...韋小丁研究員課題組基於熱力學理論提出新的金屬玻璃連續介質模型

2021-01-10 MBA中國網

研究背景

非晶材料（包括玻璃、高分子材料、膠體乃至顆粒材料等等）的使用貫穿人類文明，是凝聚態物理重要的組成部分。金屬玻璃在上世紀5,60年代成為非晶體系新成員後，因其一些優異的力學、化學和物理性質成為了科學研究的熱點。非晶態材料的短程有序、長程無序的多尺度結構特徵為其帶來獨特的動力學特徵以及力學變形機制（如剪切帶為代表的失穩模式等）。

研究金屬玻璃的微觀結構演化特徵與宏觀塑性變形的內在關聯對於理解玻璃態物質的物理本質，研究山體滑坡、雪崩、泥石流等地質災害的機制都具有重要意義。

研究進展

近日，北京大學工學院力學與工程科學系韋小丁研究員課題組基於熱力學框架提出了能夠描述金屬玻璃內稟結構非均勻性演化的力-化學耦合連續介質模型，建立了微觀結構演化與宏觀塑性流動的關聯。

該模型成功模擬了金屬玻璃在單軸拉伸以及簡單剪切下的剪切帶失穩和剪脹效應。進一步，課題組成功揭示了在低應力和高應力水平下金屬玻璃蠕變行為的標度率轉變起源於熱能梯度驅動和應變能梯度驅動的兩種不同的原子擴散機制。

在低應力情況下，非晶合金的蠕變伴隨著原子沿著濃度梯度流動，材料趨於均勻；而在高應力下，非晶合金的蠕變伴隨著原子沿著應變能梯度流動，材料的非均勻性逐漸加強直至失穩。新的連續介質本構理論有助於人們更加深刻的理解金屬玻璃乃至非晶體系中的微觀結構與宏觀性能的關係。相關工作發表在固體力學領域旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上

（https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104216），工學院2016級博士生朱文清為第一作者。此項研究得到了國家自然科學基金和北京大學工程科學與新興技術高精尖創新中心的支持。

上圖：金屬玻璃蠕變的兩種微觀粒子流動機制。低應力下原子由熱能梯度驅動向自由體積更大（更鬆散）的區域遷移，高應力下原子由應變能梯度驅動向自由體積更小（更密實）的區域遷移從而促進剪切帶的萌生。

下圖：單軸拉伸下主剪切帶的萌生與發展微生物採油機理

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