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《JMPS》中科院力學所戴蘭宏、蔣敏強等工作：考慮剪切與膨脹糾纏的非晶態模型
發布日期：2024-12-18 瀏覽次數：2367
金屬玻璃（MGs）也被稱為非晶合金，作為理解類固體非晶態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生變形，這種變形往往會導致災難性的破壞，其延展性十分有限。這是金屬玻璃的固有缺陷，阻礙了其在工程領域的進一步應用。揭示剪切帶的起源需要了解金屬玻璃的塑性變形機制，但由于其固有的結構無序性，這頗具挑戰性。
近日，中國科學院力學研究所研究員戴蘭宏教授、蔣敏強教授等人結合非平衡熱力學，通過擴展經典的剪切轉變區（STZ）理論，開發出了一種考慮剪切與膨脹固有纏結的非晶態固體本構模型。相關研究成果以“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上發表。
研究人員通過將非平衡統計概念引入經典的有限變形連續介質框架，為非晶態固體的變形發展出了一種新的連續介質熱力學理論。在新開發的框架內，構建了一個考慮剪切與膨脹相互纏結的有限變形本構模型，用以預測金屬玻璃的均勻變形和剪切局部化變形。在該本構模型中，剪切轉變（ST）對膨脹的影響可通過構形溫度的平衡方程來體現。此外，膨脹對剪切轉變的影響能夠通過擴展的剪切轉變理論很好地加以描述。為驗證新模型的預測能力，我們將該模型應用到有限元代碼中；然后，對室溫下金屬玻璃的拉伸和壓縮變形進行了建模。由于很好地把握了剪切-膨脹相互纏結的機制，所構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在宏觀尺度上呈現出類似泊松效應的現象。這種相互作用在結構恢復和物理老化方面起著至關重要的作用，而這兩者是影響金屬玻璃屈服應力和應變軟化的關鍵因素，也是造成金屬玻璃中拉壓不對稱現象的主要決定因素。彈性拉伸和壓縮變形會導致不同的微觀結構演變，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，當從局部前沿開始時，基體內部彈性應力場的顯著波動在其自催化傳播過程中起著關鍵作用。
近日，中國科學院力學研究所研究員戴蘭宏教授、蔣敏強教授等人結合非平衡熱力學，通過擴展經典的剪切轉變區（STZ）理論，開發出了一種考慮剪切與膨脹固有纏結的非晶態固體本構模型。相關研究成果以“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上發表。
研究人員通過將非平衡統計概念引入經典的有限變形連續介質框架，為非晶態固體的變形發展出了一種新的連續介質熱力學理論。在新開發的框架內，構建了一個考慮剪切與膨脹相互纏結的有限變形本構模型，用以預測金屬玻璃的均勻變形和剪切局部化變形。在該本構模型中，剪切轉變（ST）對膨脹的影響可通過構形溫度的平衡方程來體現。此外，膨脹對剪切轉變的影響能夠通過擴展的剪切轉變理論很好地加以描述。為驗證新模型的預測能力，我們將該模型應用到有限元代碼中；然后，對室溫下金屬玻璃的拉伸和壓縮變形進行了建模。由于很好地把握了剪切-膨脹相互纏結的機制，所構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在宏觀尺度上呈現出類似泊松效應的現象。這種相互作用在結構恢復和物理老化方面起著至關重要的作用，而這兩者是影響金屬玻璃屈服應力和應變軟化的關鍵因素，也是造成金屬玻璃中拉壓不對稱現象的主要決定因素。彈性拉伸和壓縮變形會導致不同的微觀結構演變，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，當從局部前沿開始時，基體內部彈性應力場的顯著波動在其自催化傳播過程中起著關鍵作用。
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