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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(tài)物理重要的組成部分。金屬玻璃在上世紀(jì)5,60年代成為非晶體系新成員后，因其一些優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和物理性質(zhì)成為了科學(xué)研究的熱點。非晶態(tài)材料的短程有序、長程無序的多尺度結(jié)構(gòu)特征為其帶來獨(dú)特的動力學(xué)特征以及力學(xué)變形機(jī)制（如剪切帶為代表的失穩(wěn)模式等）。

研究金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)演化特征與宏觀塑性變形的內(nèi)在關(guān)聯(lián)對于理解玻璃態(tài)物質(zhì)的物理本質(zhì)，研究山體滑坡、雪崩、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的機(jī)制都具有重要意義。

研究進(jìn)展

近日，北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系韋小丁研究員課題組基于熱力學(xué)框架提出了能夠描述金屬玻璃內(nèi)稟結(jié)構(gòu)非均勻性演化的力-化學(xué)耦合連續(xù)介質(zhì)模型，建立了微觀結(jié)構(gòu)演化與宏觀塑性流動的關(guān)聯(lián)。

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(wěn)和剪脹效應(yīng)。進(jìn)一步，課題組成功揭示了在低應(yīng)力和高應(yīng)力水平下金屬玻璃蠕變行為的標(biāo)度率轉(zhuǎn)變起源于熱能梯度驅(qū)動和應(yīng)變能梯度驅(qū)動的兩種不同的原子擴(kuò)散機(jī)制。

在低應(yīng)力情況下，非晶合金的蠕變伴隨著原子沿著濃度梯度流動，材料趨于均勻；而在高應(yīng)力下，非晶合金的蠕變伴隨著原子沿著應(yīng)變能梯度流動，材料的非均勻性逐漸加強(qiáng)直至失穩(wěn)。新的連續(xù)介質(zhì)本構(gòu)理論有助于人們更加深刻的理解金屬玻璃乃至非晶體系中的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系。相關(guān)工作發(fā)表在固體力學(xué)領(lǐng)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(xué)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(xué)基金和北京大學(xué)工程科學(xué)與新興技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心的支持。

上圖：金屬玻璃蠕變的兩種微觀粒子流動機(jī)制。低應(yīng)力下原子由熱能梯度驅(qū)動向自由體積更大（更松散）的區(qū)域遷移，高應(yīng)力下原子由應(yīng)變能梯度驅(qū)動向自由體積更?。ǜ軐崳┑膮^(qū)域遷移從而促進(jìn)剪切帶的萌生。

下圖：單軸拉伸下主剪切帶的萌生與發(fā)展微生物采油機(jī)理