衝擊載入下納米多晶FCC金屬塑性行為的原子尺度研究

《衝擊載入下納米多晶FCC金屬塑性行為的原子尺度研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由馬文擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊載入下納米多晶FCC金屬塑性行為的原子尺度研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馬文
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

金屬材料的衝擊壓縮現象廣泛發生於工業和國防科技領域，對此現象中塑性行為的深入認識具有重要的科學和工程意義。由於當前實驗條件的限制，無法在原位從微觀實驗研究金屬材料的塑性過程。納米多晶金屬由於包含了金屬塑性變形的典型載體：位錯和晶界，並且尺寸比較小而適合分子動力學模擬而被廣泛用來研究面心立方（FCC）金屬的微觀塑形行為。本項目利用分子動力學方法直接從原子尺度出發模擬納米多晶FCC金屬的塑性變形過程，通過比較研究不同金屬、不同晶界結構和不同晶粒大小在不同衝擊載入條件下的塑形行為，獨立地提取材料本徵性質、晶界結構和晶粒大小等因素對微觀塑形行為和巨觀衝擊回響的定性或半定量影響，從而系統研究晶界、位錯等典型微結構在衝擊載入過程中的微觀演化規律，揭示塑性過程的內在物理力學行為，解釋其如何影響巨觀衝擊回響。雖然本項目限於納米多晶FCC金屬，但得到認識有助與深入了解普通金屬的塑形行為和巨觀衝擊回響。

結題摘要

本項目以納米多晶面心立方金屬鋁和銅為研究對象，使用分子動力學模擬為研究手段研究了面心立方結構的鋁和銅的微觀塑性變形過程，並在研究中重點關注了衝擊波陣面的詳細結構、影響衝擊波陣面結構的因素和衝擊波陣面與微觀塑性變形過程的對應關係。 首先，定性研究了晶界對納米多晶鋁的衝擊波陣面結構及塑性變形機制的影響，定量研究了納米多晶銅的衝擊波陣面寬度與衝擊壓縮條件的關係。研究結果表明：在彈性先驅波之後，是晶界的滑移和變形主導了前期的塑性變形機制；然後是不全位錯在晶界上成核向晶粒內傳播，並在晶粒內形成堆垛層錯、孿晶和全位錯的過程主導了後期的塑性變形機制。衝擊波陣面掃過之後留下的結構特徵是堆垛層錯和孿晶留在晶粒內，大部分全位錯則湮滅於對面晶界。同時發現對納米多晶鋁而言，晶界相關的塑性變形對衝擊波陣面的貢獻與位錯相關的塑性變形的貢獻是可以比擬的。 其次，比較研究了具有相同織構和晶粒度的納米多晶鋁和銅的塑性變形機制及衝擊波陣面結構。研究發現：納米多晶銅在彈性變形階段的速率快於納米多晶鋁，其原因是鋁的晶格常數大於銅導致需要更長時間壓縮來使其發生塑性變形；晶界主導的塑性變形的持續時間和對衝擊波陣面寬度的貢獻小於納米多晶鋁，整體的衝擊波陣面寬度小於納米多晶鋁的寬度，塑性變形後的位錯密度高於納米多晶鋁。納米多晶鋁和銅的塑性變形機制也略有不同，在納米多晶鋁中觀察到了不全位錯，全位錯和形變孿晶，而在納米多晶銅中卻只有不全位錯。另一方面，這兩種納米多晶金屬的晶界都會發生滑移和增厚等晶界主導的塑性變形，但是我們還在納米多晶鋁的塑性變形過程中發現了晶界的彎曲，而在納米多晶銅中卻沒有。產生這些塑性變形機制差異的主要原因是諸如晶格常數、層錯能和剪下模量等材料本徵參數使得鋁中發射位錯的臨界分切應力高於銅，從而使納米多晶鋁中晶界相關的塑性變形持續時間更長，產生的位錯少，晶界相關的變形機制更多，並最終使衝擊波陣面更寬。 本項目研究了晶界這種材料中普遍存在的缺陷對衝擊壓縮下納米多晶鋁和銅塑性變形的影響，並如何進一步影響衝擊波陣面這一巨觀表現。研究結果有助於深刻理解材料的塑性變形及相變機制，並對揭示納秒-微米尺度的巨觀-微觀過程之間的聯繫和構建微觀過程的物理圖像具有參考意義。雖然一些定量結果與傳統粗晶材料的衝擊壓縮實驗結果存在差異，但獲得的認識對於一般的粗晶材料動態回響機制研究也有幫助。