分子動力學(xué)模擬沖擊波在納米金屬銅中的傳播.pdf

1、材料的動態(tài)行為是許多學(xué)科研究的交叉領(lǐng)域，在工業(yè)、武器、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。沖擊波加載是一種常見的在材料中產(chǎn)生高應(yīng)變率動態(tài)變形的實(shí)驗(yàn)手段。利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段可以測量得到?jīng)_擊波的波形，沖擊波波形反映了材料的動態(tài)響應(yīng)特征，包括材料物態(tài)改變、強(qiáng)度變化等。其中強(qiáng)度變化通過塑性實(shí)現(xiàn)，在一般延性金屬材料中包括位錯(cuò)滑移、晶界行為、相變等。這些變形機(jī)制決定的金屬微觀結(jié)構(gòu)變化的宏觀效應(yīng)在沖擊波波陣面的波形上得到體現(xiàn)。隨著對沖擊波波陣面研究的深入，

2、人們已經(jīng)意識到從微觀角度研究這一問題的重要性。盡管目前已經(jīng)可以通過透射電鏡(TEM)觀察沖擊回收樣品的殘余微結(jié)構(gòu)，但仍然很難從中獲取波陣面上材料微觀變形的細(xì)節(jié)和與波形對應(yīng)的關(guān)系。
　　分子動力學(xué)模擬可以直接觀察到材料動態(tài)變形過程中微觀結(jié)構(gòu)變化的細(xì)節(jié)。已有的對沖擊波在單晶金屬中傳播的模擬給出了加載過程中位錯(cuò)成核并發(fā)射的細(xì)節(jié)，并可直接觀察到相變過程中原子移動的過程，這些觀察到的單晶微觀變形機(jī)制可反映在沖擊波波陣面上。一般金屬材料均為多

3、晶，其晶界行為對動態(tài)變形有重要貢獻(xiàn)，但在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中難以觀察。納米多晶金屬的晶粒尺度特別小，晶界原子比例特別高，成為分子動力學(xué)研究晶界問題的最好對象。已有的對沖擊波在納米金屬中傳播的模擬發(fā)現(xiàn)沖擊下納米金屬變形的最重要的兩種機(jī)制為晶界滑移和位錯(cuò)發(fā)射。由于納米金屬變形的復(fù)雜性，目前仍未有納米金屬波陣面上變形機(jī)制與沖擊波波形對應(yīng)關(guān)系的報(bào)道。
　　本文利用分子動力學(xué)方法模擬了沖擊波在納米金屬銅中的傳播，首次得到了納米金屬銅在沖擊波作用下微觀

4、變形的細(xì)節(jié)及其與沖擊波波陣面的關(guān)系。納米金屬銅樣品的初始結(jié)構(gòu)由經(jīng)過改進(jìn)的Voronoi方法得到，之后采用共軛梯度法降低初始樣品的能量。因?yàn)榇嬖跉堄鄳?yīng)力的關(guān)系，經(jīng)過共軛梯度法降低能量后的樣品需要經(jīng)過熱力學(xué)弛豫過程后才能被認(rèn)為是穩(wěn)定的。熱力學(xué)弛豫過程包括一個(gè)等壓的加熱過程和一個(gè)降溫過程。最終使樣品達(dá)到能量最低的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。利用缺陷分析程序?qū)悠愤M(jìn)行分析，樣品最終結(jié)構(gòu)與納米金屬銅的TEM圖像符合較好。
　　用于沖擊的樣品包含8890877

5、個(gè)原子，樣品尺寸為120nm×30nm×30nm，晶粒平均尺寸為10nm。為便于分析，樣品中晶粒取向被限定在三個(gè)范圍，盡量將晶界滑移和位錯(cuò)這兩種變形機(jī)制在空間和時(shí)間上區(qū)分開。模擬計(jì)算過程采用活塞法在樣品中產(chǎn)生沖擊波，利用缺陷分析程序分析樣品沖擊后微結(jié)構(gòu)并采用統(tǒng)計(jì)方法獲取沖擊波波形。
　　模擬結(jié)果首次顯示沖擊波加載下納米金屬銅中有多次屈服現(xiàn)象發(fā)生，并且沖擊波具有與之對應(yīng)的多波結(jié)構(gòu)。由于樣品中晶粒沿沖擊方向的晶體學(xué)取向被限定在三個(gè)范圍

6、，并非完全隨機(jī)，晶界滑移機(jī)制和位錯(cuò)機(jī)制在沖擊波波形上被明顯區(qū)分開。沖擊波波陣面由彈性變形區(qū)域、晶界滑移主導(dǎo)的塑性變形區(qū)域和位錯(cuò)運(yùn)動主導(dǎo)的塑性變形區(qū)構(gòu)成。沖擊波到達(dá)時(shí)，納米金屬銅內(nèi)部先經(jīng)歷彈性變形，然后晶界發(fā)生滑移導(dǎo)致屈服。隨后位錯(cuò)自晶界處發(fā)射、運(yùn)動穿過晶粒內(nèi)部，晶粒內(nèi)部屈服，塑性變形由位錯(cuò)運(yùn)動主導(dǎo)。經(jīng)過觀察分析，可以清楚地在流應(yīng)力波剖面上分辨出晶界滑移區(qū)和位錯(cuò)運(yùn)動區(qū)。沖擊波波陣面上彈性波前沿?cái)_動較小，由彈性波速度的各向異性造成;由位錯(cuò)主