微观缺陷对金属铁冲击相变影响的分子动力学研究

A lot of helium atoms are produced and accumulated in materials when they are continuously irradiated by energetic helium ions.The accumulated helium atoms will aggregate, deposit and meet vavancy to form helium-vacancy complexes, even helium bubbles. In engineering application, most materials contain large number of defect concentrations, sunch as void, grain boundary, discolation, etc. These defects may affect the phase transformation property of materials. Knowledge about the defect's influence on the phase transformation of iron is necessary for a physical understanding of shock wave loading. By means of molecular dynamic simulation, this work is to study the microview phase transformation of single-crystal iron with voids and helium bubbles under shock loading. The study primarily study the effects of void and grain boundary which are important type of prevalent defect in materials on the mechanisms of phase transformation of ductile metals, and how to further affect the typical macroscopic response of materials subject to shock profile. Given the details of tracking the transformation, the molecular dynamic simualtions may provide a neiw understanding in physics for the solid to solid phase transformation of iron under shock loading, which is poorly understood due to its rapid alteation in the experimental measurement. The results are important to understand the phase transformation dynamics rule.The research results are helpful to deeply understand the properties of irradiated materials.

高能阿而法粒子持续辐照材料会在材料中产生和积累大量的氦原子，积累的氦将聚集、沉淀，形成氦-空位复合物，乃至形成氦泡，另外，在金属材料加工和制备中均存在大量的缺陷，如孔洞、位错、晶界等，缺陷的存在对金属相变有很大的影响，氦泡和孔洞都是高能阿而法粒子辐照材料后产生的典型缺陷，研究它们在冲击加载下的微观塑性变形过程对认识辐照损伤材料动态性质有重要意义。本项目利用分子动力学模拟研究冲击条件下金属铁的相变特征，在模拟样品中加入孔洞和氦泡，研究孔洞和氦泡对铁冲击相变过程的影响。通过模拟不同的冲击加载以及缺陷分布条件，系统研究这一过程中位错、晶界、相变等典型微结构的演化规律，详细分析在氦泡和孔洞的塌缩过程其周围区域发生塑性变形的特征。研究过程主要关注不同的加载条件和不同的缺陷等因素对相变机制、相变原理的影响，研究结果和认识对于我们深入了解辐照损伤对材料性质影响有重要意义。

经典分子动力学研究方法由于可以模拟材料微观变化过程，广泛用于研究金属材料高压高温下的动态微观变化过程，本项目中我们基于经典分子动力学模拟方法研究了高温高压下金属铁铜铝以及锆的相变和热力学性质。首先，我们利用经典分子动力学模拟方法研究了单晶金属铁在冲击加载下卸载阶段的逆相变过程，分析了铁的冲击相变中压缩阶段的相变与卸载阶段相变的不同特征，通过计算粒子速度曲线以及应力曲线等观察了不同加载阶段的应力分布以及相变波的传播过程，并且研究了在压缩阶段和拉伸阶段中铁的相变机制，根据原子追踪路径指出了逆相变中从hcp结构到bcc结构的相变路径；其次，高压下金属的弹性和热力学性质也具有十分重要的研究价值，我们研究了不同压力下金属铜铁铝的弹性常数和热力学性质，计算了单晶金属铜、铁、铝的冷能曲线、焓曲线、压力-体积曲线等，通过冷能曲线和焓曲线判断出金属铁相变阈值压力，同时在金属中加入孔洞，从原子尺度研究了含孔洞单晶铜和单晶金属铝在准静态压缩和拉伸下的孔洞周围的位错发射微观机制，得到孔洞的增长其周围区域发生塑性变形的完整物理图像；纳米多晶金属由于其特殊的性质而获得了大量的研究，晶粒粒径是影响金属多晶材料性能最重要的参数之一，我们利用Voronoi方法搭建了纳米多晶材料模型，分析弛豫和淬火之后的多晶金属铝和铜样品，计算出不同压力下的弹性常数，并且进而计算了德拜温度、泊松比、弹性波速等力学和热力学参数等；最后利用lammps研究金属锆的高压相变和高温熔化、凝固，首先对样品加压到0.2GPa时发现单晶锆会由hcp结构转变到ω结构，随后的加温研究中发现，我们得到了hcp结构到bcc结构的相变温度1161K，bcc结构的熔点为1569K，与实验结果吻合的较好。对金属材料高温高压下的微观动态过程的研究有助于深刻认识材料微观塑形，对更加深入理解延性材料动态断裂问题有重要的意义。