玻璃流动探索者分享 http://blog.sciencenet.cn/u/mqjiang 中国科学院力学研究所 非线性力学国家重点实验室 Associate Prof., Ph.D.

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Physical Review Materials:非晶态固体弹塑性相互作用机制

已有 1813 次阅读 2023-1-6 21:03 |个人分类:学术研究|系统分类:科研笔记

不同于晶体塑性的位错机制,非晶态固体塑性变形的基本载体是原子或粒子以集团模式的局域协同重排,通常被称为“剪切转变”(shear transformation,以下简称 ST)。通过非局域弹性效应,ST事件可自组装形成不同时空尺度的塑性事件,如宏观屈服、局部化剪切带等。研究表明,邻近屈服以及屈服后的塑性事件处于一种时空高度关联的雪崩状态。但是在远离屈服的宏观弹性阶段,塑性事件是否存在时空关联以及事件之间如何相互作用,在领域内存在很大争议。中国科学院力学研究所蒋敏强研究员等针对该争议问题开展研究,取得重要进展。

研究人员以原子模拟的Cu50Zr50金属玻璃为非晶态固体模型体系,开展了一系列无热准静态剪切实验,对体系屈服前约4800个塑性事件进行了统计分析以及振动模态(声子)分析。研究发现,塑性事件诱发的应力跌落在统计上服从幂率标度分布,其幂指数随加载从-1(边界稳定态)转变为-1.5(自组织临界态),而塑性事件之间的弹性等待时间呈现单一特征峰行为。这意味着屈服前非晶塑性属于雪崩事件,且这些事件之间存在稳健的弹性相互作用。弹塑性非仿射位移场的时间关联分析表明,这种弹性作用是短时强关联的,但可长期存在,表现为体系变形高维势能面的分形特征。通过对位移场在振动模态投影,研究人员展示了孤立ST事件如何通过弹性作用自组装形成雪崩事件。最后,通过定义空间构型演化的模态识别矩阵,明确了塑性事件存在稳健弹性作用的原因:(i)事件对体系整体弹性的破坏是有限的,(ii)一些硬区作为刚性骨架能够在弹性基体中持续存在,(iii)弹性基体在加载中能够自恢复。上述研究发现澄清了非晶态固体在屈服前弹性变形和塑性失稳的原子尺度机制,为构建非晶弹塑性变形的介尺度模型提供了基础信息。

该研究成果近期以“Elastic interactions of plastic events in strained amorphous solids before yield”为题,发表在Physical Review Materials 7, 013601 (2023),中科院力学所2017级博士生段军为该论文第一作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金项目“非晶态固体力学”、基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题”、重大项目“无序合金的塑性流动与强韧化机理”等资助。

论文链接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevMaterials.7.013601

图1. 塑性事件诱发应力跌落的概率统计分布

图2. 弹塑性非仿射位移场的时间关联

图3. 塑性事件的主控振动模态(声子)参与度,孤立ST事件的模态参与度接近1,而雪崩事件的模态参与度低至10-2




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