科学家提出基于双温非平衡热力学框架的非晶合金本构模型

考虑材料内部微介观尺度非平衡结构演化效应的非线性本构关系是力学、材料等领域的核心问题之一。由于固有的长程拓扑无序，外载激励下的非晶合金（也称金属玻璃）在变形过程中内蕴非平衡无序结构的跨时空尺度涌现与演化，导致其变形行为呈现复杂多样性，挑战了传统金属材料位错介导的经典塑性理论。非晶合金基本流动事件的激活除了与其内部原子热振动和外部载荷相关，还必须考虑结构无序度的影响。研究表明，非晶的结构无序度可以利用非平衡统计理论中提出的构型温度（也称有效无序温度）来描述，有别于传统表征原子振动的热力学温度。这两种类型的温度对应系统的两个热力学子系统，且在时间尺度上存在显著差异，致使非晶合金塑性变形系统远离热力学平衡态，传统的连续介质热力学框架在刻画非晶合金这种非平衡演化行为时面临困难。

中国科学院力学研究所戴兰宏研究团队在基于非平衡统计理论的热力学框架下，提出了一个能够有效考虑非晶合金本征非平衡特性的本构模型。在该本构模型中，非晶合金热力学系统由相互耦合作用的构型和振动子系统构成。发生在不同尺度上的微观事件，分别由两个子系统的热力学参量表征；两个子系统之间的耦合效应将驱使非晶合金系统朝着平衡态过渡。在经典的剪切转变理论基础上，该模型进一步考虑了剪切变换与周围基体的约束作用对后续结构弛豫的影响。研究人员应用该模型对不同温度和应变率等多种加载条件下的非晶合金变形行为进行了模拟分析，发现该模型可以实现对实验结果的有效预测，同时能够揭示非晶合金在不同加载条件下变形模式转变和变形局部化剪切带演化机制。

近日，相关研究成果以A constitutive model for metallic glasses based on two-temperature nonequilibrium thermodynamics为题，发表在International Journal of Plasticity上。研究工作得到国家自然科学基金重大项目“无序合金的塑性流动与强韧化机理”、基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题”，以及中科院战略性先导科技专项（B类）等的支持。

图1.非晶合金构型与振动子系统及其能量传输示意图

图2.不同加载条件下非晶合金应力-应变曲线

图3.非晶合金室温拉伸下的剪切带及构型温度演化云图

来源：中国科学院力学研究所