《動態載入下鐵的塑性與相變微觀耦合機制理論研究》是依託湖南大學，由胡望宇擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：動態載入下鐵的塑性與相變微觀耦合機制理論研究
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：胡望宇
- 依託單位：湖南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
動態載荷下材料的力學回響行為對武器設計、穿甲/防護材料、抗壓減震、材料衝壓合成及成型等相關領域有著重要的指導意義，也是極端條件下材料力學的重要研究方向。對於含相變材料，其相變與塑性的耦合是一個受到普遍關注且極具挑戰性的基礎科學問題。了解塑性和相變相互影響的物理機制，對於高壓材料科學的發展具有重要的指導意義，也是建立含相變材料本構關係的關鍵所在。本項目擬採用大規模非平衡分子動力學模擬結合嵌入原子模型，選擇鐵為研究對象，研究其在動態載入下力學性質的演化規律，通過模擬在動態載入過程中的微觀特徵塑性（如位錯形核運動、界面演化等）與晶體結構轉變的相互影響過程，分析其晶格層次的微觀耦合機制，給出相應的物理圖像並建立可同時預測靜態與動態特性的理論模型，解釋不同載入速率和初始微觀結構等因素對力學性質影響的微觀機理，為高壓下含相變金屬材料的動力學性質實驗研究提供理論支撐，為其微觀本構關係的建立提供物理依據。
結題摘要
採用非平衡分子動力學模擬方法研究了單晶鐵、雙晶鐵、多晶鐵以及分別含有柱狀孔洞和刃型位錯的單晶鐵的衝擊回響，系統研究了應變速率以及各種類型缺陷對鐵衝擊塑性與相變行為的影響。對完美單晶鐵的衝擊模擬發現，當應變率小於1010 s-1 時，相變壓力閾值隨應變率變化的函式關係服從冪次律。當施加應變速率大於1010 s-1時，模擬結果系統地偏離了原來的冪次律。根據對單晶鐵動態失穩的理解，認為動態下的應變率等效於在晶體中引入了應變梯度，使得晶體處於一種穩定的非平衡態，並由此建立了一個新的晶體穩定性判據，該判據能對靜態和動態下晶體的穩定性做出一致的解釋。在納米多晶鐵鐵中衝擊塑性與相變的原子模擬結果中，發現晶界對塑性的貢獻主要是通過晶界壓縮及相關晶粒的各向異性來體現。除了預存位錯的移動及在高角晶界處的湮滅之外，沒有觀察到其它位錯相關的塑性過程，這可能與小的晶粒尺寸及高的載入應變率等因素有關。在模擬結果中還發現納米多晶鐵在衝擊下可能會出現兩種截然不同的相變耦合模式，源於前導塑性形變對相變的作用的不同，對這兩種模式作了詳細討論並給出相變路徑。在雙晶鐵的衝擊模擬中，研究了不同類型晶界對衝擊回響的影響，結果表明各種類型的晶界均能降低相變閾值，其中以Σ3<110>扭轉晶界降低效果最顯著。由於晶界的存在，衝擊波前端掃過晶界時會產生反射波，反射波對馬氏體變體選擇以及形變機制均有顯著影響。此外，還探討了應力援助（SAT）和應變誘導（SIT）兩種相變模式，發現SAT的相變形核勢壘高於SIT，因為SAT需要額外的一個壓縮過程來積累足夠的應變能。通過模擬含納米柱狀孔洞單晶鐵的衝擊載入過程詳細分析了孔洞對馬氏體變體選擇規律的影響。沿著三個低指數晶向衝擊，相比於完美單晶鐵，孔洞的存在會增加一種馬氏體變體。通過計算應變能和施密特因子，分析了各個馬氏體變體所屬的相變模式。最後，在單晶鐵中預置一根刃型位錯並模擬衝擊載入過程，結果表明初始刃型位錯在衝擊波作用下能作為位錯的形核點誘發塑性滑移，新位錯的形核與傳播階段被激活的滑移系分別為{110}<111>和{112}<111>。此外，在模擬結果中還發現相變產物總是聚集在發生大量塑性變形的區域，這表明塑性與相變之間存在緊密的聯繫。通過追蹤原子運動軌跡發現，塑性滑移會引起相變的穿插滑移面發生偏轉，這種偏轉引起穿插滑移面上的剪下應力上升，進而誘發BCC→HCP相變。
