高應(yīng)變率加載下材料變形損傷及相變的微觀機理研究.pdf

1、沖擊波物理是研究凝聚態(tài)介質(zhì)在高應(yīng)變率或瞬時載荷作用下產(chǎn)生極端高溫高壓狀態(tài)時各種物理、力學(xué)或化學(xué)現(xiàn)象和變化規(guī)律的科學(xué)。其目的是建立起對材料和結(jié)構(gòu)在高應(yīng)變率加載下表現(xiàn)出的動力學(xué)行為進(jìn)行正確預(yù)測、評價和分析的科學(xué)方法。因而沖擊波物理的研究內(nèi)容包括理論研究、模擬研究和實驗研究。本文主要通過分子動力學(xué)模擬以及理論推導(dǎo)，輔以氣炮實驗，細(xì)致研究了典型材料中的變形、損傷以及相變等過程，詳盡分析了其中的微觀機理和動力學(xué)過程。主要的研究內(nèi)容包括:
　

2、　(1)建立了在不同加載條件下描述LJ單晶中勻質(zhì)分位錯成核的定量模型。在該模型中，靜水壓以及所有的非施密特偏應(yīng)力分量均會對臨界分解剪應(yīng)力造成影響。隨后我們用分子動力學(xué)模擬檢驗了該模型。在沿著25個不同方向加載時，該模型均能預(yù)測出正確的滑移系，其得到的臨界剪應(yīng)力也在合理的誤差范圍內(nèi)。此外，還提出了新的參數(shù)SF*來取代傳統(tǒng)的施密特因子。
　　(2)用分子動力學(xué)研究了單晶和納米多晶PETN中的沖擊響應(yīng)。在單晶中，沖擊導(dǎo)致的塑性變形和分解

3、剪應(yīng)力的計算結(jié)果以及空間位阻模型一致。在多晶中，熱點與晶界摩擦以及晶界起始的塑性變形直接相關(guān)，并且該變形由晶粒取向和分解剪應(yīng)力決定。晶界摩擦本身能造成熱點，但當(dāng)其和晶界起始的塑性變形或晶界原子偏離晶界的滑移耦合在一起時，熱點溫度會急劇增加。
　　(3)用經(jīng)典分子動力學(xué)模擬了液體銅由平板沖擊導(dǎo)致的層裂。模擬在不同加載條件下進(jìn)行，并且發(fā)現(xiàn)它們對層裂強度有顯著影響。詳細(xì)討論了實驗中由自由面速度推導(dǎo)層裂強度以及應(yīng)變率的聲波方法，并將其和模

4、擬直接得到的結(jié)果進(jìn)行了對比。檢查了溫升、拉伸衰減、聲速以及密度等對聲波方法造成的影響，并對它們造成的誤差進(jìn)行了量化。此外還提出了改進(jìn)聲波方法中參數(shù)選擇的方案。
　　(4)用分子動力學(xué)模擬了液體銅空穴現(xiàn)象中納米孔洞的勻質(zhì)成核現(xiàn)象。通過追蹤孔洞的時間演化，以及MFPT和SP等方法細(xì)致分析了成核過程中的行為。此外，通過獨立的經(jīng)典成核理論的計算，得出該理論能夠很好的描述模擬的過程。不同于前人的工作，我們用Tolman公式描述了表面能隨孔洞

5、半徑的變化，而不是將其假定為不變。
　　(5)用分子動力學(xué)模擬證明了液體銅中的勻質(zhì)結(jié)晶成核可以在一定量的過冷度下發(fā)生，而該過冷度由準(zhǔn)等熵加載或斜坡加載在一定的粒子速度和斜坡時間中得到。得到了斜坡時間-粒子速度-過冷度之間的關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)斜坡時間達(dá)到100 ps時，斜坡加載接近于等熵加載。此外，還發(fā)現(xiàn)勻質(zhì)成核同樣能在初始過冷的液體中通過沖擊加載得到。
　　(6)用銅和LJ液體的分子動力學(xué)模擬證明了在這兩種液體的拉伸強度中，時

6、間尺度和空間尺度扮演了同樣的角色?；谠摰刃Ｐ偷念A(yù)測和獨立的模擬結(jié)果相吻合，并且和液態(tài)金屬的實驗結(jié)果相近。通過仔細(xì)分析經(jīng)典成核理論，我們發(fā)現(xiàn)該等效性與尺寸和應(yīng)變率在新相成核過程中扮演的角色有關(guān)。該等效性預(yù)期能適用于大范圍的材料和過程中，并作為連接多尺度問題的橋梁。
　　(7)通過線彈性理論的推導(dǎo)、分子動力學(xué)模擬、以及氣炮實驗驗證了立方晶體中雙彈性波的存在。該雙波只在沿著某些對稱性低的晶向中才能傳播，而在如[100]，[110]等