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，力學所研究團隊采用分子動力學模擬結合理論分析，實現了對珠光體鋼沖擊能量耗散的定量表征，相關成果以“Energy dissipation in pearlitic steel under impact loading”為題發表在Acta Materialia。
 

　　珠光體鋼作為結構材料廣泛應用于各類工程裝備，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計與服役安全評估至關重要。然而，材料的動態沖擊過程遠比其(準)靜態復雜。沖擊加載通常引起材料內部孔洞、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。
 

　　為攻克該挑戰，力學所研究團隊發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構相關的兩部分，前者起主導作用。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93%，與鋼的塑性功轉熱系數(Taylor-Quinney coefficient)相當。由層裂引起的結構耗散在總耗散中的占比至多5%，而位錯和剪切帶等其它結構耗散之和不超過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。耗散相對輸入能量的占比與沖擊速度反相關，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方法，尤其關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構冷功之間的分配，為防護及能量耗散工程結構的優化設計提供了理論支撐。
 

　　第一作者為力學所王軍副研究員，通訊作者為蔣敏強研究員。該研究得到了中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃“多層級沖擊損傷超時空分辨成像”，基金委基礎科學中心項目“非線性力學的多尺度問題”，中國科學院B類先導專項“超常環境多尺度力學”等資助。
 

圖1. (a)珠光體鋼原子尺度結構模型；(b)熱和結構耗散占比與沖擊速度的關系
 

圖2. 能量耗散的(a)絕對值和(b)占比與沖擊速度關系