固体力学中的非平衡热力学

固体被驱动超过其弹性极限表现出强烈的耗散和不可逆的动力学行为。这些行为要求发展超越标准平衡热力学的非平衡方法。在最近的一项工作中，我们开发了一种内部变量，有效温度非平衡热力学，用于玻璃形成和多晶材料受外力影响而偏离热力学平衡[1,2]。基本思想是，这种材料的慢构型(结构)自由度与快运动学-振动自由度弱耦合，因此这两个子系统可以用变形过程中的不同温度来描述。构型子系统由组成原子的机械稳定位置定义，即“固有结构”，并以有效温度为特征。运动-振动分系统由动量和原子在远离其稳定位置的小距离处的位移定义，并由浴温表征。

在玻璃形成材料中，构型自由度包括结构对象，如剪切-变形区(STZ)和空洞样缺陷。在多晶材料中，结构自由度包括间隙、位错、位斜、层错和晶界等结构缺陷。配置子系统的连续级描述包含粗粒度的内部变量，这些变量是解释演化结构对各种宏观力学性能影响的状态变量。我们强调需要理解能量和熵是如何被系统的不同组成部分共享的，并使用热力学第一和第二定律来约束内部变量和有效温度的运动方程。

提出的框架应以描述具体现象和系统的基于物理的模型作为补充。它最近被应用于三个不同的问题:

A.非晶态材料[3]的塑性变形。

该理论基于剪切-转换区(STZ)模型，该模型已被证明符合广泛的非晶塑性现象，包括剪切带不稳定性。

B.多晶材料[4]的位错介导塑性和应变硬化。

结果表明，该理论与Cu在较宽温度和应变速率范围内的应变硬化实验数据相一致。此外，预测了II阶段和III阶段硬化之间的过渡，包括观察到这种过渡发生在较小应变的高温下。最后解释了强激波区的幂律速率硬化现象。

C.玻璃状聚合物[5]中的热机械记忆效应。

记忆效应，即所谓的“科瓦奇效应”，揭示了玻璃材料的一些最微妙和最重要的非平衡特征，在这些特征中，玻璃材料会不可逆地变形，并记住它们的热机械历史。结果表明，所建立的理论与广泛的邻三苯(OTP)分子动力学模拟具有很好的定量一致性。

E. Bouchbinder和J.S. Langer，驱动非晶态材料的非平衡热力学：内自由度与体积变形，理论物理。修订版E 80, 031131 (2009)．

E. Bouchbinder和J.S. Langer，驱动非晶态材料的非平衡热力学2:有效温度理论，理论物理。修订版E 80, 031132 (2009)．

E. Bouchbinder和J.S. Langer，驱动非晶态材料的非平衡热力学III:剪切-变形-区域塑性，理论物理。修订版E 80, 031133 (2009)．

j·s·兰格，e·布奇宾德，t·洛克曼，位错介导塑性的热力学理论，arXiv: 0908.3913 (2009)．

E. Bouchbinder和J.S. Langer，科瓦奇效应的非平衡热力学，arXiv: 1001.3701 (2010)．