[论文解读] Deformation and flow of amorphous solids: An updated review of mesoscale elastoplastic models

Alexandre Nicolas, Ezequiel E. Ferrero+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2017

Material Dynamics and Properties参考文献 364被引用 451

一句话总结

本综述更新了非晶固体的介观弹塑性模型（EPMs），将其框架化为由介观块体组成的集合，这些块体在屈服前经历弹性形变，随后触发局部化、各向异性的塑性事件。主要贡献在于对EPMs在应变局域化、临界屈服行为、雪崩统计及流变学方面见解的全面整合，凸显其作为理解无序材料非平衡动力学的统一理论框架的作用。

ABSTRACT

The deformation and flow of disordered solids, such as metallic glasses and concentrated emulsions, involves swift localized rearrangements of particles that induce a long-range deformation field. To describe these heterogeneous processes, elastoplastic models handle the material as a collection of 'mesoscopic' blocks alternating between an elastic behavior and plastic relaxation, when they are too loaded. Plastic relaxation events redistribute stresses in the system in a very anisotropic way. We review not only the physical insight provided by these models into practical issues such as strain localization, creep and steady-state rheology, but also the fundamental questions that they address with respect to criticality at the yielding point and the statistics of avalanches of plastic events. Furthermore, we discuss connections with concurrent mean-field approaches and with related problems such as the plasticity of crystals and the depinning of an elastic line.

研究动机与目标

• 整合并更新非晶固体（如金属玻璃和乳液）介观弹塑性模型（EPMs）的理论框架。
• 利用EPMs阐明无序材料中应变局域化、蠕变及稳态流变学的物理机制。
• 研究屈服转变处的临界行为，包括雪崩统计特性及其与钉扎和平均场理论的关联。
• 识别EPMs在活性物质、老化及断裂力学中尚未解决的问题与新兴应用。
• 将理论模型与实验及模拟数据相衔接，特别是应力骤降分布与示踪粒子扩散的结果。

提出的方法

• 将非晶固体建模为具有局部弹性响应的介观块体网络，当应力超过局部屈服阈值时发生塑性松弛。
• 通过弹性传播器（如点源法、弹簧网络或有限元方法）实现各向异性的应力重分布，以模拟长程弹性耦合。
• 采用平均场近似（均匀、随机或重尾应力重分布）研究机械噪声与稳定性。
• 应用标度分析与重整化技术，探索屈服转变附近的临界指数与普适类。
• 将EPM预测与分子动力学模拟、胶体玻璃实验以及纤维束模型和钉扎系统等相关模型结果进行比较。
• 引入时间依赖性实验协议（如蠕变、振荡剪切），以研究老化、松弛及瞬态异质性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非晶固体中的局部塑性事件如何导致长程应力重分布与应变局域化？
• RQ2 屈服转变处的临界行为由什么决定？EPM中的雪崩统计特性与钉扎或沙堆模型中的表现有何异同？
• RQ3 EPM在多大程度上能准确预测稳态流变行为，尤其是在低剪切速率和无热条件下的表现？
• RQ4 初始条件、老化及剪切再激活如何影响永久剪切带的形成？
• RQ5 EPM能否扩展用于描述活性物质系统（如具有细胞分裂与凋亡的活体组织）中的塑性事件？

主要发现

• 弹塑性模型通过局部化、各向异性的应力重分布，成功捕捉了非晶固体中塑性流动的异质性与间歇性特征。
• 在屈服点附近，EPM中的雪崩统计表现出大小与持续时间的幂律分布，其临界指数对模型简化具有鲁棒性，且对惯性效应不敏感。
• 在特定条件下，流动转变可能为不连续，流动与非流动状态共存，这一现象在振动颗粒介质实验中已被观测到。
• 平均场近似（尤其是Hébraud-Lequeux模型）能较好描述机械噪声，但因弹性传播器非均匀性与软模的存在，仍存在偏差。
• EPM在蠕变与老化过程中对初始条件表现出强敏感性，近期模拟揭示了依赖于初始稳定性的长时间松弛动力学。
• 与钉扎转变的关联表明存在共享的临界行为，但EPM中部分负值弹性传播器的存在可能导致不同的普适类，尤其在有效维度较低时更为显著。