非晶态固体的结构可以决定性能吗?

晶态固体的力学性能与塑性变形主要由结构缺陷,比如位错的运动决定.而在非晶态固体中结构如何决定性能,仍然是固体力学、材料学和凝聚态物理学共同关心但尚未解决的核心问题之一.传统材料学研究的经典范式为"结构决定性能".遵循这一信条,已经有大量的实验表征与理论、模拟研究,尝试将非晶态固体的某种结构特征与性能建立一一对应关系.但是,科学界对于非晶固体结构-性能关系成立与否,以及背后隐藏的规律知之甚少.本文针对非晶态固体的变形机制以及其微结构特征,基于分子动力学模拟,定量评估短程简单结构与中长程复杂结构在决定非晶态固体动力学性能方面的效用.通过海量抽样每种具体玻璃结构的激活能(标识激发难易程度),尝试将结构参数与激活能建立定量关系,从而揭示出非晶态固体结构-性能关系的隐藏主控因素为结构的空间关联,受限比几何结构本身更关键.只有某种结构在空间上呈现亚纳米级的空间关联长度,这种完备结构才有可能有效地决定非晶态固体的力学性能,而短程简单结构则无效.进一步,给出了评价非晶态固体结构预测性能有效性的普适定量方法,为建立广义无序物质的结构-性能关系提供了筛选准则.     

铜基非晶合金热效应和剪切模量变化起源

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.      

ORIGIN OF HEAT EFFECTS AND SHEAR MODULUS CHANGES OF A Cu-BASED AMORPHOUS ALLOY 1)

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.     

泡沫铝弹性接触静力学行为的多尺度模拟

对泡沫铝的宏、细观组织结构,基于MC方法建立与材料制备工艺相应的数值模型,作为多尺度模拟的前提.通过计算模拟和统计分析大量数值试样的力学性能,得到了不同制备工艺制得的泡沫铝的弹性模量的分散性特点.借鉴代表性体积单元方法(RVE)和完全多格方法(FMG)的思想,采用基于"巨原子"模型的多尺度关联方法,并以简化的物理势场描述巨原子问的关系,设计了原子-巨原子-有限元多尺度算法.通过算例探讨了与理想刚性平面接触时,泡沫铝接触表面的应力集中情况.     

纳晶金属的力学行为

纳晶金属特指晶粒尺寸在($1 \sim100)$\,nm块体金属材料,其在力、热、声、电、磁等方面有着潜在应用,对它的制备、表征和模拟是材料科学及相关领域的重要前沿.由于纳晶金属结构简单,影响性能的因素相对单一,因而对结构与性能之间关系的理论研究具有深刻的意义.纳晶金属三维细观拓扑结构与常规多晶体类似,但由于晶粒尺寸减小,晶界原子体积比增加,因此呈现出与粗晶金属不同的性质,并且当微观物理过程的特征尺度大于晶粒尺寸时,与其对应的性质也将受到晶粒或者晶界的调制作用.本文从制备、力学性能和塑性变形机制3个方面介绍了纳晶金属力学的部分最新进展,并讨论了结构特征与力学性能之间的关系.      

基于微观结构非均匀性的非晶合金力学行为

非晶合金弛豫/晶化、玻璃转变、塑性变形等热力学和动力学行为都与其固有的结构非均匀性密切相关. 但是, 由于淹没在亚稳的长程无序结构中, 探究非晶合金的结构非均匀性十分困难. 尤其, 非晶合金微观结构非均匀性与其力学性能之间的本征关联是一个亟待解决的重要科学问题. 本文基于多尺度时空下的力学激励阐述非晶合金微观结构非均匀性特征与演化规律. 从实验、理论和数值模拟方面出发, 梳理了非晶合金微观结构非均匀性与弛豫机制和力学行为之间的关联. 最后, 针对非晶合金微观结构非均匀性与其物理/力学性能研究的方向提出了建议和展望.      

