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非晶固体应力过冲的起源

已有 4881 次阅读 2014-12-17 18:49 |个人分类:学术研究|系统分类:科研笔记

非晶固体(玻璃态聚合物、颗粒材料、金属玻璃等)的塑性流动通常表现出一种应力过冲(stress overshoot)行为,即应力随着施加的应变首先会达到一个峰值,然后下降趋于稳态值。这一普适现象意味着某些基本过程决定了非晶的塑性流动。

过去几十年,关于非晶塑性的理论主要是两种,一种是自由体积(free volume)理论,另一种是"剪切转变(shear transformation, ST)"理论。前者认为,非晶塑性源于应力驱动单原子跳跃导致的自由体积产生,而后者则主张非晶塑性的基本事件是粒子(原子或分子)集团的不可逆重排。
但是,越来越多的工作表明,非晶塑性需要自由体积和剪切转变共同起作用。完整的物理图像应该是:自由体积对于激活剪切转变具有催化作用,反过来剪切转变会导致自由体积产生;结构弛豫会湮灭自由体积,从而导致剪切转变终止。基于这一图像,我们建立了非晶固体的一个本构模型来描述其均匀粘弹塑性变形,其中考虑了剪切转变和自由体积动力学的相互作用。
该本构模型能够重现非晶固体塑性流动的多种行为,包括应力过冲、应变软化和应变硬化。
1)应力过冲主要是由于系统内自由体积不足导致的剪切转变的延时激活。
2)高应力激活的剪切转变反过来引起自由体积的快速产生,引起应变软化(或者应力下降)。
3)应变硬化是由于屈服后热转变(Thermal transformations, TTs)导致的自由体积的持续弛豫。
我们的分析表明,应力过冲不直接与潜在剪切转变区的初始密度相关,而取决于剪切转变的动态过程(产生、湮灭和内部重构)。理论分析还表明,尽管自由体积和剪切转变共同贡献非晶塑性流动,但是塑性屈服固有地由剪切转变主控,而自由体积主要影响屈服后的流动行为。
与Falk-Langer的经典STZ模型相比,我们模型最主要的特征是:自由体积和温度、应力一起直接影响剪切转变的速率,而不是剪切转变区的绝对密度(数目)。这一特征更符合Argon最初提出剪切转变模型时的图像。
相关结果已经发表在
Mechanics of Materials 81 (2015) 72–83
链接:http://www.sciencedirect.com/sci ... i/S0167663614001823



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