納米晶金屬衝擊波微觀結構的分子動力學研究

《納米晶金屬衝擊波微觀結構的分子動力學研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由王帥創擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納米晶金屬衝擊波微觀結構的分子動力學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王帥創
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

凝聚態金屬的衝擊回響過程涉及範圍很廣，掌握其規律對材料科學、天體物理等基礎學科的發展起很大的推動作用，在工業建築、機械製造、航空航天、以及國防科技方面也具有十分重要的意義，研究納米晶金屬中衝擊波的微觀結構正成為當前國際上一個重要的前沿問題。本項目擬對這一前沿問題進行深入探索，以期做出具有創新意義的研究工作。具體的研究內容包括：通過設計不同晶粒大小和晶向、晶界方向、衝擊載入方向的雙晶模型，研究衝擊波作用下晶界滑移和位錯成核的競爭機制；研究衝擊波陣面的微結構以及晶體結構從一維到三維弛豫的體耗散過程；通過Voronoi方法構建納米多晶進行數億原子的大規模並行計算，結合雙晶結果研究多晶 Cu內衝擊波陣面微觀結構、塑性波硬化以及體耗散過程；研究材料為多晶Al時的規律，並和多晶銅的結果做對比分析，歸納出不依賴晶體結構、較為普適的衝擊波微觀結構物理規律。本項目的研究工作可推進人們對衝擊波微觀結構的認識。

結題摘要

本項目立足於分子動力學模擬，完成了金屬銅、金屬鉭原子間勢函式的構建，發展了傾側雙晶模型構建程式以及基於Voronoi方法的多晶構建程式。發展的多晶構建程式，代碼簡潔，而且功能強大，可以用三種方式構建多晶構型，一是晶粒中心及晶向均完全隨機，二是晶粒中心及晶向完全指定，三是晶粒中心局域隨機和晶向完全隨機。本項目還開發了串列的分子動力學後處理程式，用以分析和處理分子動力學輸出的位型信息。 研究了金屬銅和金屬鉭單晶的衝擊回響，考察了衝擊方向、模擬體系大小等影響因素。發現模擬體系對材料內微觀結構有影響，而對衝擊壓力、衝擊速度、衝擊溫度等巨觀物理量沒有影響；發現衝擊方向嚴重影響著材料的衝擊回響，衝擊方向不同，材料的雨貢紐彈性極限、塑性形變、位錯形成機制、層裂強度等均不同。在進行衝擊熔化現象研究時，發現了熔化模擬新方法，實現了從純固態自然演化為穩定存在的固液共存態，獲得了精確的熔點以及豐富的晶體熔化微觀圖像。 研究了不對稱的傾側雙晶銅的衝擊回響，觀察到了晶界滑移現象，發現晶界面處位錯容易形核，是影響衝擊回響的重要因素。晶界面會使得波系複雜化，彈性波抵達晶界面後可能觸發彈塑性波。 還研究了衝擊波引起的層裂現象，獲取了原位的層裂強度及應變率等物理信息，對比發現實驗中常用的聲速方法僅是一個近似方法。為詳細分析塑性形變中產生的位錯，本項目發展了基於Thompson四面體的位錯伯格矢量計算方法，可精確計算出位錯的伯格矢量。 採用3億原子多晶構型研究了納米多晶銅的衝擊回響。由於分子動力學輸出的原始位型信息檔案高達百GB量級，這給物理分析和物理圖像顯示帶來了巨大困難。為此，基於MPI+OpenMP開發了後處理程式的並行版本，該並行版本具有在數分鐘內處理百GB量級數據檔案的能力。最後獲得了衝擊波的微觀物理圖像，觀察了體耗散過程，發現波陣面包含晶界滑移和位錯形核兩階段。 本項目的部分成果發表在國際著名期刊上，其中關於熔化模擬新方法的論文作為J. Chem. Phys.封面論文發表，並獲得第七屆全國青年計算物理會議的優秀論文獎。