陈艳:剪切带的奥秘
编者按：力学研究所非线性力学国家重点实验室的戴兰宏研究团队，历经十余年的实验和理论研究，系统建立了包含热/自由体积等多过程耦合与时空多尺度的剪切带新理论，揭示出纳米尺度结构非均匀可诱导自由体积聚集主控的结构软化剪切带新机制，得到了剪切带失稳判据、协同演化、特征厚度以及诱致断裂机理等一系列原创性成果。因而获得了2020年度国家自然科学二等奖，并被评选为力学所2021年度“十大亮点工作”之一。本文对此项工作做了较为全面的介绍。剪切带是什么? 简单地说，剪切带就是介质中剪切变形高度集中的局部化区域。那么，什么是“剪切变形”呢？咱们以一个杆件为例，当受到与杆件截面平行、相距很近、大小相等、方向相反的一对外力F作用时，以杆件横截面发生相对错动为主要特征的变形形式，称为剪切变形（图1）。
从本质上讲，剪切带是一类塑性变形失稳现象。所谓的“塑性变形”和人们熟知的“弹性变形”不同，是一种不可自行恢复的永久性变形，或者说，卸除载荷后工程材料及构件仍保留着的残余变形。所以，剪切带的出现往往是介质灾变破坏的前兆（图2）。
剪切带广泛存在于自然和工程领域，从地质岩石到工程材料，我们都能看到它们的身影。尽管剪切带现象具有普遍性，但在不同介质中剪切带的特征尺寸和形成演化机制却存在着本质差异。以剪切带的特征宽度为例，地质岩石中的剪切带特征宽度可以达到数米甚至到上千米（图3），传统晶态金属中的剪切带宽度大约在几微米至数百微米范围（图4），而对于非晶合金，其剪切带宽度仅为数十纳米（图5）。这些具有不同特征宽度的剪切带到底蕴藏着什么奥秘？百余年来，研究者们从未停止过探寻的脚步。剪切带问题不仅是力学及多学科交叉领域的重大前沿基础课题，同时，与空天、国防、高速制造等国家战略领域的先进材料、结构和装备发展的重大需求密切相关。
早在19世纪70年代，法国科学家H. Tresca在多种金属的锻造过程中发现了 “热线”（Heat lines），英国学者H.F. Massey于1921年再次报道了这一现象（图6），由此开启了剪切带研究的第一波热潮。1928年，俄国学者V.P. Kravz-Tarnavskii在钢的落锤冲击试验中首次明确观察到绝热剪切带。1944年, 两位美国学者C. Zener和J.H. Hollomon 基于钢的冲击实验所观察到的绝热剪切带现象，指出绝热温升导致应力-应变曲线斜率由正到负的改变，从而促使不稳定均匀塑性变形的发生，即剪切局部化。随后国内外研究者，针对绝热剪切带的形成与演化动力学，开展了大量的研究工作，取得了丰硕研究成果。历经一百多年的探索，在上世纪九十年代逐渐形成了以绝热软化为核心机制的热塑剪切带理论。然而，随着新材料的不断涌现和人们对自然界物质认识的不断深入，经典的热塑剪切带理论遇到了极大挑战。
随着我国现代化进程的不断推进，先进高强韧金属结构材料的匮乏极大地制约了我国重大安全战略和国民经济核心领域的创新发展。过去几十年，世界范围内为了突破传统金属材料强韧性不足的限制，相继提出了一系列强韧化途径，比如，以碳化物、氮化物等硬颗粒增强金属基体形成颗粒增强金属基复合材料，基于熔体玻璃态转变形成的非晶合金等（图7）。由于具有微米或纳米尺度的非均匀结构，这些先进金属材料在外部载荷尤其是冲击载荷作用下，其塑性变形极易局部化形成微米甚至纳米尺度的剪切带。由于不考虑材料内在的结构效应，众多具有微/纳尺度非均匀结构的新型金属材料的剪切带行为无法得到有效描述与预测。微/纳非均匀结构在这些金属材料剪切带行为中发挥怎样的作用？它们能否影响热塑剪切带的核心机制，即前述的“绝热软化”？要回答这些问题，必须打破传统认知，大胆假设，小心求证。中国科学院力学研究所戴兰宏研究员及其项目团队针对上述关键科学问题，开展了长期攻关，通过三代师生传承，突破和发展了经典热塑剪切带理论框架，攻克了非均匀金属结构材料的剪切带难题。
