从各类玻璃到非晶合金，从无定形碳到颗粒材料，拓扑无序固体在自然和科技领域无处不在。由于晶体学缺陷（如位错等）无法定义，无序结构塑性变形的载体被称为“剪切转变”，属于原子或颗粒以局域团簇模式的协同剪切重排事件。“剪切转变”作为构建无序固体本构的核心机制，其几何和变形特征还缺乏基本的认知。力学所团队结合原子尺度模拟和Eshelby夹杂理论，实现了对“剪切转变”基本特征的统计分析。相关成果近日以“Eshelby-inclusion characteristics of shear rearrangements in amorphous solids”为题发表在《Physical Review E》。

研究团队以原子模拟的Cu₅₀Zr₅₀非晶合金为无序固体模型体系，通过开展无热准静态剪切获得了一系列塑性事件。为了从塑性事件中识别出独立的“剪切转变”，研究团队提出了几何和力学联合准则，从而有效消除了局部涨落的影响，同时显著提升统计分析的可靠性。通过Eshelby夹杂理论对“剪切转变”应变场的空间关联分析，发现“剪切转变”的有效半径、本征应变和剪胀因子具有较宽的概率分布，存在明显的非均匀性和各向异性。在统计学意义上，“剪切转变”的几何构型近似为球体，其平均半径约为原子直径的1.5倍。除宏观加载方向外，“剪切转变”其它方向的本征应变均服从高斯分布。研究还发现，“剪切转变”的本征剪切变形远小于传统认知；体积变形可表现为膨胀或压缩两种模式，且前者略占优势。上述得到的“剪切转变”基本特征信息，为建立联系宏微观的无序固体介尺度本构提供了关键依据。

第一作者为力学所特别研究助理段军博士后，通讯作者为蒋敏强研究员。该研究得到了NSFC青年科学基金项目（A类）、卓越研究群体项目（A类）和重点国际合作研究项目等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/fjy9-d1zj

图：剪切转变的应变关联场比较，（左）原子尺度模拟结果，（右）基于Eshelby夹杂理论的重构结果

图：“剪切转变”本征体应变（a）和Mises应变（b）的概率分布