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工学院韦小丁研究员课题组基于热力学理论提出新的金属玻璃连续介质模型

2020-11-12

非晶材料(包括玻璃、高分子材料、胶体乃至颗粒材料等等)的使用贯穿人类文明,是凝聚态物理重要的组成部分。金属玻璃在上世纪5,60年代成为非晶体系新成员后,因其一些优异的力学、化学和物理性质成为了科学研究的热点。非晶态材料的短程有序、长程无序的多尺度结构特征为其带来独特的动力学特征以及力学变形机制(如剪切带为代表的失稳模式等)。研究金属玻璃的微观结构演化特征与宏观塑性变形的内在关联对于理解玻璃态物质的物理本质,研究山体滑坡、雪崩、泥石流等地质灾害的机制都具有重要意义。

近日,vnsc威尼斯城官方网站力学与工程科学系韦小丁研究员课题组基于热力学框架提出了能够描述金属玻璃内禀结构非均匀性演化的力-化学耦合连续介质模型,建立了微观结构演化与宏观塑性流动的关联。该模型成功模拟了金属玻璃在单轴拉伸以及简单剪切下的剪切带失稳和剪胀效应。进一步,课题组成功揭示了在低应力和高应力水平下金属玻璃蠕变行为的标度率转变起源于热能梯度驱动和应变能梯度驱动的两种不同的原子扩散机制(图1)。在低应力情况下,非晶合金的蠕变伴随着原子沿着浓度梯度流动,材料趋于均匀;而在高应力下,非晶合金的蠕变伴随着原子沿着应变能梯度流动,材料的非均匀性逐渐加强直至失稳。新的连续介质本构理论有助于人们更加深刻的理解金属玻璃乃至非晶体系中的微观结构与宏观性能的关系。相关工作发表在固体力学领域旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上(https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104216),工学院2016级博士生朱文清为第一编辑。此项研究得到了国家自然科学基金和北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心的支撑。


图1. 上图:金属玻璃蠕变的两种微观粒子流动机制。低应力下原子由热能梯度驱动向自由体积更大(更松散)的区域迁移,高应力下原子由应变能梯度驱动向自由体积更小(更密实)的区域迁移从而促进剪切带的萌生。下图:单轴拉伸下主剪切带的萌生与发展

 

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