-111-晶向沖擊加載下銅中空洞演化的微觀機(jī)制研究.pdf

1、材料的動(dòng)態(tài)斷裂是一個(gè)跨尺度問題。要深入理解材料的動(dòng)態(tài)斷裂過程，需要在不同的尺度上進(jìn)行研究。人們借助傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段和理論分析從宏觀尺度對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了許多研究，并取得了很大進(jìn)展。隨著對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂現(xiàn)象研究的越來越深入，人們已經(jīng)意識(shí)到從原子尺度對(duì)這一問題進(jìn)行研究的重要性。但一方面，由于受目前實(shí)驗(yàn)手段在時(shí)間和空間分辨率上的限制，現(xiàn)在還無法通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法直接獲取動(dòng)態(tài)斷裂過程中原子尺度上的信息；另一方面，由于原子尺度上晶格結(jié)構(gòu)的空間離散性，基于連

2、續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法在研究原子尺度問題時(shí)也遇到困難。 層裂是材料在動(dòng)態(tài)拉伸條件下發(fā)生的一種斷裂現(xiàn)象，已有的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)延性材料的層裂過程可以分為微空洞的成核、生長(zhǎng)和貫通三個(gè)階段。但如前所述，由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的局限，對(duì)于空洞成核、生長(zhǎng)的微觀機(jī)制還缺乏深入了解。 本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬計(jì)算了沖擊加載下單晶銅中納米空洞演化，得到了在沿<111>晶向加載下空洞增長(zhǎng)的微觀機(jī)制和定量規(guī)律，以及伴隨著空洞增長(zhǎng)，空洞周圍區(qū)域發(fā)

3、生塑性變形的微觀過程，并借助位錯(cuò)彈性理論進(jìn)行了分析。 模擬計(jì)算過程中采用活塞模型在模擬體系內(nèi)產(chǎn)生沖擊波，模擬體系中心預(yù)置一個(gè)納米空洞，沖擊加載方向采用自由邊界條件，其余兩個(gè)方向?yàn)橹芷谛赃吔鐥l件。動(dòng)態(tài)拉伸由沖擊波在自由面反射的稀疏波在體系內(nèi)相互作用而產(chǎn)生。借助結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，觀察到了伴隨著微空洞增長(zhǎng)，在它周圍區(qū)域發(fā)生塑性變形的過程。在沿<111>晶向沖擊加載時(shí)，面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)4族{lll}滑移面中有3族發(fā)生了滑移，在所激活的

4、三族{111}晶面上，觀察到位錯(cuò)在空洞表面附近區(qū)域成核，然后向外滑移。其中剪切應(yīng)力最大的<112>方向位錯(cuò)速度超過銅中的橫波聲速，其它<112>方向的位錯(cuò)速度低于橫波聲速，模擬得到的位錯(cuò)阻尼系數(shù)范圍與實(shí)驗(yàn)范圍接近。 模擬計(jì)算結(jié)果顯示在不同的沖擊加載強(qiáng)度下，等效空洞半徑均隨時(shí)間近似成線性變化，在確定的沖擊強(qiáng)度下，等效空洞半徑增長(zhǎng)速率近似為一常數(shù)。同時(shí)通過考察不同加載強(qiáng)度下微空洞的增長(zhǎng)過程，觀測(cè)到單空洞增長(zhǎng)的兩種位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)制：加載強(qiáng)

5、度較低時(shí)，只在沿著沖擊加載方向的空洞頂點(diǎn)附近區(qū)域有位錯(cuò)的成核和運(yùn)動(dòng)；而隨著加載強(qiáng)度超過一定閾值，在沿沖擊加載和其垂直方向的空洞頂點(diǎn)區(qū)域都觀察到位錯(cuò)的成核和運(yùn)動(dòng)。在前一種機(jī)制作用下，空洞只沿加載方向增長(zhǎng)；在后一種機(jī)制作用下，空洞同時(shí)沿加載和垂直于加載方向增長(zhǎng)。通過分析空洞表面原子的位移歷史，發(fā)現(xiàn)沿加載及與其垂直的方向上空洞頂點(diǎn)沿徑向的速度基本恒定，由此提出了一個(gè)空洞增長(zhǎng)模型，該模型可以很好的解釋空洞的線性增長(zhǎng)規(guī)律。模擬結(jié)果顯示，在同樣的沖