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.     

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.      

块体金属玻璃的剪切带行为

0 引言 玻璃态物质以纷繁多样的形式广泛存在于自然与科技技术领域[1-3].除了人们熟知的门窗上的硅酸盐无机玻璃、各种塑料制品的高聚物玻璃外,玻璃态还与光纤通讯、生物制品和生化药剂的保鲜存储、极端干燥条件下昆虫活性的保持等这些鲜为人知的方面密切相关.     

纳秒脉冲激光烧蚀非晶合金的研究进展

非晶合金是一类原子排列处于长程无序状态的新型结构材料，具有一系列优异的力学和物理性能，从而有望应用于国防、空天等关键领域。在这些领域的应用中，非晶合金易受到强激光或空间等离子体的作用而失效。同时，非晶合金在高能激光辐照下的结构响应本身也极具科学意义。因此，近年来这方面的研究得到了越来越多的关注。本文将重点关注纳秒脉冲激光对非晶合金在大气和水环境下的烧蚀，针对熔化、流体动力学失稳、爆炸沸腾、气泡动力学等烧蚀过程中的几种典型现象，简要介绍相关的实验和理论研究进展。最后，对未来值得进一步研究的方向进行了概述。     

Inherent Shear-Dilatation Coexistence in Metallic Glass

Shear deformation can induce normal stress or hydrostatic stress in metallic glasses [Nature Mater. 2 （2003） 449, Intermetallics 14 （2006） 1033]. We perform the bulk deformation of three-dimensional Cu46Zr54 metallic glass （MG） and Cu single crystal model systems using molecular dynamics simulation. The results indicate that hydrostatic stress can incur shear stress in MG, but not in crystal. The resultant pronounced asymmetry between tension and compression originates from this inherent shear-dilatation coexistence in MG.     

动载荷下颗粒增强高聚物中的损伤演化

本文讨论了在强动载荷作用下的颗粒增强高聚物中的损伤演化规律．文中首先介绍了由本文作者最近提出来的关于粒子填充高聚物的本构关系．然后研究了在平板撞击下的一维应变波的传播和衰减特性．本文基于细观力学方法研究了介质中微损伤的演化．拉应力波的作用将可能导致由于界面脱粘引起的微损伤成核，已经成核的微损伤(微孔洞)的长大与汇合将最终造成材料的动态失效．研究表明，影响微损伤演化的因素有：粒径分散度，平均粒径和界面粘结能等．然而，与准静态加载不同，在动态条件下，以上这些因素对损伤演化的影响并不十分明显．理论分析的结果是：材料的层裂破坏强烈地依赖于飞片对靶板的撞击速度，最后，本文还根据损伤演化的特征建议了一个关于粒子填充高聚物的层裂准则．     

金属玻璃温度依赖的拉压屈服不对称研究

通过引入静水应力对自由体积演化的影响, 研究了金属玻璃在不同温度下的拉压屈服行为. 结果表明, 在拉伸和压缩载荷下, 屈服强度均满足(T/T_g)^1/2的温度依赖关系; 同时, 在不同温度下, 材料的压力敏感系数保持为常值0.1. 随着温度的升高, 压力对自由体积的影响逐渐降低, 从而导致材料的拉压屈服不对称性逐渐趋于不显著. 在高温下, 显著的结构弛豫减缓了自由体积增长速率从而抑制材料迅速屈服. 这些结果将有助于更深入的认识金属玻璃屈服及其拉压不对称性的内在机理.     

《无序固体的力学行为》专题序

正无论是在自然科学还是社会科学范畴,"有序(order)"是人们相对熟悉并为之追求的一种特殊状态,然而"无序(disorder)"才是物质或社会学体系的普遍状态。但是,对于以电子共有化方式成键的金属材料,这一认知似乎恰恰相反.几千年来,金属材料总是以化学成分和拓扑结构的有序方式呈现在人们面前.直到1960年,一种具有原子排列长程无序的非晶合金在《自然》杂志被首次报道,才使人们重新认识到有序可能不是金属的本征状态.到如今,各类非晶合金大量涌现,几乎涵盖了元素周期表中的所有金属元素.此     

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.     

小角X射线散射表征非晶合金纳米尺度结构非均匀

表征纳米尺度结构非均匀对于理解非晶合金的变形、弛豫等动力学行为至关重要.受时空尺度限制,非晶合金纳米尺度结构非均匀的实验表征具有很大的挑战性.本文针对一种典型的锆基非晶合金,开展了同步辐射小角X射线散射原位拉伸实验.通过对散射曲线的定量分析,揭示了非晶合金在纳米尺度的非均匀结构图像.首先,Porod散射曲线呈现正偏离行为,表明非晶合金属于非理想两相散射体系,两相界面弥散且任一相内都存在电子密度涨落.基于散射曲线的Guinier定律分析,进一步揭示非晶合金中散射体形状远偏离球形,其特征尺度主要分布在0.8—1.6 nm之间,且在弹性变形阶段几乎不变.最后,通过Debye相关函数分析,发现这些纳米尺度散射体仅在1 nm之内存在强关联,符合非晶合金短程有序、长程无序的结构特征.研究结果表明非晶合金中存在具有复杂空间分布的纳米尺度非均匀结构.