颗粒材料：屈服、压缩、剪切和能量演化

 

非晶态材料通过快速淬火或致密化等过程从液态转变为固态。在外部载荷下，它们表现出屈服，与晶体相比，结构变化最小。然而，由于固有摩擦的复杂性增加，这些普遍特征很少在单颗粒实验中得到全面探索。屈服前后静态配置之间的明显差异在很大程度上没有得到解决，也缺乏从统计物理和力学角度的全面考察。为了解决这些差距，我们使用光弹性盘进行了实验，同时跟踪粒子和测量力。我们的研究结果表明，屈服转变从统计物理的角度来看表现出临界行为，从力学的角度来看则表现出边际稳定性，类似于各向同性干扰转变。这种临界性与无摩擦无定形固体中的旋节临界性有显著不同，突出了颗粒屈服的独特特征。此外，我们的分析通过评估接触数和弱力与小间隙之间的平衡，证实了颗粒屈服的边际稳定性。这些因素可作为屈服前后配置的结构性指标。我们的研究结果不仅有助于深化我们对颗粒材料基础物理的理解，而且对各个领域的实际应用也具有重要意义。

 

 

 

 

 

与大多数晶体固体相比，玻璃具有大量过量的低频振动模式。我们证明，这种特征是固体弱连通性的必然结果，并且过量模式的频率对压力非常敏感。我们特别分析了两个系统，其角频率振动模式的密度D显示出与堆积分数成比例的行为：i模拟了通过有限范围、纯排斥势相互作用的粒子堵塞堆积，由零温度下的弱压缩球体组成，ii模拟了一个具有相同接触网络的系统，但其中任何接触粒子之间的力以及总压力都设置为零。在这两种情况下，我们解释了观察到的D向非零常数收敛为→0，b出现低频截止*，c随着压缩而幂律增加*。这两个系统之间的差异发生在较低的频率上。修改后的系统的状态密度显示了一个突然的平台，出现在*处，低于该平台，我们预计系统将表现为一个正常、连续、有弹性的物体。在未修改的系统中，压力过度降低了模式的频率。尽管存在压力的失稳效应，但对稳定性的要求给出了每个粒子额外接触次数z:z p1/2的下限，这推广了存在压力时刚性的麦克斯韦准则。在模拟中观察到这种缩放行为。最后，我们讨论了冷却过程如何影响微观结构和法向模密度。

 

 

 

 

 

我们将可解析求解的平均场弹塑性模型与通用玻璃成型体的分子动力学模拟相结合，以证明根据其制备方案，非晶材料可以以两种定性不同的方式产生。我们发现，退火良好的系统以不连续的脆性方式屈服，就像金属和分子玻璃一样。在这种情况下，屈服对应于一阶非平衡相变。随着退火程度的降低，一阶特征变弱，过渡终止于随机场中伊辛模型普适性类的二阶临界点。对于退火效果较差的系统，屈服变成了一个平滑的交叉，代表了泡沫、乳液和胶体玻璃中普遍观察到的延性流变行为。我们的结果表明，在非晶材料中发现的屈服行为的多样性不一定是由粒子相互作用或微观动力学的多样性引起的，而是通过仔细考虑系统初始稳定性的作用而统一起来的。

 

 

 

扩展了最近对乳液的建模工作，我们提出了流动颗粒材料的非局部流动性关系，捕捉到了稳定流动中观察到的几个已知的有限尺寸效应。我们用流动性比表示局部巴格诺尔德型颗粒流动定律，然后用一个特定的拉普拉斯项对其进行扩展，该拉普拉斯项按粒度进行缩放。根据二维环形剪切的一系列现有离散元法数据集对所得模型进行了校准，结果表明，该模型正确地描述了由于粒度以及在缓慢流动区域中常见的速率无关现象导致的局部流变学的发散。然后将相同的定律应用于两个额外的非均匀流动几何形状，并将预测的速度分布与使用与以前相同的颗粒成分的相应离散元法模拟进行比较，在每种情况下都得到了良好的一致性。

 

 

 

在这里，我们展示了在缓慢剪切的光弹性圆盘层中粒子尺度能量波动ΔE的首次实验测量。从各向同性堵塞状态开始，施加剪切力会导致剪切引起的颗粒尺度能量的随机增强和减弱，其统计和动力学控制着宏观应力-应变曲线的演变。我们发现ΔE表现为类似温度的噪声场，在任何给定的剪切应变γ下都表现出一种新的玻尔兹曼型双指数分布。遵循软玻璃流变理论的框架，我们从能量波动的统计数据中提取了一个有效温度χ，将颗粒材料的缓慢启动剪切（剪切从各向同性堵塞状态开始）解释为一个“老化”过程：从1以下开始，χ随着γ的增加逐渐接近1，类似于自旋玻璃、热玻璃和大块金属玻璃。