冲击加载下纳米多晶FCC金属塑性行为的原子尺度研究

The shock compressions of the metallic materials are widespread in the industrial and defense technology fields, and they are of great important in science and engineering to understand the plastic behaviors happened in these processes in depth. Due to the limitations of the current experimental conditions, the microscopic processes of plastic deformation of metallic materials can not be observed in situ. Because nanocrystalline (nc) metals contain the typical carriers of plastic deformation of metals: dislocation and grain boundary (GB), and because it's small size is suitable for molecular dynamics (MD) simulations, nc metals have been widely used to study the microscopic plastic behaviors of face-centered cubic (FCC) metals. In this project, the plastic deformation processes of nc FCC metals will be investigated from atomic scale directly using MD simulations. Through comparative studies on the plastic behaviors of different nc metals with different GB structures and GB sizes under varied shock loading conditions, qualitative or half-quantative effects of intrisinc material properties, GB structures and GB sizes on microscopic plastic behaviors and macroscopic shock responses can be obtained. Furthermore, the evolution pattern of typical microstructures (dislocations and GBs) during the process of plastic deformation under shock loading can be investigated systematically, to shed light on the intrinsic physical and mechanical mechanisms of plastic processes. Although this research emphasize on the nc FCC metals, but the understand from this project can be used for reference in understanding the plastic behaviors and the shock responses of the ordinary metals under shock loading in depth, and further can help to understand the physical nature of the varied intensity of metallic materials at high pressure.

金属材料的冲击压缩现象广泛发生于工业和国防科技领域，对此现象中塑性行为的深入认识具有重要的科学和工程意义。由于当前实验条件的限制，无法在原位从微观实验研究金属材料的塑性过程。纳米多晶金属由于包含了金属塑性变形的典型载体：位错和晶界，并且尺寸比较小而适合分子动力学模拟而被广泛用来研究面心立方（FCC）金属的微观塑形行为。本项目利用分子动力学方法直接从原子尺度出发模拟纳米多晶FCC金属的塑性变形过程，通过比较研究不同金属、不同晶界结构和不同晶粒大小在不同冲击加载条件下的塑形行为，独立地提取材料本征性质、晶界结构和晶粒大小等因素对微观塑形行为和宏观冲击响应的定性或半定量影响，从而系统研究晶界、位错等典型微结构在冲击加载过程中的微观演化规律，揭示塑性过程的内在物理力学行为，解释其如何影响宏观冲击响应。虽然本项目限于纳米多晶FCC金属，但得到认识有助与深入了解普通金属的塑形行为和宏观冲击响应。

本项目以纳米多晶面心立方金属铝和铜为研究对象，使用分子动力学模拟为研究手段研究了面心立方结构的铝和铜的微观塑性变形过程，并在研究中重点关注了冲击波阵面的详细结构、影响冲击波阵面结构的因素和冲击波阵面与微观塑性变形过程的对应关系。.首先，定性研究了晶界对纳米多晶铝的冲击波阵面结构及塑性变形机制的影响，定量研究了纳米多晶铜的冲击波阵面宽度与冲击压缩条件的关系。研究结果表明：在弹性先驱波之后，是晶界的滑移和变形主导了前期的塑性变形机制；然后是不全位错在晶界上成核向晶粒内传播，并在晶粒内形成堆垛层错、孪晶和全位错的过程主导了后期的塑性变形机制。冲击波阵面扫过之后留下的结构特征是堆垛层错和孪晶留在晶粒内，大部分全位错则湮灭于对面晶界。同时发现对纳米多晶铝而言，晶界相关的塑性变形对冲击波阵面的贡献与位错相关的塑性变形的贡献是可以比拟的。.其次，比较研究了具有相同织构和晶粒度的纳米多晶铝和铜的塑性变形机制及冲击波阵面结构。研究发现：纳米多晶铜在弹性变形阶段的速率快于纳米多晶铝，其原因是铝的晶格常数大于铜导致需要更长时间压缩来使其发生塑性变形；晶界主导的塑性变形的持续时间和对冲击波阵面宽度的贡献小于纳米多晶铝，整体的冲击波阵面宽度小于纳米多晶铝的宽度，塑性变形后的位错密度高于纳米多晶铝。纳米多晶铝和铜的塑性变形机制也略有不同，在纳米多晶铝中观察到了不全位错，全位错和形变孪晶，而在纳米多晶铜中却只有不全位错。另一方面，这两种纳米多晶金属的晶界都会发生滑移和增厚等晶界主导的塑性变形，但是我们还在纳米多晶铝的塑性变形过程中发现了晶界的弯曲，而在纳米多晶铜中却没有。产生这些塑性变形机制差异的主要原因是诸如晶格常数、层错能和剪切模量等材料本征参数使得铝中发射位错的临界分切应力高于铜，从而使纳米多晶铝中晶界相关的塑性变形持续时间更长，产生的位错少，晶界相关的变形机制更多，并最终使冲击波阵面更宽。.本项目研究了晶界这种材料中普遍存在的缺陷对冲击压缩下纳米多晶铝和铜塑性变形的影响，并如何进一步影响冲击波阵面这一宏观表现。研究结果有助于深刻理解材料的塑性变形及相变机制，并对揭示纳秒-微米尺度的宏观-微观过程之间的联系和构建微观过程的物理图像具有参考意义。虽然一些定量结果与传统粗晶材料的冲击压缩实验结果存在差异，但获得的认识对于一般的粗晶材料动态响应机制研究也有帮助。