力學所在多晶材料內耗峰值的尺寸效應研究中取得進展

2020-12-04 機經網

       振動的琴弦可持續很長時間，而某些材料在沒有外部激勵時會很快停止振動，兩者的差異通常由材料內部的微觀結構以及微觀結構的耗散導致，物理上稱之為「內耗」，即固體振動過程中的能量耗散，表徵材料的阻尼性能。作為多晶材料重要的內耗源，晶界力學弛豫會引起內耗。

　　1947年，中國科學院院士葛庭燧首創可測量低頻內耗的「葛式扭擺」，在多晶鋁中發現晶界內耗峰（又稱「葛式峰」），並用晶界粘滯性滑動模型給予解釋，為「滯彈性」學科點定實驗基礎。此後，科研工作者們測量了許多多晶材料的內耗譜，但得到差異很大的實驗結果，其中有的材料並不出現晶界內耗峰，有的材料則出現多個晶界內耗峰。基於晶界粘性滑動假設的已有理論難以解釋這些實驗現象。

　　近期，中科院力學研究所非線性力學國家重點實驗室從微觀變形機理出發，就晶界中粘彈性蠕變與擴散耦合，發展了用於描述晶界中粘彈塑性變形的數值方法，以研究多晶體中晶界弛豫引起的內耗。通過建立三維多晶模型，研究團隊計算了損耗模量頻率譜，發現除晶界切向應力的弛豫會導致損耗譜上產生耗散峰外，晶界法向應力的弛豫也會引起耗散峰的出現。這一雙峰弛豫臨界頻率與晶粒尺寸d 具有不同的冪律關係，其中低頻峰臨界頻率正比於d ^-3，高頻峰臨界頻率正比於 d ^-1。研究兩個耗散峰存在條件，發現高頻的「葛式峰」由晶界的粘滯性滑移引起，低頻峰由晶界的法向弛豫導致。該工作有助於研究晶界內耗峰的物理機制，以及地震波在多孔介質以及顆粒材料傳播過程中的衰減。

　　相關成果以Scaling of internal dissipation of polycrystalline solids on grain-size ａnd frequency為題，發表在Acta Materialia上，博士研究生段闖闖為論文第一作者。研究得到國家自然科學基金委、中科院以及複雜系統力學卓越創新中心的支持。

三維多晶的內耗峰尺寸效應：（a）：Wigner-Seitz 模型。（b）：不同晶界體積分數 Φ 下的多晶體的損耗模量頻率譜。高頻峰對應於「葛式峰」，由晶界的粘滯性滑動引起；低頻峰是新發現的耗散峰，由晶界的法向弛豫引起;。（c）：兩個峰對應的臨界頻率值與晶界體積分數 Φ 的關係。晶界體積分數 Φ 與晶粒寸尺 d 成反比，低頻峰臨界頻率正比於 d ^-3，高頻峰臨界頻率正比於 d ^-1

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