npj: 揽瓷器活的金刚砧—需要承受多少委屈？

来源：知社学术圈

静态高压研究中，兆伏压力是由金刚石砧座单元（DAC）中的两颗金刚石对稀薄样品的压缩而产生的。这一过程伴随着样品的大塑性变形和金刚石的大弹性变形。对诸如物理、化学、地质和机械现象的研究，样品中新相合成的研究，以及可实现的压力上限的不断突破，等诸多问题都与对DAC中应力、弹性和塑性应变张量的所有分量领域的认识有关。

尽管大多数测量和讨论仅与压力有关，但很明显，金刚石的弹性变形和断裂以及样品和垫片的塑性流动取决于应力张量的所有分量。金刚石与样品/垫片之间的接触摩擦在产生高压而不使金刚石破裂的过程中起着关键作用。摩擦力是一种剪切应力，它取决于垂直于接触表面的应力。众所周知，固体中的相变和化学反应不仅取决于压力，而且还取决于偏应力和塑性应变。但这些力和应变在DAC中却无法测量。

来自美国爱荷华州立大学航空航天工程和机械工程系的Valery I. Levitas教授团队提出了一种新颖的实验-理论-计算耦合方法，这一方法可使用已知实验数据来构建模型，从而提取有关弹塑性和摩擦方式的完整信息，以及提取金刚砧单元（diamond anvil cells）中的材料在受极端压力时的各种复杂张量场的完整信息。，采用本方法优化、校准和验证了任意样品的弹塑性行为模型及钨（W）样品可高达400 GPa的接触摩擦，重建了W和金刚石中的应力和大塑性应变张量的所有分量场。该研究除了获取屈服强度和摩擦的压力依赖性定量信息、高阶弹性常数的定量信息外，还揭示了极大应变和压力下，弹塑性行为的一些共同特性：

尽管人们已普遍认定应变会导致各向异性、应变硬化和路径相关的塑性，但大塑性应变之后的W却表现为各向同性，且未表现出应变硬化和路径依赖。

尽管样品厚度达μm级、应力可达5 GPa /μm和塑性应变梯度巨大，但样品的弹塑性特性却具有非尺度依赖性。

这两种性能都极大地简化了可塑性理论和极端条件下的测量。该研究在塑性方面的发现还暗示了在这种极端载荷下塑性摩擦的重要特性：塑性摩擦与塑性应变、塑性应变路径和尺寸毫无关联。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 94 (2019)，英文标题与摘要如下。

Tensorial stress−strain fields and large elastoplasticity as well as friction in diamond anvil cell up to 400 GPa

Valery I. Levitas, Mehdi Kamrani & Biao Feng 

Various phenomena (fracture, phase transformations, and chemical reactions) studied under extreme pressures in diamond anvil cell are strongly affected by fields of all components of stress and plastic strain tensors. However, they could not be measured. Here, we suggest a coupled experimental−theoretical−computational approach that allowed us (using published experimental data) to refine, calibrate, and verify models for elastoplastic behavior and contact friction for tungsten (W) and diamond up to 400 GPa and reconstruct fields of all components of stress and large plastic strain tensors in W and diamond. Despite the generally accepted strain-induced anisotropy, strain hardening, and path-dependent plasticity, here we showed that W after large plastic strains behaves as isotropic and perfectly plastic with path-independent surface of perfect plasticity. Moreover, scale-independence of elastoplastic properties is found even for such large field gradients. Obtained results open opportunities for quantitative extreme stress science and reaching record high pressures.