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《JMPS》中科院力學(xué)所戴蘭宏、蔣敏強(qiáng)等工作：考慮剪切與膨脹糾纏的非晶態(tài)模型
發(fā)布日期：2024-12-18 瀏覽次數(shù)：2811
金屬玻璃（MGs）也被稱為非晶合金，作為理解類固體非晶態(tài)材料變形的理想模型已被廣泛研究。室溫下，金屬玻璃以剪切帶的形式發(fā)生變形，這種變形往往會導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，其延展性十分有限。這是金屬玻璃的固有缺陷，阻礙了其在工程領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。揭示剪切帶的起源需要了解金屬玻璃的塑性變形機(jī)制，但由于其固有的結(jié)構(gòu)無序性，這頗具挑戰(zhàn)性。
近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員戴蘭宏教授、蔣敏強(qiáng)教授等人結(jié)合非平衡熱力學(xué)，通過擴(kuò)展經(jīng)典的剪切轉(zhuǎn)變區(qū)（STZ）理論，開發(fā)出了一種考慮剪切與膨脹固有纏結(jié)的非晶態(tài)固體本構(gòu)模型。相關(guān)研究成果以“A constitutive model for amorphous solids considering intrinsic entangling of shear and dilatation, with application to studying shear-banding”為題在Journal of the Mechanics and Physics of Solids上發(fā)表。
研究人員通過將非平衡統(tǒng)計(jì)概念引入經(jīng)典的有限變形連續(xù)介質(zhì)框架，為非晶態(tài)固體的變形發(fā)展出了一種新的連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)理論。在新開發(fā)的框架內(nèi)，構(gòu)建了一個考慮剪切與膨脹相互纏結(jié)的有限變形本構(gòu)模型，用以預(yù)測金屬玻璃的均勻變形和剪切局部化變形。在該本構(gòu)模型中，剪切轉(zhuǎn)變（ST）對膨脹的影響可通過構(gòu)形溫度的平衡方程來體現(xiàn)。此外，膨脹對剪切轉(zhuǎn)變的影響能夠通過擴(kuò)展的剪切轉(zhuǎn)變理論很好地加以描述。為驗(yàn)證新模型的預(yù)測能力，我們將該模型應(yīng)用到有限元代碼中；然后，對室溫下金屬玻璃的拉伸和壓縮變形進(jìn)行了建模。由于很好地把握了剪切-膨脹相互纏結(jié)的機(jī)制，所構(gòu)建的模型能夠很好地描述金屬玻璃的局部變形行為，并且能夠很好地解釋室溫下剪切帶的形成。在彈性變形過程中，彈性變形與膨脹之間的耦合效應(yīng)在宏觀尺度上呈現(xiàn)出類似泊松效應(yīng)的現(xiàn)象。這種相互作用在結(jié)構(gòu)恢復(fù)和物理老化方面起著至關(guān)重要的作用，而這兩者是影響金屬玻璃屈服應(yīng)力和應(yīng)變軟化的關(guān)鍵因素，也是造成金屬玻璃中拉壓不對稱現(xiàn)象的主要決定因素。彈性拉伸和壓縮變形會導(dǎo)致不同的微觀結(jié)構(gòu)演變，而這最終決定了剪切帶情形的差異，即剪切在壓縮試樣中是沿剪切帶的整個長度同時發(fā)生，而在拉伸試樣中則是從局部前沿開始并在整個試樣中傳播。此外，當(dāng)從局部前沿開始時，基體內(nèi)部彈性應(yīng)力場的顯著波動在其自催化傳播過程中起著關(guān)鍵作用。
近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員戴蘭宏教授、蔣敏強(qiáng)教授等人結(jié)合非平衡熱力學(xué)，通過擴(kuò)展經(jīng)典的剪切轉(zhuǎn)變區(qū)（STZ）理論，開發(fā)出了一種考慮剪切與膨脹固有纏結(jié)的非晶態(tài)固體本構(gòu)模型。相關(guān)研究成果以“A constitutive model for amorphous solids considering intrinsic entangling of shear and dilatation, with application to studying shear-banding”為題在Journal of the Mechanics and Physics of Solids上發(fā)表。
研究人員通過將非平衡統(tǒng)計(jì)概念引入經(jīng)典的有限變形連續(xù)介質(zhì)框架，為非晶態(tài)固體的變形發(fā)展出了一種新的連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)理論。在新開發(fā)的框架內(nèi)，構(gòu)建了一個考慮剪切與膨脹相互纏結(jié)的有限變形本構(gòu)模型，用以預(yù)測金屬玻璃的均勻變形和剪切局部化變形。在該本構(gòu)模型中，剪切轉(zhuǎn)變（ST）對膨脹的影響可通過構(gòu)形溫度的平衡方程來體現(xiàn)。此外，膨脹對剪切轉(zhuǎn)變的影響能夠通過擴(kuò)展的剪切轉(zhuǎn)變理論很好地加以描述。為驗(yàn)證新模型的預(yù)測能力，我們將該模型應(yīng)用到有限元代碼中；然后，對室溫下金屬玻璃的拉伸和壓縮變形進(jìn)行了建模。由于很好地把握了剪切-膨脹相互纏結(jié)的機(jī)制，所構(gòu)建的模型能夠很好地描述金屬玻璃的局部變形行為，并且能夠很好地解釋室溫下剪切帶的形成。在彈性變形過程中，彈性變形與膨脹之間的耦合效應(yīng)在宏觀尺度上呈現(xiàn)出類似泊松效應(yīng)的現(xiàn)象。這種相互作用在結(jié)構(gòu)恢復(fù)和物理老化方面起著至關(guān)重要的作用，而這兩者是影響金屬玻璃屈服應(yīng)力和應(yīng)變軟化的關(guān)鍵因素，也是造成金屬玻璃中拉壓不對稱現(xiàn)象的主要決定因素。彈性拉伸和壓縮變形會導(dǎo)致不同的微觀結(jié)構(gòu)演變，而這最終決定了剪切帶情形的差異，即剪切在壓縮試樣中是沿剪切帶的整個長度同時發(fā)生，而在拉伸試樣中則是從局部前沿開始并在整個試樣中傳播。此外，當(dāng)從局部前沿開始時，基體內(nèi)部彈性應(yīng)力場的顯著波動在其自催化傳播過程中起著關(guān)鍵作用。
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