鐵沖擊塑性與相變的原子模擬.pdf

1、自上世紀五十年代第一個高壓相變——鐵的α(→)ε相變被發(fā)現(xiàn)以來，以揭示該相變在沖擊下的轉變過程和機理為主要目標的研究一直是高壓領域關心的一個熱點問題。由于該相變發(fā)生的時間極其短暫，而且是可逆的，受到實驗偵測手段的限制，該研究一直停留在宏觀層次的自由表面速度波形結構的解讀上，直到最近十年，實驗上才能對這種結構相變進行直接地觀察。然而，當前的實驗技術仍難以做到對沖擊下整個相變過程進行直接地觀察，所以還需要與一些理論方法結合來理解實驗數據。目

2、前，利用非平衡分子動力方法與實驗手段相結合的研究方式，在鐵的沖擊相變研究領域已經取得了大量成果，例如實驗成功地驗證了非平衡分子動力學模擬中觀察到的沿單晶鐵[001]晶向沖擊的相變機制。然而，用非平衡分子動力學模擬鐵的沖擊相變時也出現(xiàn)了一些嚴重的問題，比如除了[001]晶向以外的其它低指數晶向上的沖擊相變產物中存在大量非真實的FCC相、沒有出現(xiàn)相變前應有的塑性過程等。出現(xiàn)這些問題的根本原因在于所使用的鐵的原子間相互作用勢函數，以前構建的勢

3、函數的主要目的是針對平衡體系的熱力學行為及性質的研究，沒有考慮高壓下的應用，因此當這些勢函數被應用到高壓環(huán)境時就有可能出現(xiàn)上述那些問題。
　　本文按照平衡態(tài)勢函數的構建思路重新構建了鐵的原子間相互作用勢函數，然后通過一些針對具體高壓應用的判據（相變壓力閾值和高壓物態(tài)方程）來優(yōu)選前面得到的勢參數組，產生最優(yōu)化的鐵的勢函數。經過靜態(tài)驗證鐵的各種物理性質并應用于動態(tài)壓縮下發(fā)現(xiàn)，該新的鐵的勢函數能夠克服以前的勢函數不能產生相變前的塑性及出

4、現(xiàn)虛假的FCC相的問題，這證明該勢函數對于鐵沖擊塑性與相變問題的研究是可信的。
　　然后，利用新構建的鐵的勢函數研究了相變對斜波加載準等熵性的影響，發(fā)現(xiàn)相變是造成溫度顯著升高，破壞加載的準等熵性的主要原因，其引起的溫升隨斜波上升（rrising）時間的增大而減小，隨最終加載速率（vp）的增大而增大。然而，這兩個加載參數對準等熵性的影響并不能按照簡單斜波坡度來理解，即，認為加載的準等熵性與vp/rrising正相關。本文推導出了一個

5、簡化的量化關系，發(fā)現(xiàn)按照Swegle-Grady定律，加載的準等熵性受vp影響的最高冪次可達vn-1p，而僅與rrising負相關。另外，還發(fā)現(xiàn)沖擊波的初始形成是源于晶格的失穩(wěn)形變，此時形成的沖擊并未破壞準等熵性，而造成明顯的溫升現(xiàn)象。等到后面的塑性或相變波追趕并超過該初始沖擊波前之后，沖擊波前的溫升才會顯著上升。
　　本文還針對單晶鐵與納米多晶鐵中的沖擊塑性與相變微觀耦合機制問題的研究，提出了c軸取向分析、晶格分析及與之相聯(lián)系的

6、晶體學分析方法。應用這些分析方法，本文分別從塑性機制及相變機制角度研究了它們之間的微觀相互作用，發(fā)現(xiàn)在單晶鐵中僅會出現(xiàn)應力援助的相變耦合模式，而在多晶鐵中可以同時出現(xiàn)應力援助和應變誘導的相變耦合模式。對這兩種相變耦合模式在原子層次上分別從運動學和動力學角度進行了比較與分析，結果表明，作為區(qū)別不同物理過程的一個重要標志——相轉變路徑，它在這兩種相變耦合模式下表現(xiàn)出截然不同的特征。在應力援助相變耦合模式中，整個相轉變過程總是以沿<001>B

7、CC晶向的壓縮開始，以相鄰{110}BCC面間的穿插運動結束，其中，第一步的壓縮過程以積累應變能的形式為后續(xù)相變提供力學驅動力，促使相變的發(fā)生。在應變誘導相變耦合模式中，整個相轉變過程可以看成是，先由BCC鐵沿[110]BCC和[1-10]BCC壓縮形成一個類似FCC的晶格，然后在每兩層(10-1)BCC面上沿[101]BCC滑移形成最終的HCP相。然而，這兩步幾乎是同時開始的，因此這個過程中沒有出現(xiàn)FCC相。在該模式中，局域應力驅動的