无序结构物质间歇性流变研究

An intermittent plastic flow behavior, i.e. serrated flow, usually can happen in solid materials with a disordered structure upon compression loading. As a nonlinear physical phenomenon, this intermittent plastic flow behavior cannot be elucidated in a framework of the continuum mechanical theory. Further investigating the intermittent flow behavior, it is found that the nonlinear dynamic theory cannot directly describe the intermittent flow behavior. Thus, an effective mathematic model is required to bridge the missing part between the nonlinear dynamics theory and the intermitted flow behavior. In the proposed project, solid materials with the disordered structure, such as metallic glasses, will be the model materials. Based on the mechanical tests as well as the dimension analysis, nonlinear dynamic equations will be formulated to satisfy the conditions in the solid materials with the disorder structure. According to these dynamic equations, the influences of the tempo-spatial variables on the intermittent plastic flow will be investigated, during which the experimental results will be considered to modify the mathematical model. Then, a reasonable, universal constitutive result is expected to be built up to describe the plastic dynamic behavior in the solid materials with the disordered structure, which could provide a theoretic clue for further enhancing the plastic property of materials, especially for improving the ductility of the solid materials with the disordered structure.

无序结构物质在塑性变形阶段往往呈现出间歇性的流变现象。对于这一非线性动力学行为，连续体理论已经难于对其进行解释，但非线性理论与间歇性流变现象之间又缺乏有效的数学模型来进行桥接。本项目以无序结构物质为研究对象，通过力学分析、量纲分析等理论，建立无序结构物质塑性变形的非线性动力方程，研究时域、空域等各个因素对物质间歇流变行为的影响与权重系数，同时与实验数据分析结果相比对，给出影响材料力学特性- - 特别是提高无序结构物质延展性的普适性的结果.

无序结构物质在塑性变形阶段会出现锯齿流变现象，这种不连续变形行为用以往的连续体理论无法解释。针对这一问题，我们主要以非晶合金这类典型的无序结构物质为研究对象，借助多种数学工具和统计方法的灵活应用，分析了其塑性锯齿流变动力学。项目执行期间，出版论著一部，在Phys Rev B、Phys Rev E、Sci Rep和J Nonlinear Sci等重要数学、物理、材料以及综合期刊发表SCI论文24篇。代表性成果如下：1. 研究了非晶合金塑性锯齿所包含的弹性能密度的分布规律，通过对重构相空间中吸引子的李雅普诺夫指数的严格分析，并结合多重分形谱分析，得到随应变速率的升高或温度的降低，塑形动力学呈现出由混沌形态向多重分形状态转变，进而进入自组织极限状态的结论。2.通过对塑性变形过程中应力变化率信号的去趋势的波动分析，发现在温度的降低过程中，非晶合金压缩变形过程中的剪切分支存在一定范围内的尺度关系，解释了断裂表面出现类似酒窝状的分形结构剪切带产生的内在机理。在中间温度的过渡阶段，剪切分支结构发生转变，表明存在塑性的拐点。3.研究了一类高熵合金在纳米压痕实验中加载力-位移时间曲线的塑性变形. 通过时间序列分析, 非线性动力学和统计学定量描述了锯齿流在不同停留时间和温度下的动力学行为. 发现在室温和200°C时, 停留时间为 5 s, 10 s和20 s 下, 材料试验曲线呈现的锯齿流存在正的Lyaounov 指数即此时锯齿动力学是混沌的. 通过对位移序列的分形分析和去趋势的波动分析, 发现锯齿流在室温停留时间 10 s 时, 滑移过程是一种自相似的随机行走过程. 4.建立了室温下非晶合金压缩过程塑性变形的数学模型，分析了微观蔓延型事件和非局部滑动事件，讨论了模型的空间一致解、行波解以及多尺度分析得到的近似解。空间一致系统的相空间分析表明在较低应变率下系统为不稳定的。数值解显示在较低应变率下是微观蔓延型事件，在较高应变率下是非局部滑动事件。同时较高应变率下的数值分析结果模拟表明应力降量符合幂率分布。模型分析结果与实验数据相吻合。这些结果为先进材料在不同条件下的服役行为提供了重要的理论依据。