【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】如何確定外部載荷施加能量在材料中的耗散模式是固體力學(xué)的一個基本問題，最早可追溯到1925年G.I. Taylor等對金屬變形熱和冷功的研究。近日，力學(xué)所研究團(tuán)隊采用分子動力學(xué)模擬結(jié)合理論分析，實現(xiàn)了對珠光體鋼沖擊能量耗散的定量表征，相關(guān)成果以“Energy dissipation in pearlitic steel under impact loading”為題發(fā)表在Acta Materialia。
珠光體鋼作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于各類工程裝備，如大型艦船上的攔阻鋼索、大跨度橋梁懸索等。在沖擊載荷作用下，量化各種能量耗散機制對于珠光體鋼的材料設(shè)計與服役安全評估至關(guān)重要。然而，材料的動態(tài)沖擊過程遠(yuǎn)比其(準(zhǔn))靜態(tài)復(fù)雜。沖擊加載通常引起材料內(nèi)部孔洞、裂紋、位錯、剪切帶、絕熱溫升等一系列微觀事件，在極短時間和受限空間內(nèi)的非線性演化。因此，如何量化沖擊能量在各種耗散機制間的分配極具挑戰(zhàn)。
為攻克該挑戰(zhàn)，力學(xué)所研究團(tuán)隊發(fā)展了珠光體鋼的原子尺度沖擊加載模型，建立了沖擊過程的能量、動量守恒方程。研究表明，珠光體鋼在沖擊加載條件下的能量耗散可分為熱和結(jié)構(gòu)相關(guān)的兩部分，前者起主導(dǎo)作用。在純彈性變形情況下，能量耗散100%為熱的形式。在塑性變形情況下，熱耗散仍高達(dá)93%，與鋼的塑性功轉(zhuǎn)熱系數(shù)(Taylor-Quinney coefficient)相當(dāng)。由層裂引起的結(jié)構(gòu)耗散在總耗散中的占比至多5%，而位錯和剪切帶等其它結(jié)構(gòu)耗散之和不超過2%。耗散的能量在彈性變形時與沖擊速度的平方成正比，而在塑性變形時與其線性相關(guān)。耗散相對輸入能量的占比與沖擊速度反相關(guān)，塑性機制激活后可短暫提升耗散占比。但由于塑性機制在受限空間迅速達(dá)到飽和，因而不改變耗散占比隨沖擊速度升高而衰減的總體趨勢。該研究提出了一種量化沖擊加載條件下能量耗散的系統(tǒng)方法，尤其關(guān)注能量耗散在絕熱溫升和以孔洞、層裂、位錯、孿晶界以及剪切帶為代表的結(jié)構(gòu)冷功之間的分配，為防護(hù)及能量耗散工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論支撐。
第一作者為力學(xué)所王軍副研究員，通訊作者為蔣敏強研究員。該研究得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃“多層級沖擊損傷超時空分辨成像”，基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目“非線性力學(xué)的多尺度問題”，中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項“超常環(huán)境多尺度力學(xué)”等資助。
圖1. (a)珠光體鋼原子尺度結(jié)構(gòu)模型；(b)熱和結(jié)構(gòu)耗散占比與沖擊速度的關(guān)系
圖2. 能量耗散的(a)絕對值和(b)占比與沖擊速度關(guān)系
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