华南理工姚小虎教授团队发表国际塑性力学顶刊《IJP》：考虑非近邻效应的中长程关联

　　7月4日，华南理工大学土木与交通学院姚小虎教授课题组在固体力学顶级期刊International Journal of Plasticity在线发表论文“A general finite element based non-local theory for the medium-long-range correlation of metallic glasses”。该研究工作提出了一套实现单元物理量中长程关联的理论方法，发展了当前平均场理论框架下的非晶塑性本构理论。在三维有限元模型中实现无预制成核路径下的非晶合金剪切带的自适应时空演化机制，同时观察到剪切带前沿的涡旋状速度场特征。该成果展示了当前非晶塑性行为的最新进展，为实现非晶合金的强韧化机制提供了指导依据。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103673

　　

　　论文第一作者：莫泳晖博士，通讯作者：唐晓畅助理研究员、姚小虎教授，合作者：孟令怡副教授。该工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金与面上项目的支持。

　　三维应力状态下的剪切带演化，a）传统模型与b）考虑中长程关联的非晶塑性模型

　　当前非晶塑性本构理论普遍是基于平均场理论的方法而构建的，这一方面将大量相互作用的多体问题转化为弱周期边界的单体自洽问题，从而以较低的计算成本对材料本构行为提供一定的见解；另一方面平均场近似的引入不可避免地掩盖了微观塑性事件之间的相互作用机制。近年来已有越来越多的微纳尺度基础研究指出非近邻效应对于非晶剪切带的起源起到了关键性作用。

　　

　　非晶合金单轴压缩下，a）实验与b）中长程关联仿真模型得到的主应变场演化

　　针对以上问题，姚小虎教授团队提出了一套实现单元物理量相互作用的有限元框架，引入非晶合金中自由体积的非近邻效应，发展了一套考虑中长程关联机制的非晶塑性本构模型。该方法使塑性单元的结构状态与近邻单元的物理状态相互关联。同时，基于数字图像相关方法开展了非晶合金单轴压缩下的原位变形表征，为理论模型的验证提供实验数据支撑。仿真计算与实验数据可在定量上取得一致。

　　

　　剪切带前沿的涡旋状速度场及其自由体积时空演化

　　该模型可在有限元框架内复现剪切带传播前沿的涡旋状速度场特征，表明非局部效应对于微观塑性自组织逾渗起到了关键性作用。非晶合金在加载初期形成了离散分布的初始成核位点，这些成核点逐渐长大并激活近邻基体转变为塑性单元，呈现出涡旋状速度场的前沿特征。随后塑性单元逐渐逾渗，相互连接，从而形成主剪切带的初始路径。大量宏观塑性局域化于主剪切带，从而形成百微米尺度的均匀黏性流动层以适配宏观变形，为非晶合金提供了一定的压缩塑性。

　　

　　中长程关联方法的范式及其潜在应用

　　该研究提出的中长程关联机制是一种实现单元物理量交互的普适性方法，可适用于大部分平均场模型，并不局限于非晶合金本身。对于晶态金属，可通过中长程关联方法考虑化学短程序对晶格畸变的影响。对于聚合物，可将局部力学行为与交联、键断裂或者分子滑移等过程关联。对于混凝土等复合材料，可将界面过渡区与骨料分布或强度分布相互关联，从而描述混凝土在非均匀构型下的动态特征。

　　近年来，姚小虎教授课题组围绕非晶合金、高熵合金等无序合金在极端服役环境下的动态力学行为及其塑性变形机制开展了系统的研究工作，目前已在JMPS、IJP、Acta Materialia、Carbon、IJIE、CSTE、MSEA、JAP、《固体力学学报》、《航空学报》、《爆炸与冲击》、《物理学报》等国内外著名学术刊物发表学术论文 250 余篇，累计引用2300余次。

　　*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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