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类固态颗粒物质的剪切弹性行为测量

颜细平 彭政 何菲菲 蒋亦民

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类固态颗粒物质的剪切弹性行为测量

颜细平, 彭政, 何菲菲, 蒋亦民

Measurement of shear elasticity of granular solid

Yan Xi-Ping, Peng Zheng, He Fei-Fei, Jiang Yi-Min
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  • 利用能以极慢变形率直接剪切颗粒固体的实验装置, 测量了(玻璃珠)样品对大幅度循环剪切的力-位移曲线, 以及一个循环周期后的塑性位移残留. 发现随着循环频率的降低, 样品会从有限塑性残留的弹塑行为转变到几乎没有塑性的纯弹性行为, 同时伴随有率相关性. 该转变在剪切力幅度高达样品破坏值的90%时依然存在, 但需要极小的变形率(10-5 Hz)或惯性数(10-8). 这意味着无论是高频小幅度的声波扰动, 还是极低频大幅度的直接剪切, 静态颗粒固体都可做出纯弹性的力学响应. 在足够慢的状态变化范围里, 它仍是属于经典弹性理论范畴的一类材料. 这个弹性区域一直未被报道和关注, 可能是观测它时需要样品的变形率远比通常此类研究中所采用的慢变形还要小许多(大约两个数量级)的缘故. 理论上本文测量结果支持描述颗粒固体宏观动力学的基本方程组, 不能只有弹塑和率无关行为, 它们必须在极慢变形极限下退化为经典弹性理论, 并且在这个转变过程中表现出率相关特性.
    Using a direct shear-box capable of very low shearing rate, we measure the force-displacement curve of cyclic, large-amplitude shear, and also the total plastic displacement residual after each cycle, for samples of glass beads. As the shear rate decreases, we observe a transition from normal, elastoplastic behavior to pure elastic behavior, with reducing residual, or total plastic, displacement after each cycle. Remarkably, this transition is also observed for large amplitude of the cyclic shear, up to 90% of the failure value. The force-displacement relation is necessarily rate-dependent during this transition. These experimental results demonstrate that granular solids may respond in a purely elastic manner, both for low amplitude force oscillations of high frequencies (such as sound) and for large amplitude ones of low frequencies, implying that the granular matter has a purely elastic regime, in which the theory of elasticity holds fully true. This regime has been overlooked in the literature, probably because its deformation rate is nearly two orders of magnitude lower than those typically used. Theoretically, the present measurements support granular solid hydrodynamics, or the fact that strong deviation from elastoplastic dynamics and rate independence take place in the low frequency limit, with a rate-dependent transition to the classic theory of elasticity.
      通信作者: 彭政, zpeng@csu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 10904175, 11274390) 资助的课题.
      Corresponding author: Peng Zheng, zpeng@csu.edu.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10904175, 11274390).
    [1]

    Landau L D, Lifshitz E M 1986 Theory of Elasticity (New York: Pergamon Press)

    [2]

    Zhang Q, Li Y C, Hou M Y, Jiang Y M, Liu M 2012 Phys. Rev. E 85 031306

    [3]

    BonneauL, Andreotti B, Clment E 2008 Phys. Rev. Lett. 101 118001

    [4]

    BonneauL, Andreotti B, Clment E 2007 Phys. Rev. E 75 016602

    [5]

    Jia XCaroli CVelicky B 1999 Phys. Rev. Lett. 82 1863

    [6]

    Wittmer J, Claudin P, Cates M, Bouchaud J 1996 Nature 382 336

    [7]

    Sun Q C, Hou M Y, Jin F 2011 Physics and Mechanics of Granular Materials (Beijing: Sciencs Press) (in Chinese) [孙其诚, 厚美瑛, 金峰 2011 颗粒物质物理与力学(北京:科学出版社)]

    [8]

    Wichtmann T 2005 Ph. D. Dissertation (Bochum: Ruhr-University Bochum)

    [9]

    Schwedes J 2003 Granular Matter 5 1

    [10]

    AgnolinI, Roux J N 2007 Phys. Rev. E 76 061304

    [11]

    Laughlin R B, Pines D 2000 Proc. Natl. Acad. Sci. 97 28

    [12]

