻和不均勻的納米顆粒冷壓獲得的納米玻璃；另一種是體相衍生的多面體組裝而成的納米玻璃。對兩種類型的微結構研究發現，顆粒衍生的納米玻璃的界面體積分數明顯高于體相衍生的納米玻璃的界面體積分數。兩種玻璃的單軸載荷具有不同的塑性響應：顆粒衍生的樣品在屈服時，沒有應力下降，應變局部化非常小和沒有應變軟化；大塊衍生的樣品出現應力下降，應變軟化和大的局部應變。這與兩種玻璃的玻璃-玻璃界面結構的不同類型有關。因此，金屬納米玻璃的宏觀變形行為與玻璃-玻璃界面結構和拓撲結構密切相關，而玻璃-玻璃界面的結構和拓撲結構又與加工工藝有關。
展開 透射電鏡（TEM）VS掃描電鏡（SEM）：高分子材料微觀結構表征該選誰？
</p><p><br></p><p><strong>共混改性:</strong>通過TEM觀察高分子共混體系的微觀結構，如相分離、相界面、分散程度等，有助于優化共混配比和工藝條件。</p><p><br></p><p><strong>功能化改性:</strong>在功能化高分子材料中，TEM可用于觀察功能基團的引入對材料微觀結構的影響，以及功能化后的性能變化。</p><p><br></p><p><strong style="color: rgb(8, 121, 226);">4.2 高分子材料應用性能評估</strong></p><p><strong>力學性能:</strong>TEM可用于觀察高分子材料的微觀缺陷、裂紋擴展等，評估其力學性能。</p><p><br></p><p><strong>熱性能:</strong>通過原位加熱TEM技術，可以觀察高分子材料在高溫下的微觀結構變化，評估其熱穩定性。</p><p><br></p><p><strong>電性能:</strong>對于導電高分子材料，TEM可用于觀察其導電通道的分布和形態，評估其電性能。</p>
展開 你真的得能講清楚什么是金屬材料的微觀組織結構嗎？（ 金屬材料科學與技術）
1什么是微觀組織結構(Microstructure) ？
當我們描述金屬的結構時，我們應該區別其晶體結構(Crystal Structure)和微觀組織結構(Microstructure)。晶體結構主要用來表示一個晶胞(Unite cell)內原子的平均位置，它由晶格類型和原子的分數坐標（例如，通過X射線衍射確定）確定。換句話說，晶體結構主要用來在原子尺度描述材料的形貌。相比之下，微觀組織結構是在微米—厘米尺度范圍內描述材料的形貌特征。微觀組織結構的一個合理的定義是：“材料內部相(Phase)和缺陷(Defect)的排布?！?微觀組織結構的觀察可以采用一系列的顯微鏡進行。在不同尺度下觀察一個特定的材料的微觀組織結構特征時通常會發現差異很大?；谶@一原因，在描述材料的微觀結構時，最重要的是首先確定觀察的尺度范圍。如果尺度范圍選擇不當，就很難得到你想要的結果，也不利于你對材料某些特性的理解和分析。材料微觀組織結構的產生和觀察是一門非常重要的知識，需要認真理解和領會。
隕石的微觀組織結構?
這里需要著重指出，材料的微觀組織結構影響材料的物理特性和行為。我可以通過控制材料的微觀組織結構達到設計材料性能的目的。天然礦物結構可以提供其復雜的歷史信息。微觀組織結構學是所有材料和礦物科學的組成部分。
2還能答出這些微觀組織結構有關的問題嗎 ？
知道“微觀組織結構(Microstructure)”“相(Phase)”“組分(Component)”“缺陷(Defect)”的定義嗎？
鋼的微觀組織結構
您知道如何觀察材料的微觀組織結構嗎？光學顯微鏡的放大倍數和成像原理？普通掃描電子顯微鏡放大倍數和成像原理？
展開 間隙等原子比CoCrFeMnNi高熵合金:碳含量、微觀結構和成分均勻性對變形行為的影響
因此，目前仍然缺少關于均勻化和組織細化后間隙等原子比CoCrFeMnNi HEAs微觀結構的深入信息，而這些信息對于進一步改善機械性能至關重要。
盡管科學家們提出了各種設計概念來改善過渡金屬HEAs的力學性能，如上所述，但很少有人致力于揭示元素均勻性對相應力學性能的影響。本文作者最近的工作表明，晶粒細化樣品的成分不均勻性可能導致加工硬化和塑性的幾乎全部消失。這是由于非等原子比雙相HEA中的成分不均勻可導致非均勻平面滑移和FCC基體向密排六方結構(HCP)相變的局域化，從而促使應力應變局部集中現象的過早發生。因此，對于上述雙相HEAs的強度-塑性組合，成分均勻性起著至關重要的作用。實際上，由于相穩定性的成分依賴性強，HEAs通常表現出非常敏感的成分-結構-力學性能關系。然而，對于TWIP-輔助的單相等原子比CoCrFeMnNi HEA和間隙摻雜的HEAs等，與各種加工條件(如鑄態、熱軋態和再結晶態)相對應的成分均勻性狀態并沒有被清楚地揭示出來，其對力學性能的影響也完全未知?；诘仍颖菴oCrFeMnNi HEA的主要變形機制為相對低應變下的位錯滑移和高應變下的孿晶行為，與雙相HEA的變形機制存在本質上的差異，兩種情況下成分均勻性對強度-塑性組合的影響可能存在差異。此外，對于間隙元素摻雜的HEAs，間隙摻雜和成分均勻性這兩者之間可能存在交互作用，這是因為間隙元素本身還會改變合金的相態與化學穩定性。這些因素對力學性能的潛在聯合作用是完全未知的。然而，這些信息對于改進HEAs的力學性能和進一步的成分-加工-微觀結構設計是非常重要的。
【成果簡介】
在利用間隙合金化提高多主元高熵合金力學性能的同時，其有效性取決于間隙元素含量、微觀結構和成分均勻性狀態。
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