編者按：力學研究所非綫性力學國傢重點實驗室的戴蘭宏研究團隊 曆經十餘年的實驗和理論研究 前沿動態｜陳艷：剪切帶的奧秘 - 趣味新聞網

編者按： 力學研究所非綫性力學國傢重點實驗室的戴蘭宏研究團隊，曆經十餘年的實驗和理論研究，係統建立瞭包含熱/自由體積等多過程耦閤與時空多尺度的剪切帶新理論，揭示齣納米尺度結構非均勻可誘導自由體積聚集主控的結構軟化剪切帶新機製，得到瞭剪切帶失穩判據、協同演化、特徵厚度以及誘緻斷裂機理等一係列原創性成果。因而獲得瞭2020年度國傢自然科學二等奬，並被評選為力學所2021年度“十大亮點工作”之一。本文對此項工作做瞭較為全麵的介紹。

剪切帶的奧秘

陳艷

剪切帶是什麼 ? 簡單地說，剪切帶就是介質中剪切變形高度集中的局部化區域。那麼，什麼是“剪切變形”呢？咱們以一個杆件為例，當受到與杆件截麵平行、相距很近、大小相等、方嚮相反的一對外力 F 作用時，以杆件橫截麵發生相對錯動為主要特徵的變形形式，稱為剪切變形（圖1）。

圖1 剪切變形示意（作者繪製）

從本質上講，剪切帶是一類塑性變形失穩現象。所謂的“塑性變形”和人們熟知的“彈性變形”不同，是一種不可自行恢復的永久性變形，或者說，卸除載荷後工程材料及構件仍保留著的殘餘變形。所以，剪切帶的齣現往往是介質災變破壞的前兆（圖2）[1, 2]。

圖2 剪切帶：剪切變形高度集中的狹長區域，裂紋發生的前兆[2]

剪切帶廣泛存在於自然和工程領域，從地質岩石到工程材料，我們都能看到它們的身影。盡管剪切帶現象具有普遍性，但在不同介質中剪切帶的特徵尺寸和形成演化機製卻存在著本質差異。以剪切帶的特徵寬度為例，地質岩石中的剪切帶特徵寬度可以達到數米甚至到上韆米（圖3），傳統晶態金屬中的剪切帶寬度大約在幾微米至數百微米範圍（圖4），而對於非晶閤金，其剪切帶寬度僅為數十納米（圖5）。這些具有不同特徵寬度的剪切帶到底蘊藏著什麼奧秘？百餘年來，研究者們從未停止過探尋的腳步。剪切帶問題不僅是力學及多學科交叉領域的重大前沿基礎課題，同時，與空天、國防、高速製造等國傢戰略領域的先進材料、結構和裝備發展的重大需求密切相關。

圖3 地質岩石中的剪切帶

圖4 鈦閤金衝擊載荷下形成的剪切帶[3]

圖5 非晶閤金在各種加載模式下的剪切帶[4, 5]: 壓縮（Compression），剪切（Shear），彎麯（Bending），切削（Cutting）

早在19世紀70年代，法國科學傢H. Tresca在多種金屬的鍛造過程中發現瞭 “熱綫”（Heat lines），英國學者H.F. Massey於1921年再次報道瞭這一現象（圖6）[2, 6]，由此開啓瞭剪切帶研究的第一波熱潮。1928年，俄國學者V.P. Kravz-Tarnavskii在鋼的落錘衝擊試驗中首次明確觀察到絕熱剪切帶[7]。1944年, 兩位美國學者C. Zener和J.H. Hollomon 基於鋼的衝擊實驗所觀察到的絕熱剪切帶現象，指齣絕熱溫升導緻應力-應變麯綫斜率由正到負的改變，從而促使不穩定均勻塑性變形的發生，即剪切局部化[8]。隨後國內外研究者，針對絕熱剪切帶的形成與演化動力學，開展瞭大量的研究工作，取得瞭豐碩研究成果。曆經一百多年的探索，在上世紀九十年代逐漸形成瞭以絕熱軟化為核心機製的熱塑剪切帶理論。然而，隨著新材料的不斷湧現和人們對自然界物質認識的不斷深入，經典的熱塑剪切帶理論遇到瞭極大挑戰。

圖6 金屬鍛造中的“熱綫（Heat lines）”[2, 6]

隨著我國現代化進程的不斷推進，先進高強韌金屬結構材料的匱乏極大地製約瞭我國重大安全戰略和國民經濟核心領域的創新發展。過去幾十年，世界範圍內為瞭突破傳統金屬材料強韌性不足的限製，相繼提齣瞭一係列強韌化途徑，比如，以碳化物、氮化物等硬顆粒增強金屬基體形成顆粒增強金屬基復閤材料，基於熔體玻璃態轉變形成的非晶閤金等（圖7）。由於具有微米或納米尺度的非均勻結構，這些先進金屬材料在外部載荷尤其是衝擊載荷作用下，其塑性變形極易局部化形成微米甚至納米尺度的剪切帶。由於不考慮材料內在的結構效應，眾多具有微/納尺度非均勻結構的新型金屬材料的剪切帶行為無法得到有效描述與預測。微/納非均勻結構在這些金屬材料剪切帶行為中發揮怎樣的作用？它們能否影響熱塑剪切帶的核心機製，即前述的“絕熱軟化”？要迴答這些問題，必須打破傳統認知，大膽假設，小心求證。中國科學院力學研究所戴蘭宏研究員及其項目團隊針對上述關鍵科學問題，開展瞭長期攻關，通過三代師生傳承，突破和發展瞭經典熱塑剪切帶理論框架，攻剋瞭非均勻金屬結構材料的剪切帶難題。

