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力學所在多晶材料內耗峰值的尺寸效應研究中取得進展

作者:魏宇傑 2020-10-20 16:54 來源:
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  振動的琴弦可持續很長時間,余音不絕,而某些材料在沒有外部激勵時則很快就停止振動,兩者的差異通常由材料內部的微觀結構-以及微觀結構的耗散導致,物理上稱之爲內耗。內耗指固體振動過程中的能量耗散,它表征材料的阻尼性能。晶界作爲多晶材料重要的內耗源,其力學弛豫會引起內耗。 

  我國科學家葛庭遂先生于1947年首創可以測量低頻內耗的“葛式扭擺”,在多晶鋁中發現了晶界內耗峰(又稱“葛式峰”,見圖1),並用晶界粘滯性滑動模型很好的給予了解釋,奠定了“滯彈性”這門學科的實驗基礎(Kê, Phys. Rev. 71 (1947) pp.533–546.)。此後,科研工作者們測量了許多多晶材料的內耗譜,但得到差異很大的實驗結果,其中有的材料並不出現晶界內耗峰,有的材料則出現多個晶界內耗峰。以往基于晶界粘性滑動假設的理論難以解釋這些實驗現象。 

  力學所非線性力學國家重點實驗室的科研團隊從微觀變形機理出發,就晶界中的粘彈性蠕變與擴散耦合,發展了用于描述晶界中粘彈塑性變形的數值方法來研究多晶體中晶界弛豫引起的內耗。通過建立圖2a所示的三維多晶模型,該團隊計算了其損耗模量頻率譜 (見圖2b),發現除了晶界切向應力的弛豫會導致損耗譜上産生耗散峰(“葛式峰”)外,晶界法向應力的弛豫也會引起耗散峰的出現。這一雙峰弛豫臨界頻率與晶粒尺寸d 具有不同的冪律關系(見圖2c),其中低頻峰臨界頻率正比于d ^-3,高頻峰臨界頻率正比于 d ^-1,同時研究了兩個耗散峰存在的條件,發現高頻的“葛式峰”由晶界的粘滯性滑移引起,低頻峰由晶界的法向弛豫導致。該工作對晶界內耗峰的物理機制的研究具有重要意義,同時也有利于研究地震波在多孔介質以及顆粒材料傳播過程中的衰減。 

  相關的研究成果以“Scaling of internal dissipation of polycrystalline solids on grain-size and frequency”爲標題發表于國際權威期刊Acta Materialia (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.004.)。力学所博士生段闯闯为論文第一作者。该科研工作得到国家自然科学基金委“非线性力学的多尺度问题研究”基础科学中心(Grants NO. 11988102 NO. 11790291),中國科學院先导专项(XDB22020200)以及複雜系統力學卓越創新中心的支持。 

1: (a) 葛庭遂先生; (b)葛式扭擺”,可以用于測量絲狀試樣的內耗和切變模量; (c)葛式峰”,在多晶鋁的內耗譜(內耗作爲溫度的函數)上發現了在單晶鋁上不存在的內耗峰。其中,(a) 取自Metallurgical and Materials Transactions A 30.9 (1999): 2267-2295,(b) (c) 來自葛庭燧. 固體內耗理論基礎:晶界弛豫與晶界結構. 北京大學出版社, 2014.

 

 

  2: 三維多晶的內耗峰尺寸效應:(a) Wigner-Seitz 模型; (b) 不同晶界體積分數 Φ 下的多晶体的损耗模量频率谱:这里高频峰对应于圖1(c) 中的“葛式峰”,由晶界的粘滯性滑動引起,而低頻峰則是新發現的耗散峰,由晶界的法向弛豫引起; (c) 兩個峰對應的臨界頻率值與晶界體積分數 Φ 的關系,注意晶界體積分數  Φ 與晶粒寸尺 d 成反比,因此低頻峰臨界頻率正比于 d ^-3,高頻峰臨界頻率正比于 d ^-1. 

 

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