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力學所等提出非晶態固體剪切帶失穩的彈性判據

2022-05-06 力學研究所
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語音播報

  剪切帶是一類在自然和工程領域廣泛存在的塑性變形局部化失穩現象。本征上,具有特征尺度的剪切帶是一種遠離熱力學平衡的準定態耗散結構,其涌現與演化是多時空、多過程耦合的高度非線性過程。歷經百余年研究,研究發現剪切帶失穩的物理起源除經典的絕熱軟化機制外,還可能是某種形式的結構軟化。非晶態固體由于長程無序結構極易發生剪切帶失穩,其物理機制源于自由體積局域聚集的結構軟化,即雷諾體脹(Reynolds dilatancy)。然而,這類體脹剪切帶又被歸因于原子或粒子集團以Eshelby“剪切轉變”(shear transformation,ST)模式重排引起的非局域彈性效應。如何協調非晶態固體剪切帶失穩的局域和非局域機制,是該領域長期未能解決的科學問題。中國科學院力學研究所研究員蔣敏強與大連交通大學教授呂云卓等合作,關于上述問題的研究取得了重要進展。

  研究以一種真實的三維膠體玻璃為非晶態固體模型體系,開展了不同應變率條件下的簡單剪切實驗。研究發現,隨著應變率提高,固體變形呈現從均勻到剪切帶模式的非均勻轉變。研究計算粒子尺度剪切應變和自由體積的空間自關聯函數,首次完整得到了ST事件引起的彈性剪切場和體脹場。這兩種彈性場在空間上可解耦為強關聯的核心區和弱關聯的外場;前者服從指數衰減,而后者服從冪律衰減。研究分析彈性場的率相關性發現,當且僅當體脹場的強關聯尺度小于剪切全場的關聯尺度時,剪切帶才能從無序結構中涌現。這一彈性準則表明,只有當ST產生的自由體積被束縛在其彈性剪切場范圍內,這些ST事件才有機會以類似雪崩的方式自組裝形成剪切帶;否則,ST事件將在空間上均勻成核并最終貢獻均勻變形。研究通過在實空間追蹤粒子的協同重排和體脹直接觀察到上述兩種ST動力學模式。這些實驗發現協調了自由體積的局域效應和剪切轉變的非局域效應,從而統一了歷史上關于非晶態固體剪切帶的兩種經典模型。

  近日,相關研究成果以Elastic criterion for shear banding instability in amorphous solids為題,發表在Physical Review E上。研究工作得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金“非線性力學的多尺度問題”基礎科學中心項目/重點項目等的支持。

  論文鏈接 

圖1.非晶態固體均勻(上)和剪切帶(下)變形的彈性剪切場(左)和體脹場(右)

圖2.彈性剪切場(a)和體脹場(b)的應變率相關空間衰減分析

打印 責任編輯:侯茜

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