固体跨尺度压痕标度律的研究与展望

压痕标度律是对通过压痕试验方法测定固体材料力学性能参量问题所给出的一般性结论, 具有重要的理论意义, 是探寻材料力学性能潜在规律的方法论研究. 本综述论文系统而简要地介绍如下主要内容: 采用传统理论对传统固体材料压痕标度律的研究回顾; 采用跨尺度力学理论对先进固体材料的跨尺度压痕标度律的研究回顾. 总结并得到了如下主要结论: 传统固体材料压痕标度律可由一空间曲面完整描绘, 若进一步已知某类无量纲独立参量的取值范围, 则该空间曲面可退化为系列平面曲线族; 先进固体材料(新材料)的跨尺度压痕标度律可由一个三维函数关系完整描绘, 若存在某类独立无量纲参量取值范围已知, 则该三维函数关系将退化为系列空间曲面族. 压痕标度律的未来研究发展仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上, 以试图从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题. 除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律.      

基于统一相场理论的早龄期混凝土化-热-力多场耦合裂缝模拟与抗裂性能预测

受水化反应和热量传输等过程影响, 混凝土在养护阶段会发生受约束收缩变形, 并由此在结构内引发较大的拉应力, 而此时混凝土力学性能往往还处于较低水平, 容易导致建造期混凝土结构即出现裂缝等病害. 这种早龄期混凝土裂缝对核安全壳、桥梁隧道、地下结构、水工或海工结构等重大土木工程和基础设施的全生命周期完整性、耐久性和安全性造成严重影响. 为了准确预测早龄期混凝土抗裂性能并量化裂缝演化对混凝土结构行为的不利影响, 亟需开展化-热-力多场耦合环境下的混凝土裂缝建模与抗裂性能分析研究. 针对这一需求, 本工作在前期提出的固体结构损伤破坏统一相场理论基础上, 考虑开裂过程与水化反应、热量传输等之间的相互影响, 建立裂缝相场演化特征(包括基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于变分原理的扩展方向判据等)与混凝土水化度和温度之间的定量联系, 提出混凝土化-热-力多场耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法并应用于若干验证算例. 数值模拟结果表明, 上述多场耦合相场内聚裂缝模型合理地考虑了水化反应、热量传输、力学行为以及裂缝演化之间的耦合效应, 揭示了早龄期混凝土热膨胀变形和自收缩变形的相互竞争机理, 且分析结果不受裂缝尺度和网格大小等数值参数的影响, 实现了早龄期裂缝演化全过程准确模拟和抗裂性能定量预测, 有望在混凝土结构早龄期裂缝预测和控制方面发挥重要作用.      

基于定量结构-性质相关性的烃类物质爆炸下限预测

基于定量结构-性质相关性(quantitative structure-property relationship,QSPR)原理,研究了烃类物质爆炸下限与其分子结构间的内在定量关系。根据分子结构计算用于反映分子各种结构信息的结构参数,应用遗传算法从大量结构参数中优化筛选出与爆炸下限最密切相关的一组结构参数作为分子描述符,分别采用支持向量机方法和多元线性回归方法对分子描述符数据与爆炸下限数据之间的内在定量关系进行模拟,建立了根据分子结构预测烃类物质爆炸下限的数学模型。对模型性能进行内部及外部验证,结果表明,2种模型爆炸下限的预测值与实验值均符合良好,在实验误差允许范围之内。支持向量机模型预测体积分数平均绝对误差为0.036%,均方根误差为0.046%,优于多元线性回归和已有方法所得结果。该方法的提出为工程上提供了一种预测烃类物质爆炸下限的新方法。 更多还原     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的裂纹模拟

结合近场动力学和统一相场理论的基本思想,最近提出了一类非局部宏-微观损伤模型,为固体裂纹扩展模拟提供了新途径.本文在此基础上改进了微观损伤准则,并给出损伤的■语言以刻画固体破坏过程中位移场的不连续程度.在改进模型中,首先根据两物质点(即物质点对)之间的变形量,基于相对临界伸长量的历史最大超越程度,给出表征物质键性能退化的微细观损伤.进而,对影响域内的物质键损伤进行空间局部加权平均,获得宏观拓扑损伤.通过引入能量退化函数,建立基于能量的损伤与宏观拓扑损伤之间的关系,由此将其嵌入连续损伤力学基本框架,形成了问题求解的基本方程.该模型是一类非局部化模型,可采用有限单元法进行离散求解,避免了经典局部损伤力学所面临的网格敏感性问题.文中,进一步将其应用于具有强非线性回弹特性的裂纹扩展模拟问题.实例分析表明,本文方法不仅可以把握裂纹扩展模式,而且能够定量刻画裂纹扩展过程中的载荷-变形关系.最后指出了需要进一步研究的问题.     