    Laughlin R B 2004 A Different Universe (Changsha: Hunan Science and Technology Press) (in Chinese) [王文浩 译 2008 不同的宇宙 (长沙: 湖南科学技术出版社)]

    [13]

    Makse H A, Gland N, Johnson D L, Schwartz L 2004 Phys. Rev. E 70 061302

    [14]

    Mayer M, Liu M 2010 Phys. Rev. E 82 042301

    [15]

    Zheng H P, Jiang Y M, Peng Z, Fu L P 2012 Acta Phys. Sin. 61 214502 (in Chinese) [郑鹤鹏, 蒋亦民, 彭政, 符力平 2012 物理学报 61 214502]

    [16]

    Jiang Y M, Liu M 2004 Phys. Rev. Lett. 93 148001

    [17]

    Jiang Y M, Liu M 2015 Eur. Phys. J. E 38 15

    [18]

    Chen Q, Wang Q H, Zhao C, Zhang Q, Hou M Y 2015 Acta Phys. Sin. 64 154502 (in Chinese) [陈琼, 王青花, 赵闯, 张祺, 厚美瑛 2015 物理学报 64 154502]

    [19]

    Ma Q W, Sandali Y, Zhang R N, Ma F Y, Wang H T, Ma S P, Shi Q F 2016 Chin. Phys. Lett. 33 038101

    [20]

    Alonso-Marroquin F, Herrmann H J 2004 Phys. Rev. Lett. 92 054301

  • [1]

    Landau L D, Lifshitz E M 1986 Theory of Elasticity (New York: Pergamon Press)

    [2]

    Zhang Q, Li Y C, Hou M Y, Jiang Y M, Liu M 2012 Phys. Rev. E 85 031306

    [3]

    BonneauL, Andreotti B, Clment E 2008 Phys. Rev. Lett. 101 118001

    [4]

    BonneauL, Andreotti B, Clment E 2007 Phys. Rev. E 75 016602

    [5]

    Jia XCaroli CVelicky B 1999 Phys. Rev. Lett. 82 1863

    [6]

    Wittmer J, Claudin P, Cates M, Bouchaud J 1996 Nature 382 336

    [7]

    Sun Q C, Hou M Y, Jin F 2011 Physics and Mechanics of Granular Materials (Beijing: Sciencs Press) (in Chinese) [孙其诚, 厚美瑛, 金峰 2011 颗粒物质物理与力学(北京:科学出版社)]

    [8]

    Wichtmann T 2005 Ph. D. Dissertation (Bochum: Ruhr-University Bochum)

    [9]

    Schwedes J 2003 Granular Matter 5 1

    [10]

    AgnolinI, Roux J N 2007 Phys. Rev. E 76 061304

    [11]

    Laughlin R B, Pines D 2000 Proc. Natl. Acad. Sci. 97 28

    [12]

    Laughlin R B 2004 A Different Universe (Changsha: Hunan Science and Technology Press) (in Chinese) [王文浩 译 2008 不同的宇宙 (长沙: 湖南科学技术出版社)]

    [13]

    Makse H A, Gland N, Johnson D L, Schwartz L 2004 Phys. Rev. E 70 061302

    [14]

    Mayer M, Liu M 2010 Phys. Rev. E 82 042301

    [15]

    Zheng H P, Jiang Y M, Peng Z, Fu L P 2012 Acta Phys. Sin. 61 214502 (in Chinese) [郑鹤鹏, 蒋亦民, 彭政, 符力平 2012 物理学报 61 214502]

    [16]

    Jiang Y M, Liu M 2004 Phys. Rev. Lett. 93 148001

    [17]

    Jiang Y M, Liu M 2015 Eur. Phys. J. E 38 15

    [18]

    Chen Q, Wang Q H, Zhao C, Zhang Q, Hou M Y 2015 Acta Phys. Sin. 64 154502 (in Chinese) [陈琼, 王青花, 赵闯, 张祺, 厚美瑛 2015 物理学报 64 154502]

    [19]

    Ma Q W, Sandali Y, Zhang R N, Ma F Y, Wang H T, Ma S P, Shi Q F 2016 Chin. Phys. Lett. 33 038101

    [20]

