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      力學所揭示非晶合金剪切帶涌現的時空序列與臨界行為

      作者:陳艷 2022-07-09 15:28 來源:
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      非晶合金(又稱金屬玻璃)因具有一系列優異性能,在空天、國防、能源等領域顯示出廣闊應用前景。然而,非晶合金極易形成納米尺度變形局部化剪切帶,而剪切帶快速擴展誘致的宏觀脆性嚴重地限制了其走向廣泛的工程應用。因此,非晶合金剪切帶問題成為力學、物理與材料等相關領域共同關注的重要課題。本征上,非晶合金剪切帶涌現是一類遠離熱力學平衡下時空多尺度耦合的非線性過程??臻g上,固有的結構不均勻性會引起強烈的變形及動力學行為的梯度效應。時間上,涵蓋原子振動、原子團簇協同重排、塑性流動等多個速率過程。這些事件均具有各自的特征時間和空間尺度,他們的關聯耦合控制剪切帶涌現,使變形高度集中在寬度或厚度為數十納米的帶狀區域,并以近聲速的模式快速擴展。與原子周期有序排列的晶態合金不同,原子長程拓撲無序堆垛的非晶合金變形內蘊三種高度耦合糾纏的原子尺度運動:剪切、體脹和旋轉。這三種局域原子運動的強糾纏是非晶合金剪切帶涌現精細物理圖像尚未探明的關鍵瓶頸。

      近期,中科院力學所戴蘭宏研究團隊在該問題研究上取得新進展?;谶B續介質力學理論框架,研究人員首先提出了一個同時考慮仿射和非仿射變形信息的兩項梯度模型(Two-term gradient model, TTG模型),可以完整地描述無序固體介質的局部變形場,突破了目前廣泛使用的單純仿射或非仿射模型的局限。研究人員進一步完成了對剪切、體脹、旋轉這三個高度糾纏的局域運動的解耦,并在原子尺度上定義了全新的局部剪切、體脹、旋轉運動事件的定量描述符。為了表征這三類原子團簇運動,提出了剪切主導區(shear dominated zone, SDZ)、體脹主導區(dilatation dominated zone, DDZ)及旋轉主導區(rotation dominated zone,RDZ)的概念和定量表征方法,克服了目前流行的剪切轉變區(shear transformation zone, STZ)不能表征原子團簇旋轉運動和定量描述體脹運動的不足。在此基礎上,研究人員利用大規模分子動力學模擬,對非晶合金從均勻變形到局部化剪切帶涌現全過程進行精細表征。通過追蹤SDZ、DDZ及RDZ原子團簇運動演化時空序列,發現初始宏觀均勻變形階段剪切、體脹及旋轉團簇運動事件呈現出類似“軍隊行動”式的步調協同一致行為,具體表現為SDZ、DDZ及RDZ在空間離散的“類液”軟區隨機同步激活?;诮y計學的極值理論分析,研究人員發現在這個階段,體脹局域運動事件較剪切和旋轉事件的空間分布展現出更明顯的非高斯長拖尾特征,表明體脹局域化流動(DDZ)起先導的主控作用。原子團簇通過體脹運動(DDZ)完成局部軟化過程,隨著變形加劇,這種體脹局域軟化進一步激活其鄰近硬區的旋轉運動,進而逐漸打破了SDZ、DDZ和RDZ三者間同步激活,轉變為SDZ、DDZ及RDZ的非均勻間隔分布。增強的RDZ運動又進一步加劇了SDZ和DDZ局域運動,進而誘發硬區團簇的軟化。當軟化程度達到臨界時,硬區壁壘被打破,激活的SDZ、DDZ及RDZ相互貫穿形成剪切帶。研究人員進一步基于逾滲理論,對SDZ、DDZ及RDZ原子團簇運動事件從初期均勻變形階段的隨機離散激活到變形局部化剪切帶涌現時的群體貫穿演變全過程進行定量分析,發現剪切帶涌現屬于定向逾滲(directed percolation),并且呈現出臨界冪律標度行為。本項工作提出的兩項梯度(TTG)模型及三種原子團簇運動單元(SDZ、DDZ及RDZ)新概念為無序固體介質變形定量描述提供了基本工具,所揭示的剪切帶涌現過程原子尺度精細圖像及臨界行為為深入認知非晶合金剪切帶提供了新的線索。

      該研究成果近期以“Hidden spatiotemporal sequence in transition to shear band in amorphous solids”為題發表在Physical Review Research 4, 23220 (2022),第一作者為博士生楊增宇。該項研究工作得到了國家自然科學基金重大項目“無序合金的塑性流動與強韌化機理” 、基礎科學中心項目“非線性力學的多尺度問題”、中科院B類戰略性先導科技專項項目“復雜介質系統前沿與交叉力學”等資助。

      論文鏈接:doi:10.1103/PhysRevResearch.4.023220

      圖1 非晶合金剪切帶中的旋轉(渦旋)、剪切和體脹運動事件

      圖2 剪切-體脹事件與旋轉事件的關聯“破缺”,空間分布從同步激活轉變為交替間隔分布

      圖3 剪切帶涌現前出現原子旋轉團簇運動(RDZ)顯著增強(圖中白色氣泡代表RDZ,也即原子運動的渦旋結構)

      圖4 非晶合金剪切帶涌現原子尺度演變過程示意圖

       

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