圖7 具有微米或納米尺度非均勻結構的先進金屬材料不斷湧現

顆粒增強金屬基復閤材料具有較高的比剛度和比強度，以及良好的抗蠕變能力，因此在國防、空天、交通等領域廣泛應用。大傢知道，強度是指材料失效時單位麵積所受的力，比強度則是材料強度與其密度的比值；而比剛度是材料的彈性模量（即應力與應變之比）與其密度的比值。由於增強顆粒與金屬基體在熱或力作用下存在顯著的變形不協調，這類復閤材料屬於典型的細觀非均質復相固體。因此，相對於傳統的單相金屬材料，顆粒增強金屬基復閤材料的塑性強化（即材料由於塑性變形導緻強度升高的現象）以及局部剪切帶理論更為復雜。其中，內在結構效應，尤其是增強顆粒特徵尺寸的影響機製是關鍵，然而人們對此缺乏清晰的認識。自20世紀90年代起，力學所的項目研究團隊針對該問題開展瞭係統的實驗研究。在實驗中發現，增強顆粒特徵尺寸對復閤材料的塑性變形具有“正、反”雙重效應。“正”效應是：隨著顆粒尺寸減小，復閤材料的屈服和流動應力提高，顯示齣塑性強化作用；“反”效應是：隨著顆粒尺寸減小，復閤材料的塑性流動更容易局部化失穩，形成幾十微米厚度的熱塑剪切帶（圖8）[9]。缺乏內在結構效應的經典熱塑剪切帶理論以及唯象高階應變梯度理論均無法理解和錶徵上述觀察到的顆粒尺寸效應。為此，項目團隊建立瞭基於細觀變形機製的復閤材料應變梯度本構模型，通過發展計及應變梯度效應的熱塑剪切帶理論，揭示瞭應變梯度通過非均勻能量耗散驅動金屬基復閤材料熱塑剪切帶形成的新機製[10, 11]。

圖8 實驗發現增強顆粒對復閤材料的塑性變形具有“正、反”尺寸效應[9]

非晶閤金（也稱金屬玻璃）是高溫熔體深度過冷至玻璃態轉變點，結構突然“凍結”而形成的一類完全不同於傳統晶態閤金的新型材料。這類材料的原子近鄰排列有序，即具有短程序，但不存在長程周期性，且沒有位錯、晶界等傳統意義上的晶體缺陷。這使得非晶閤金力學性能的高強度、低延性矛盾突齣，嚴重阻礙瞭這類新型材料的實際應用。導緻這一矛盾的根本原因是這類原子無序材料的塑性變形極易局部化，形成納米尺度的剪切帶；剪切帶的形成及快速擴展往往誘導材料發生宏觀脆性斷裂。國際上，關於非晶閤金剪切帶的物理起源長期以來存在兩種具有尖銳爭議的觀點：一種是絕熱軟化觀點，認為非晶剪切帶仍然遵循經典的熱塑剪切帶機製；另一種則認為，非晶剪切帶是非熱的結構軟化機製，源於內在納米尺度非均勻結構在應力驅動下導緻的自由體積局部聚集。項目團隊經過十餘年的實驗和理論研究發現，這個爭議長期未能解決的根源在於非晶閤金剪切帶涉及粘性擴散、熱擴散、自由體積擴散、局部化剪切帶形成與演化等多個速率過程；這些過程均具有各自的特徵時間和空間尺度，且是高度非綫性耦閤的。基於這些認識，項目團隊係統建立瞭包含熱/自由體積等多過程耦閤與時空多尺度的剪切帶新理論，揭示齣納米尺度結構非均勻可誘導自由體積聚集主控的結構軟化剪切帶新機製，得到瞭剪切帶失穩判據、協同演化、特徵厚度以及誘緻斷裂機理等一係列原創性成果（圖9）[4, 12-18]。

圖9 熱-自由體積等多過程耦閤與時空多尺度的剪切帶新理論[13, 14, 16-18]

力學所研究團隊給齣的計及非均勻結構效應的金屬材料剪切帶研究成果得到瞭國際力學界S.P. Timoshenko奬、R. Hill奬獲得者在內的諸多知名學者廣泛引用和高度評價，被多篇權威綜述期刊作為獨立一節長篇幅專門介紹。同時，獲得瞭國內外同行的實驗證實與跟蹤研究，澄清瞭長期廣泛的國際學術爭議。此外，還曾獲得國際動態力學領域傑齣成就奬“John S. Rinehart奬”1項，英國麥剋斯韋青年作者奬1項。應用這些成果，項目團隊設計研製瞭新概念非晶閤金梯度復閤Whipple空間防護結構[19]和高剪切自銳新型鎢高熵閤金[20]（圖10），它們在空天和國防領域均具有重要應用價值。該項目成果獲2020年度國傢自然科學奬二等奬（獲奬人：戴蘭宏、白以龍、蔣敏強、劉龍飛、陳艷）（圖11）。

圖10 具有高剪切自銳性能的新型鎢高熵閤金：（a）超強拓撲密排μ相的析齣，（b）高應變梯度促進剪切帶形成，（c）新型鎢高熵閤金在相同動能下比傳統93鎢閤金的高速侵徹深度提高10%-20%[20]

圖11 “考慮非均勻結構效應的金屬材料剪切帶”項目成果獲2020年度國傢自然科學奬二等奬

迴首剪切帶研究的百年曆程，在幾代研究者們堅持不懈的努力下，對剪切帶問題的認知越來越豐滿，我們也逐漸學會在一定程度上調控、抑製和利用剪切帶，使它為我們所用，服務於國傢需求。然而，剪切帶湧現和演化是一個多時空尺度關聯、多過程耦閤的高度非綫性問題，還有很多未知的奧秘等待我們去探索。

參考文獻

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