銅缺陷熔化及其沖擊力學行為的分子動力學模擬.pdf

1、分子動力學模擬是人類認識物質(zhì)世界的一種嶄新的實驗方式，人類可從原子、分子尺度上去研究和理解材料宏觀的性質(zhì)。近年來，隨著分子動力學勢函數(shù)的發(fā)展和計算機計算能力的大幅度提高，分子動力學模擬逐漸成熟，分子動力學模擬技術(shù)廣泛應用到地球科學領(lǐng)域特別是應用于地球物理學研究中。分子動力學數(shù)值模擬實驗有助于我們研究、理解在地球深內(nèi)部環(huán)境中物質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)，特別是在研究地幔底部、外核直至內(nèi)核的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成、各向異性、狀態(tài)方程等一系列重要的基礎(chǔ)問題。物質(zhì)

2、熔化是地球內(nèi)部一類重要的基本物理過程。為了分析和理解這一類過程，本文將采用分子動力學數(shù)值模擬的方式對物質(zhì)熔化相關(guān)的過程進行研究。
　　 本文綜述了納米尺度下材料的熱力學行為，對如何采用分子動力學這一原子模擬技術(shù)分析材料熱力學性能的數(shù)值方法進行了深入系統(tǒng)的闡述。我們采用分子動力學方法模擬了單晶銅的缺陷熔化過程，銅在靜高壓和沖擊高壓下的熔化過程，以及銅的沖擊斷裂過程，探討了銅在沖擊斷裂中的一些力學行為。同時，還利用分子動力學模擬了納

3、米銅球粒子在撞擊剛壁過程中的彈塑性行為。
　　 從固體材料熔化及力學行為原子尺度模擬這一角度系統(tǒng)闡述了分子動力學數(shù)值模擬技術(shù)，討論了分子動力學模擬中一些關(guān)鍵問題，如溫度控制、壓力控制、原子勢函數(shù)等。
　　 缺陷結(jié)構(gòu)普遍存在于真實晶體中，特別是在地球內(nèi)部。我們采用分子動力學方法模擬了有缺陷結(jié)構(gòu)的單晶銅熔化行為。本文重點研究了層錯缺陷和晶界缺陷。無論插入型層錯還是抽出型層錯，對熔化溫度的影響基本可以忽略。層錯缺陷的存在使得可

4、以同時觀察到均勻成核和非均勻成核，但只是稍微增加了成核速率和非均勻成核的概率。對于晶界缺陷本文研究了兩種有代表性的對稱〈110〉傾斜晶界，一種是低能量的∑=11/(113)/50.48°，另外一種是高能量的∑=27/(552)/148.41°。結(jié)果表明，在晶界區(qū)域內(nèi)連續(xù)局部熔化會出現(xiàn)在不連續(xù)的整體熔化前，而連續(xù)的固態(tài)無序化會出現(xiàn)在局部熔化前。對前一種晶界缺陷，晶界區(qū)域的預熔化可以忽略不計，局部熔化發(fā)生在熱動力學熔點附近。整個系統(tǒng)存在約1

5、3％的過熱。對于后一種晶界缺陷，局部熔化存在著相當可觀的預熔化，而整個系統(tǒng)體熔化過熱程度已經(jīng)可以忽略。
　　 本文研究了金屬銅在靜高壓下和沖擊高壓下的熔化行為。對于靜高壓條件下金屬銅的熔化，本文分別利用兩相法和過熱-過冷回滯曲線法獲得了銅在高壓下的平衡熔化曲線，兩種方法結(jié)果非常接近。最大過熱和過冷程度獨立于壓力，近似保持常數(shù)。對于沖擊熔化行為，我們研究了沿三個主要晶向〈100〉，〈110〉和〈111〉沖擊加載銅的熔化。沿〈100

6、〉和沿〈110〉、〈111〉晶向沖擊的熔化行為截然不同。對于〈100〉晶向，固體承受了最大約20％的過熱，熔化時有明顯的溫度降。對于其它兩個晶向，其熔化過程為準連續(xù)過程，并且存在著大約7％的預熔化。
　　 本文借助分子動力學模擬研究了極高應變率下固體銅和液體銅由平面沖擊導致的斷裂。從自由表面速度歷史推斷斷裂強度σsp和應變率是合理的一階近似。對弱沖擊強度來說斷裂強度各向異性較為顯著，并隨著沖擊強度增大逐漸遞減。固體中空洞在缺陷位

7、置成核。固體經(jīng)受弱沖擊時，斷裂發(fā)生時沒有伴隨著拉伸熔化出現(xiàn)，而對于更強沖擊或者當斷裂溫度Tsp足夠高時，部分熔化可能出現(xiàn)在斷裂之前或者伴隨著斷裂出現(xiàn)。斷裂溫度Tsp在研究的應變率范圍內(nèi)對斷裂起著決定性作用。無論是固體銅還是液體銅，斷裂強度σsp都隨著斷裂溫度Tsp的增加而降低，并且對液體銅來說其σsp-Tsp成反冪指數(shù)關(guān)系。
　　 本文研究了納米銅球粒子撞擊剛壁的彈塑性行為。銅球粒子在撞擊過程中表現(xiàn)出了了高度彈性行為。對較小的粒