细观结构固体层中孤立波的传播及相互作用特性

利用直接微扰方法.确定了孤立波的放大或衰减与孤立波的初始幅度以及介质的结构参数之间的关系.然后利用线性化技术构造出一种二阶精度的稳定差分格式,并对孤立波在细观结构固体层中传播特性进行了数值模拟,特别对细观结构固体层中传播的不同幅度的孤立波的相互作用进行了详细的数值模拟,从而得到在适当条件下细观结构固体层中孤立波传播时即可以衰减、放大又可以稳定传播,且相互作用不影响这种传播特性.     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的裂纹模拟

结合近场动力学和统一相场理论的基本思想, 最近提出了一类非局部宏-微观损伤模型, 为固体裂纹扩展模拟提供了新途径. 本文在此基础上改进了微观损伤准则, 并给出损伤的$\bar{\lambda}-\ell$语言以刻画固体破坏过程中位移场的不连续程度. 在改进模型中, 首先根据两物质点(即物质点对)之间的变形量, 基于相对临界伸长量的历史最大超越程度, 给出表征物质键性能退化的微细观损伤. 进而, 对影响域内的物质键损伤进行空间局部加权平均, 获得宏观拓扑损伤. 通过引入能量退化函数, 建立基于能量的损伤与宏观拓扑损伤之间的关系, 由此将其嵌入连续损伤力学基本框架, 形成了问题求解的基本方程. 该模型是一类非局部化模型, 可采用有限单元法进行离散求解, 避免了经典局部损伤力学所面临的网格敏感性问题. 文中, 进一步将其应用于具有强非线性回弹特性的裂纹扩展模拟问题. 实例分析表明, 本文方法不仅可以把握裂纹扩展模式, 而且能够定量刻画裂纹扩展过程中的载荷-变形关系. 最后指出了需要进一步研究的问题.      

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

材料力学性能退化的超声无损检测与评价

材料性能退化总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为, 从而引起超声波传播的非线性, 即高频谐波的产生.基于此,材料和结构的超声无损检测与主人技术发展成起来.首先介绍固体介质内的非线性超声波动方程的基础, 并综述了利用超声波传播的非线性特性对结构材料和粘结面的力学性能退化进行无损检测与评价的研究进展.之后对材料在疲劳、拉伸以及蠕变载荷作用下, 其力学性能退化进行超声无损检测与评价的试验研究进行了介绍;综述了超声波传播非线性的机理研究, 以及利用超声波对粘结面的粘结强度及其力学性能退化评估所开展的研究. 最后指出了今后该领域需要进一步研究的问题.      

液体的fragility及其与玻璃固体力学性能的关联

Angell在20世纪80年代提出的液体fragility概念, 为认识玻璃态本质打开了一扇新的窗口, 是联系玻璃形成液体和固体的纽带. 目前, 玻璃转变的主流理论(如模态耦合理论、势能形貌等)围绕fragility展开的研究已经成为玻 璃科学领域的一个热点; fragility与玻璃固体基本力学性能之间的关联研究为力学工作者开辟了一片新的研究领 域.本文将就玻璃态转变相关基本现象、表征玻璃态转变动力学行为的代表性理论、液体 fragility与玻璃固体力学性能关联研究现状进行分析评述, 并就本领域今后值得关注的问 题进行展望.     

复合材料组分性能随机性识别的克里金随机分析方法

建立非均匀材料宏观力学性能与微结构参数之间的定量关系一直是人们所关心的问题,利用材料微结构参数和组分性能预报复合材料宏观力学性能,已经取得了很大的进展,然而已知复合材料宏观性能,如何开展组分性能的随机识别,目前的研究工作还不多见.论文考虑了复合材料的随机性,在已知复合材料宏观有效性能的随机性条件下,采用克里金随机分析方法,对复合材料组分性能的随机性进行识别,通过单向纤维复合材料的宏观有效性能的随机性,计算得到了纤维弹性模量的均值与方差,证明了该方法的有效性.     