颗粒增强金属基复合材料具有较高的比刚度和比强度，以及良好的抗蠕变能力，因此在国防、空天、交通等领域广泛应用。大家知道，强度是指材料失效时单位面积所受的力，比强度则是材料强度与其密度的比值；而比刚度是材料的弹性模量（即应力与应变之比）与其密度的比值。由于增强颗粒与金属基体在热或力作用下存在显著的变形不协调，这类复合材料属于典型的细观非均质复相固体。因此，相对于传统的单相金属材料，颗粒增强金属基复合材料的塑性强化（即材料由于塑性变形导致强度升高的现象）以及局部剪切带理论更为复杂。其中，内在结构效应，尤其是增强颗粒特征尺寸的影响机制是关键，然而人们对此缺乏清晰的认识。自20世纪90年代起，力学所的项目研究团队针对该问题开展了系统的实验研究。在实验中发现，增强颗粒特征尺寸对复合材料的塑性变形具有“正、反”双重效应。“正”效应是：随着颗粒尺寸减小，复合材料的屈服和流动应力提高，显示出塑性强化作用；“反”效应是：随着颗粒尺寸减小，复合材料的塑性流动更容易局部化失稳，形成几十微米厚度的热塑剪切带（图8）。缺乏内在结构效应的经典热塑剪切带理论以及唯象高阶应变梯度理论均无法理解和表征上述观察到的颗粒尺寸效应。为此，项目团队建立了基于细观变形机制的复合材料应变梯度本构模型，通过发展计及应变梯度效应的热塑剪切带理论，揭示了应变梯度通过非均匀能量耗散驱动金属基复合材料热塑剪切带形成的新机制。
非晶合金（也称金属玻璃）是高温熔体深度过冷至玻璃态转变点，结构突然“冻结”而形成的一类完全不同于传统晶态合金的新型材料。这类材料的原子近邻排列有序，即具有短程序，但不存在长程周期性，且没有位错、晶界等传统意义上的晶体缺陷。这使得非晶合金力学性能的高强度、低延性矛盾突出，严重阻碍了这类新型材料的实际应用。导致这一矛盾的根本原因是这类原子无序材料的塑性变形极易局部化，形成纳米尺度的剪切带；剪切带的形成及快速扩展往往诱导材料发生宏观脆性断裂。国际上，关于非晶合金剪切带的物理起源长期以来存在两种具有尖锐争议的观点：一种是绝热软化观点，认为非晶剪切带仍然遵循经典的热塑剪切带机制；另一种则认为，非晶剪切带是非热的结构软化机制，源于内在纳米尺度非均匀结构在应力驱动下导致的自由体积局部聚集。项目团队经过十余年的实验和理论研究发现，这个争议长期未能解决的根源在于非晶合金剪切带涉及粘性扩散、热扩散、自由体积扩散、局部化剪切带形成与演化等多个速率过程；这些过程均具有各自的特征时间和空间尺度，且是高度非线性耦合的。基于这些认识，项目团队系统建立了包含热/自由体积等多过程耦合与时空多尺度的剪切带新理论，揭示出纳米尺度结构非均匀可诱导自由体积聚集主控的结构软化剪切带新机制，得到了剪切带失稳判据、协同演化、特征厚度以及诱致断裂机理等一系列原创性成果（图9）。
力学所研究团队给出的计及非均匀结构效应的金属材料剪切带研究成果得到了国际力学界S.P. Timoshenko奖、R. Hill奖获得者在内的诸多知名学者广泛引用和高度评价，被多篇权威综述期刊作为独立一节长篇幅专门介绍。同时，获得了国内外同行的实验证实与跟踪研究，澄清了长期广泛的国际学术争议。此外，还曾获得国际动态力学领域杰出成就奖“John S. Rinehart奖”1项，英国麦克斯韦青年作者奖1项。应用这些成果，项目团队设计研制了新概念非晶合金梯度复合Whipple空间防护结构和高剪切自锐新型钨高熵合金（图10），它们在空天和国防领域均具有重要应用价值。该项目成果获2020年度国家自然科学奖二等奖（获奖人：戴兰宏、白以龙、蒋敏强、刘龙飞、陈艳）。
回首剪切带研究的百年历程，在几代研究者们坚持不懈的努力下，对剪切带问题的认知越来越丰满，我们也逐渐学会在一定程度上调控、抑制和利用剪切带，使它为我们所用，服务于国家需求。然而，剪切带涌现和演化是一个多时空尺度关联、多过程耦合的高度非线性问题，还有很多未知的奥秘等待我们去探索。
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