力学-化学失稳分解：多组分结晶固体相变的现象学理论

我们提出了一种现象学处理方法，用于研究多组分结晶固体中由力学和化学变量的非凸自由能引起的扩散驱动的马氏体相变。该处理方法描述了伴随晶体晶胞对称性破缺结构变化的扩散相变，并揭示了力学-化学失稳线（mechano-chemical spinodal）的重要性，其定义为应变-成分空间中自由能密度函数为非凸的区域。该方法适用于结构序参量可以表示为相对于高对称参考晶体的应变线性组合的相变。通过考虑由快速变化的应变场和成分场的梯度产生的界面能，从自由能密度函数变分推导出了描述力学-化学失稳分解的支配方程。我们提出了一个稳健的计算框架，用于处理耦合的高阶扩散和非线性应变梯度弹性问题。由于非均匀相变微结构中的局部应变可能是有限的，弹性问题必须考虑几何非线性。对现有实验相图和第一性原理自由能的评估表明，力学-化学失稳分解应发生在诸如 ZrH$_{2-2c}$ 的金属氢化物中。通过几个二维和三维数值算例探讨了随之产生的丰富物理现象，并在锂离子电池重要电极材料和高温陶瓷的背景下讨论了该机制的相关性。