2019年1月11日，物理學頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)在線報道了西北工業大學、北京理工大學（共同完成單位）聯合研究成果。在方岱寧院士、李玉龍教授的指導下，郭亞洲副教授（第一作者）、陳浩森副教授（共同通訊作者）、朱盛鑫博士和阮啟超碩士等開展了絕熱剪切帶的產生和溫度之間的因果關系研究 (Temperature Rise Associated with Adiabatic Shear Band: Causality Clarified)，這篇文章被主編選為" Editor’s Suggestion"。

該工作所采用的我國首臺線陣式高速紅外測溫儀器，由北理工陳浩森、方岱寧課題組經過近三年（2014-2016）的刻苦攻關自主研制；結合西工大郭亞洲、李玉龍課題組在沖擊動力學實驗技術領域的優勢，經過近兩年（2017-2018）的合作研究，率先設計建立了基于分離式霍普金森壓桿的同步高速紅外測溫/高速光學非接觸變形測量平臺，為本文的研究奠定了堅實基礎。據悉，該團隊正在自主研制有望達到國際領先水平的超高時空分辨面陣式紅外測溫科學儀器。

圖1 自主研制的我國首臺線陣式高速紅外測溫儀

在沖擊載荷下，絕熱剪切帶被認為是材料失效的重要機理之一。自從Zener和Hollomon提出絕熱剪切局部過程是一種熱-塑性失穩后，許多研究者認為絕熱剪切帶是由于材料熱軟化與應變/應變率硬化之間的競爭導致的。此外，剪切帶內的材料再結晶表明絕熱剪切帶形成伴隨著溫度上升。因此，目前大部分學者認為溫度上升是導致絕熱剪切帶形成的主要因素。然而，這一普遍接受的認識還未得到實驗驗證，主要由于兩方面難題亟待解決：一是絕熱剪切對測溫儀器提出“兩高一寬”的要求，即高時間分辨（微秒級）、高空間分辨（十微米級）、寬測溫區間（近千度）；另一方面，需要搭建微秒級同步紅外測溫和光學測變形的實驗平臺，才能揭示絕熱剪切帶形成和溫度升高兩者之間的因果關系。

本文通過基于分離式霍普金森壓桿的同步高速紅外測溫/高速光學非接觸變形場測量實驗平臺，研究了絕熱剪切局部化過程中載荷、變形和溫度之間的時間關系。絕熱剪切局部化過程可以通過對比獲得的載荷變化、變形過程和溫度變化等重要信息進行描述。該團隊采用壓剪試樣（Shear-compression specimen），材料為工業二級純鈦，在試樣標距段區域的一側表面刻畫柵線標記試樣的變形，并通過最高5百萬幀頻的高速相機記錄試樣的變形過程。高速紅外測溫系統包括一個紅外光學系統和8通道高速紅外探測器。探測器響應波段為1～5.5μm，響應時間小于1μs，單個探元尺寸為0.15mm×0.15mm，探元間距為0.05mm。

圖2 壓剪試樣的應力和溫度隨時間演化歷史

圖2給出試樣的應力和溫度隨時間演化歷史。試樣的變形可以分為三個階段: (1) 均勻變形，(2) 非均勻變形，(3) 剪切局部化。圖3給出三個階段的變形特征。柵線的不連續表明了剪切變形局部化過程。同時可以看出，在試樣達到最大應力時，試樣表面的柵線沒有出現不連續狀態，意味著沒有絕熱剪切帶的出現。而傳統觀點認為當應力達到最大值時，試樣內出現絕熱剪切帶。實驗結果與現有假設矛盾。

圖3 典型的剪壓試樣的變形過程

圖4給出了絕熱剪切局部化過程中典型事件發生時刻的相對關系。絕熱剪切帶的萌生時刻出現在最大應力時刻點之后。實驗結果意味著基于熱-塑性失穩的臨界準則預測的臨界剪切應變可能會偏小。絕熱剪切帶萌生時刻的溫度大約50-90?C，導致的應力下降30-54MPa。同時，變形區域的溫度分布表明材料沒有出現局部化的熱軟化。此外，由于應變率硬化使得材料的應力增大了50-60MPa。因此，熱軟化效應不足以促使應力的陡降或絕熱剪切帶的萌生。當絕熱剪切帶萌生后的30μs，溫度達到最大值。溫度的快速上升可以認為是絕熱剪切帶形成和傳播導致的。同時，通過分析高速相機獲得變形過程，可以知道絕熱剪切帶完全傳播到整個試樣的時間小于10μs。因此，更大局部變形促進絕熱剪切帶的發展，更帶來了局部更高的溫度。如將絕熱剪切局部化過程中的典型事件按照時間先后排序：應力峰值-絕熱剪切帶萌生-絕熱剪切帶傳播/溫度上升-最大溫度/宏觀裂紋。絕熱剪切帶萌生后的溫度上升意味著溫升不是觸發絕熱剪切帶形成的原因，而是絕熱剪切局部化導致了溫度的上升。傳統的絕熱剪切帶熱軟化機理應該需要被重新認識。

圖4 動態剪切失效過程中的典型事件發生時刻