[论文解读] Ductile-to-brittle transition and yielding in soft amorphous materials: perspectives and open questions

Thibaut Divoux, Elisabeth Agoritsas+38 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2023

Rheology and Fluid Dynamics Studies被引用 2

一句话总结

本文综合了2023年洛伦兹中心关于软非晶态材料研讨会的见解，聚焦于形变下的延性-脆性转变与屈服行为。文章对实验、数值模拟与理论研究中的开放性问题进行了关键性综述，强调了微观结构演化、记忆效应，以及粘弹性与不可逆流动在凝胶、乳液和悬浮液等材料中的相互作用。

ABSTRACT

Soft amorphous materials are viscoelastic solids ubiquitously found around us, from clays and cementitious pastes to emulsions and physical gels encountered in food or biomedical engineering. Under an external deformation, these materials undergo a noteworthy transition from a solid to a liquid state that reshapes the material microstructure. This yielding transition was the main theme of a workshop held from January 9 to 13, 2023 at the Lorentz Center in Leiden. The manuscript presented here offers a critical perspective on the subject, synthesizing insights from the various brainstorming sessions and informal discussions that unfolded during this week of vibrant exchange of ideas. The result of these exchanges takes the form of a series of open questions that represent outstanding experimental, numerical, and theoretical challenges to be tackled in the near future.

研究动机与目标

• 识别并综合理解软非晶态材料屈服与延性-脆性转变过程中未解决的挑战。
• 探讨微观结构、历史依赖性与边界条件在这些材料力学响应中的作用。
• 弥合软物质流变学中实验观察、数值模拟与理论模型之间的差距。
• 突出在无序材料中流动停止后仍持续存在的记忆效应与老化现象。
• 通过在多尺度与多学科背景下提出关键开放性问题，为未来研究提供指导。

提出的方法

• 综合了2023年1月9日至13日在洛伦兹中心举行的一周研讨会期间的头脑风暴会议与非正式讨论的见解。
• 回顾了关于软非晶态材料屈服与延性-脆性转变的现有实验、数值与理论研究。
• 重点关注具有无序、分级结构的材料，如乳液、凝胶、微凝胶及高浓度悬浮液。
• 强调非平衡动力学、老化与时间依赖松弛在粘弹性固体中的作用。
• 识别出制备历史、边界条件与约束几何结构等关键变量，这些变量对转变行为具有决定性影响。
• 将发现整理为一套结构化的开放研究问题，而非提出单一理论框架或模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 微观结构特征与制备工艺在多大程度上影响软非晶态材料的延性-脆性转变？
• RQ2 先前流动历史带来的记忆效应在流动停止后在多大程度上决定材料的力学响应？
• RQ3 分级结构与长程相互作用在无序材料屈服转变中起什么作用？
• RQ4 边界条件与约束几何结构如何改变屈服转变的性质？
• RQ5 需要何种理论与计算框架来描述屈服前后的非平衡动力学？

主要发现

• 软非晶态材料的屈服转变对制备历史、微观结构与边界条件高度敏感，导致其表现出可变的延性或脆性行为。
• 流动停止后记忆效应依然存在，显著改变材料的力学性能，表明这些系统中存在非马尔可夫动力学。
• 老化与缓慢松弛过程导致系统无法完全达到平衡，从而引起时间依赖模量与复杂的流变响应。
• 剪切作用下从固体到液体的转变并非普适，而是取决于势垒能、结构松弛与外部加载协议之间的相互作用。
• 目前仍缺乏统一的理论框架来描述无序材料屈服前的非平衡动力学。
• 主要挑战包括建立屈服过程中微观结构演化的预测模型，以及量化分级结构在转变行为中所起的作用。