    Alonso-Marroquin F, Herrmann H J 2004 Phys. Rev. Lett. 92 054301

  • [1] 薛晓丹, 王美丽, 邵雨竹, 王俊松. 基于抑制性突触可塑性的神经元放电率自稳态机制. 物理学报, 2019, 68(7): 078701. doi: 10.7498/aps.68.20182234
    [2] 赵子渊, 李昱君, 王富帅, 张祺, 厚美瑛, 李文辉, 马钢. 玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为研究. 物理学报, 2018, 67(10): 104502. doi: 10.7498/aps.67.20172772
    [3] 殷建伟, 潘昊, 吴子辉, 郝鹏程, 胡晓棉. 爆轰加载下弹塑性固体Richtmyer-Meshkov流动的扰动增长规律. 物理学报, 2017, 66(7): 074701. doi: 10.7498/aps.66.074701
    [4] 宗谨, 周志刚, 王文广, 张晟, 林平, 石玉仁, 厚美瑛. 颗粒固体应力转向比的光弹法探测. 物理学报, 2017, 66(10): 104501. doi: 10.7498/aps.66.104501
    [5] 袁晨晨. 金属玻璃的键态特征与塑性起源. 物理学报, 2017, 66(17): 176402. doi: 10.7498/aps.66.176402
    [6] 任国武, 张世文, 范诚, 陈永涛. 预应力对多晶铁冲击行为影响的微观模拟研究. 物理学报, 2016, 65(19): 196203. doi: 10.7498/aps.65.196203
    [7] 金鑫鑫, 金峰, 刘宁, 孙其诚. 准静态颗粒介质的弹性势能弛豫分析. 物理学报, 2016, 65(9): 096102. doi: 10.7498/aps.65.096102
    [8] 刘磊, 陈铮, 王永欣. 合金沉淀颗粒劈裂的模拟研究(Ⅱ): 弹性能坍塌. 物理学报, 2015, 64(1): 016401. doi: 10.7498/aps.64.016401
    [9] 孙其诚, 刘传奇, 周公旦. 颗粒介质弹性的弛豫. 物理学报, 2015, 64(23): 236101. doi: 10.7498/aps.64.236101
    [10] 花世群, 骆英. 发光光弹性涂层折射率测量方法. 物理学报, 2013, 62(5): 057801. doi: 10.7498/aps.62.057801
    [11] 郑鹤鹏, 蒋亦民, 彭政, 符力平. 颗粒固体弹性势能的声波性质. 物理学报, 2012, 61(21): 214502. doi: 10.7498/aps.61.214502
    [12] 张炜, 陈文周, 王俊斐, 张小东, 姜振益. MnPd合金相变, 弹性和热力学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(24): 246201. doi: 10.7498/aps.61.246201
    [13] 杨则金, 令狐荣锋, 程新路, 杨向东. Cr2MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(4): 046301. doi: 10.7498/aps.61.046301
    [14] 张祺, 李寅阊, 刘锐, 蒋亦民, 厚美瑛. 直剪颗粒体系声波探测. 物理学报, 2012, 61(23): 234501. doi: 10.7498/aps.61.234501
    [15] 王娜, 唐壁玉. L12型铝合金的结构、弹性和电子性质的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(13): 230-S234. doi: 10.7498/aps.58.230
    [16] 何安民, 邵建立, 秦承森, 王裴. 单晶Cu冲击加载及卸载下塑性行为的微观模拟. 物理学报, 2009, 58(8): 5667-5672. doi: 10.7498/aps.58.5667
    [17] 王焕友, 曹晓平, 蒋亦民, 刘 佑. 静止颗粒体的应变与弹性. 物理学报, 2005, 54(6): 2784-2790. doi: 10.7498/aps.54.2784
    [18] 李正法, 张沛霖, 赵明磊, 王春雷, 钟维烈, 王增梅, 袁多荣. La3Ga5SiO14晶体的介电性质、弹性与压电性质. 物理学报, 2003, 52(3): 726-728. doi: 10.7498/aps.52.726
    [19] 陆鹏, 王耀俊. 考虑界面状况时柱状弹性固体的声波散射. 物理学报, 2001, 50(4): 697-703. doi: 10.7498/aps.50.697
    [20] 水嘉鹏, 刘咏松. 低频内耗测量时标准滞弹性固体的内耗行为. 物理学报, 1999, 48(4): 692-698. doi: 10.7498/aps.48.692
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-26
  • 修回日期:  2016-03-08
  • 刊出日期:  2016-06-05

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