进展 | 力学所等提出非晶态固体剪切带失稳的弹性判据

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剪切带是一类在自然和工程领域广泛存在的塑性变形局部化失稳现象。本征上，具有特征尺度的剪切带是一种远离热力学平衡的准定态耗散结构，其涌现与演化是多时空、多过程耦合的高度非线性过程。历经百余年研究，人们发现剪切带失稳的物理起源除经典的绝热软化机制外，还可能是某种形式的结构软化。非晶态固体由于长程无序结构极易发生剪切带失稳，其物理机制源于自由体积局域聚集的结构软化，即雷诺体胀 (Reynolds dilatancy)。但另一方面，这类体胀剪切带又被归因于原子或粒子集团以Eshelby “剪切转变 (shear transformation，以下简称：ST)”模式重排引起的非局域弹性效应。如何协调非晶态固体剪切带失稳的局域和非局域机制，一直是领域内长期未能解决的科学问题。中科院力学所蒋敏强研究员与大连交通大学吕云卓教授等经过三年多合作，在该问题研究上取得了重要进展。

研究人员以一种真实的三维胶体玻璃为非晶态固体模型体系，开展了不同应变率条件下的简单剪切实验。研究发现，随着应变率提高，固体变形呈现从均匀到剪切带模式的非均匀转变。通过计算粒子尺度剪切应变和自由体积的空间自关联函数，首次完整得到了ST事件引起的弹性剪切场和体胀场。这两种弹性场在空间上可解耦为强关联的核心区和弱关联的外场；前者服从指数衰减，而后者服从幂律衰减。通过分析弹性场的率相关性发现，当且仅当体胀场的强关联尺度小于剪切全场的关联尺度时，剪切带才能从无序结构中涌现。该弹性准则表明，只有当ST产生的自由体积被束缚在其弹性剪切场范围内，这些ST事件才有机会以类似雪崩的方式自组装形成剪切带；否则，ST事件将在空间上均匀成核并最终贡献均匀变形。最后，研究人员通过在实空间追踪粒子的协同重排和体胀直接观察到了上述两种ST动力学模式。这些实验发现协调了自由体积的局域效应和剪切转变的非局域效应，从而统一了历史上关于非晶态固体剪切带的两种经典模型。

图1 非晶态固体均匀(上)和剪切带(下)变形的弹性剪切场(左)和体胀场(右)

图2 弹性剪切场(a)和体胀场(b)的应变率相关空间衰减分析

该研究成果近期以“Elastic criterion for shear banding instability in amorphous solids”为题，发表在Physical Review E。中科院力学所2018级博士研究生王晓娟为该论文第一作者。该项研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金“非线性力学的多尺度问题”基础科学中心项目、重大项目等资助。

论文链接：
https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.105.045003

来源：中国科学院力学研究所，作者：蒋敏强。