黏弹性材料等效分数阶微观结构标准线性固体模型

从黏弹性材料微观链结构出发,以橡胶基黏弹性材料超弹性理论分子网链高斯(Gauss)统计模型和黏滞流动理论为基础,研究黏弹性材料的微观结构、填料等对黏弹性性能的影响.用温频等效原理描述温度对黏弹性材料力学性能的影响,建立了可以有效描述黏弹性材料耗能特性的等效分数阶微观结构标准线性固体模型.采用动态热机械分析仪(DMA)对高聚物黏弹性材料力学性能、耗能能力进行测试.试验表明:在低温区域,储能模量较大,随着温度的升高,储能模量下降显著;能量损耗因子在高温和低温区域数值较小,在玻璃化转变温度附近数值较高.根据测试数据对所提等效分数阶微观结构标准线性固体模型进行验证,该力学模型能够较好地描述黏弹性材料储能模量和能量损耗因子随温度的变化趋势.用9050A和ZN22黏弹性材料对模型的有效性进一步验证,结果表明:9050A和ZN22黏弹性材料具有较好的耗能能力,所提出的等效分数阶微观结构标准线性固体模型能够准确地描述微观结构和填料对黏弹性材料宏观性能的影响,能够准确地描述黏弹性材料在不同温度和频率下的动态力学性能.     

扭转塑性变形对6063铝合金拉伸力学性能的影响机理研究

扭转是一种常用的冷作硬化方法。本文通过实心圆轴扭转实验和预扭试件的单向拉伸实验,研究了扭转塑性变形程度对6063铝合金拉伸力学性能的影响。通过理论研究和硬度分析探究了造成这一影响的内在机理。结果表明,试件扭转后其内部形成的以屈服强度为特征参数的梯度结构,是造成预扭试件力学性能得到改善的根本原因。并且,扭转不同的角度,材料内部产生的梯度结构也是不同的。而不同的梯度结构对试件力学性能的影响则表现为后继拉伸屈服强度随预扭角度的增大而增大。为了预测预扭试件的后继拉伸力学行为,验证前述结论的正确性,建立了由内到外屈服强度逐渐变化的有限元模型。此模型代表了预扭转变形试件,对其施加位移载荷,模拟后继单向拉伸加载过程。模拟所得材料力学性能随扭转角的变化趋势与实验结果基本吻合,从而验证了扭转冷作硬化后,圆轴试件内部产生了以屈服强度为特征参数的梯度结构这一结论。同时,也提供了一种有效的预测材料扭转后拉伸力学性能的数值模拟方法。     

人的密质骨的力学性能

本文把骨组织看作是一种材料和骨骼系统的粘弹性结构元件,评述了它们的力学性能.首先描述了骨的结构,包括宏观结构、微结构和超微结构.随后是骨的力学性能.第三部分介绍了哈弗氏骨的力学模型.笔者指出,单个哈弗氏骨可考虑为正交铺设的胶原纤维增强的粘弹性厚壁筒.最后讨论了哈弗氏骨的应力-应变关系.显然,简单的弹性关系是不可用于实际的.      

基于2nd P-K应力率的颗粒材料亚塑性模型

亚塑性理论为建立颗粒材料本构模型提供了一种新的框架,在此框架内讨论了Gudenhus-Bauer模型的模量矩阵不对称性,并阐述了直接以Cauchy应力Jaumann速率建立本构关系时以及由此所建议的Gudenhus-Bauer模型中所存在的问题.为此基于Gudenhus-Bauer模型的张量函数,应用2nd P-K应力率与Green应变率建议了一个新的颗粒材料亚塑性模型,该模型可与经典关联与非关联流动理论相对应.此外还简单介绍了如何依据基于2nd P-K应力率的本构模量获得以Cauchy应力Jaumann速率及变形率表示的亚塑性模型.数值算例表明所建议模型具有模拟颗粒材料应变局部变形特征的良好性能.