分子動力學模擬沖擊波在納米金屬銅中的傳播.pdf

1、材料的動態(tài)行為是許多學科研究的交叉領域，在工業(yè)、武器、航空航天等領域有著廣泛的應用。沖擊波加載是一種常見的在材料中產(chǎn)生高應變率動態(tài)變形的實驗手段。利用傳統(tǒng)的實驗手段可以測量得到?jīng)_擊波的波形，沖擊波波形反映了材料的動態(tài)響應特征，包括材料物態(tài)改變、強度變化等。其中強度變化通過塑性實現(xiàn)，在一般延性金屬材料中包括位錯滑移、晶界行為、相變等。這些變形機制決定的金屬微觀結構變化的宏觀效應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構，但仍然很難從中獲取波陣面上材料微觀變形的細節(jié)和與波形對應的關系。
　　分子動力學模擬可以直接觀察到材料動態(tài)變形過程中微觀結構變化的細節(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成核并發(fā)射的細節(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，但在常規(guī)實驗中難以觀察。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制為晶界滑移和位錯發(fā)射。由于納米金屬變形的復雜性，目前仍未有納米金屬波陣面上變形機制與沖擊波波形對應關系的報道。
　　本文利用分子動力學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、變形的細節(jié)及其與沖擊波波陣面的關系。納米金屬銅樣品的初始結構由經(jīng)過改進的Voronoi方法得到，之后采用共軛梯度法降低初始樣品的能量。因為存在殘余應力的關系，經(jīng)過共軛梯度法降低能量后的樣品需要經(jīng)過熱力學弛豫過程后才能被認為是穩(wěn)定的。熱力學弛豫過程包括一個等壓的加熱過程和一個降溫過程。最終使樣品達到能量最低的穩(wěn)定結構。利用缺陷分析程序對樣品進行分析，樣品最終結構與納米金屬銅的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范圍，盡量將晶界滑移和位錯這兩種變形機制在空間和時間上區(qū)分開。模擬計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構并采用統(tǒng)計方法獲取沖擊波波形。
　　模擬結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的多波結構。由于樣品中晶粒沿沖擊方向的晶體學取向被限定在三個范圍

6、，并非完全隨機，晶界滑移機制和位錯機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、晶界滑移主導的塑性變形區(qū)域和位錯運動主導的塑性變形區(qū)構成。沖擊波到達時，納米金屬銅內(nèi)部先經(jīng)歷彈性變形，然后晶界發(fā)生滑移導致屈服。隨后位錯自晶界處發(fā)射、運動穿過晶粒內(nèi)部，晶粒內(nèi)部屈服，塑性變形由位錯運動主導。經(jīng)過觀察分析，可以清楚地在流應力波剖面上分辨出晶界滑移區(qū)和位錯運動區(qū)。沖擊波波陣面上彈性波前沿擾動較小，由彈性波速度的各向異性造成;由位錯主