访谈掠影
2019年12月31日上午10:30，由力学技术研究院开展的力学家访谈，在IMT行政办公室进行。本期访谈的嘉宾是中国力学学会副理事长、中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室戴兰宏研究员。IMT研究生代表参与了本次访谈。
力学家访谈想法源于对广大力学家致敬，本系列访谈聚焦力学方向，对各大杰出的力学家发出邀请。各力学大师，在“力学家访谈”中分享自己的学术成果、科研心得、新思想，以此增强学生的科研能力，迸发出激情。
本次访谈，学生主要以戴兰宏研究员报告主题“金属高速切削剪切带”为采访重点。采访内容如下：
问：金属在高应变速率条件下会产生绝热剪切带，您能介绍一下绝热剪切带是如何鉴定的以及它在实际问题中的应用吗？
答：
金属材料和其他材料在高速冲击下容易形成变形局部化的剪切带。一般认为金属在高速冲击条件下塑性功转化成的热能，由于时间短，热很难扩散出去，这个过程近似是绝热的，在此过程中形成的剪切带通常被认为是绝热剪切带。然而，实际上鉴别高速变形过程中形成的剪切带是否为绝热剪切带往往很困难。绝热剪切带本征上是因绝热软化克服应变硬化和应变率硬化而形成的。 因此，是否为绝热剪切带主要取决于该过程中材料塑性功转化成热的效率大小，通常称之为Taylor功热转化系数。这个系数取决于材料的结构、成分以及原子排列的序等等。另一方面，通过剪切带的厚度或宽度也可进行一定的判别。 通常绝热剪切带的厚度为微米到百微米，这个尺度主要由热扩散系数和变形时间确定。而在原子拓扑无序的非晶合金（金属玻璃）中形成的剪切带厚度只有几十纳米，这种类型剪切带形成的主控机制不是绝热软化而是自由体积软化，其厚度是由自由体积扩散系数和变形时间决定，自由体积扩散相比于热扩散很慢，因此其主导的剪切带厚度比绝热剪切带厚度小很多。但是，利用厚度鉴定并不是绝对的，有些材料体系中涌现的微米甚至几十微米尺度剪切带也可能不是热软化主控的绝热剪切带，我认为功热转换系数还是很关键的。剪切带在实际应用方面很广泛，例如在国防领域中，动能穿甲弹弹头处会不断产生绝热剪切，从而使头部维持“自锐”(self-sharpening),这可大大提升穿甲效率。对于实际应用来说，剪切带是把“双刃剑”，具有两面性。 一方面，剪切带往往是破坏的前兆，其形成容易导致材料破坏；另一方面，利用形成的多重交割的剪切带也可以提升材料的塑性，如非晶合金中的多重剪切带。如果我们能够搞清楚它的机理，就能够有效的预测它或者控制它。因此，剪切带问题研究不仅具有重要的学术意义也有十分重要的应用价值。
问：您系统地建立了非晶合金（金属玻璃）剪切带理论，您认为该理论最大的优势是什么以及该理论还会带来哪些更深远的影响？
答：
从力学角度看，我认为剪切带几乎是非晶合金材料的全部。因为这个材料无论在准静态还是动态冲击加载下，到处都会产生剪切带。如果是不受约束的加载，例如单向拉伸，就会产生一两根主要的剪切带，这一两根剪切带会快速扩展导致材料脆性破坏，这是很不好的现象。如果我们能够控制材料形成多重剪切带，比如网状剪切带，这样材料就可以产生较大的塑性变形。而非晶合金室温拉伸塑性较差，所以说研究非晶合金剪切带是很重要的。非晶合金剪切带的机理在国际上长期受到争论。一种观点认为该剪切带的形成机理如同传统的绝热剪切带，是由于材料的热软化主控的；另一种观点认为是由于材料中自由体积（或空位）的聚集引起的。从2002年开始，我们开展了大量的实验理论模拟工作，系统发展了一套理论，澄清了在非晶合金中剪切带形成到底是热软化主控还是自由体积软化主控的。我们揭示，非晶合金剪切带是由热和自由体积耦合软化推进的，但是自由体积软化主控。这套理论包括剪切带形成的判据、剪切带的厚度、多重剪切带的间距、剪切带的方向、剪切带诱致断裂等等。关于影响方面，我认为主要是澄清了广泛的争议，帮助大家逐渐认识到了非晶合金剪切带的形成并不是由热主导的，丰富了剪切带理论，从力学方面对非晶材料的设计及工程应用可提供帮助。
问：您认为非晶合金的发展还存在哪些机遇与挑战？
答：
剪切带研究是我最感兴趣的领域，还有很多问题亟待解决。我认为这些问题主要有两个方面。一方面，从源头上看不管是非晶合金还是晶态金属材料，在变形加载之前，材料中是没有微米或纳米尺度剪切带的。这种具有特征尺度的剪切带是材料系统在外载激励下非平衡演化而涌现的一类耗散结构。 我们希望从“源头上”，即从原子层面上去探寻它的形成演化物理图像。另一方面，将理论应用于工程设计还有很长的路要走。例如发展具有高剪切带敏感性的先进金属材料，形成复合材料，构造多重剪切带以提高材料塑性等等。
问：您对于我们土木背景下的力学学习者有什么科研上的建议吗？
答：
因为我不是土木专业的，所以只能大体上给你们一些建议。我们都知道，力学与土木、机械等学科紧密相关。力学作为一门基础科学，十分重要。学好力学，夯实基础，对你们很有帮助。
问：作为中国科学院优秀研究生指导教师奖的获得者，您认为研究生应该具备哪些优良的品质，当代研究生应该如何培养这些品质？
答：
我认为要想成为优秀的学生，以下三点是非常值得注意的。第一点，要有国家情怀。年轻一代的人现在说的少了，但是这一点很重要。我们这一代人耳濡目染了老一辈科学家们无私献身于祖国的建设。拥有国家情怀，你才能坚定自己的目标，拥有责任感。第二点，要有目标。有目标才有动力。无论本科生还是研究生，在求学的各个阶段都应该定好目标。这样才能在这个充满诱惑的世界中坚定前行，不被分心。第三点，要有深厚的基础。在从事科学研究后，我发现基础扎实对研究大有裨益。学生在学习的过程中不能只求一知半解，要多问为什么，刻苦钻研，夯实基础。
采访人：张 一
采访稿：陈品元
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