-111-晶向沖擊加載下銅中空洞演化的微觀機制研究.pdf

1、材料的動態(tài)斷裂是一個跨尺度問題。要深入理解材料的動態(tài)斷裂過程，需要在不同的尺度上進行研究。人們借助傳統(tǒng)的實驗手段和理論分析從宏觀尺度對這個問題進行了許多研究，并取得了很大進展。隨著對動態(tài)斷裂現(xiàn)象研究的越來越深入，人們已經(jīng)意識到從原子尺度對這一問題進行研究的重要性。但一方面，由于受目前實驗手段在時間和空間分辨率上的限制，現(xiàn)在還無法通過傳統(tǒng)的實驗方法直接獲取動態(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構的空間離散性，基于連

2、續(xù)介質(zhì)力學的方法在研究原子尺度問題時也遇到困難。 層裂是材料在動態(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、生長和貫通三個階段。但如前所述，由于實驗觀測和連續(xù)介質(zhì)力學的局限，對于空洞成核、生長的微觀機制還缺乏深入了解。 本文采用分子動力學方法模擬計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的微觀機制和定量規(guī)律，以及伴隨著空洞增長，空洞周圍區(qū)域發(fā)

3、生塑性變形的微觀過程，并借助位錯彈性理論進行了分析。 模擬計算過程中采用活塞模型在模擬體系內(nèi)產(chǎn)生沖擊波，模擬體系中心預置一個納米空洞，沖擊加載方向采用自由邊界條件，其余兩個方向為周期性邊界條件。動態(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。借助結構分析技術，觀察到了伴隨著微空洞增長，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，面心立方(FCC)結構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，觀察到位錯在空洞表面附近區(qū)域成核，然后向外滑移。其中剪切應力最大的<112>方向位錯速度超過銅中的橫波聲速，其它<112>方向的位錯速度低于橫波聲速，模擬得到的位錯阻尼系數(shù)范圍與實驗范圍接近。 模擬計算結果顯示在不同的沖擊加載強度下，等效空洞半徑均隨時間近似成線性變化，在確定的沖擊強度下，等效空洞半徑增長速率近似為一常數(shù)。同時通過考察不同加載強度下微空洞的增長過程，觀測到單空洞增長的兩種位錯生長機制：加載強

5、度較低時，只在沿著沖擊加載方向的空洞頂點附近區(qū)域有位錯的成核和運動；而隨著加載強度超過一定閾值，在沿沖擊加載和其垂直方向的空洞頂點區(qū)域都觀察到位錯的成核和運動。在前一種機制作用下，空洞只沿加載方向增長；在后一種機制作用下，空洞同時沿加載和垂直于加載方向增長。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沿徑向的速度基本恒定，由此提出了一個空洞增長模型，該模型可以很好的解釋空洞的線性增長規(guī)律。模擬結果顯示，在同樣的沖