金属的高阶弹性失稳：从原子到连续介质层面

基于应变的弹性失稳理论被广泛用于研究晶体中塑性的起始、相变或熔化。而在纳米材料或动态载荷下固体中观察到的尺寸效应，需要考虑应变梯度的贡献。然而，基于应变梯度的弹性失稳高阶弹性理论尚未很好建立，从而无法直接在原级（原子层面）预测固体的高阶失稳。本工作中，建立了一个高阶弹性失稳的通用连续介质理论，并通过在原子层面发展等价描述予以论证。我们的结果表明，由应变或应变梯度引发的固体力学失稳，由一个包含应变或应变梯度相关弹性常数的简单稳定性条件决定。借助高阶弹性的原子层面描述，应变梯度弹性常数可直接通过分子静力学程序获得，并作为稳定性条件的输入。以此方式，预测了三种金属即铜、铝和铁的力学失稳。另外，采用非平衡分子动力学 (NEMD) 模拟的斜坡压缩技术来研究这三种金属的高阶失稳。预测的失稳起始临界应变与所有金属的NEMD模拟结果吻合良好。由于所建立的高阶弹性理论的唯一输入与原子模拟相同，即原子的势和固体结构，该理论至少对晶体完全等价于基于经验势的原子模拟方法。