冲击加载下纳米多层金属材料中界面行为的数值模拟研究

The study of plastic deformation mechanism of a typical structural defect， interface， under shock loading can benefit the explanation, prediction and optimization of metallic materials’ dynamic mechanical properties. The major defects within metallic nanolaminates are interfaces whose interaction with dislocations and reflection to shockwave physically determine these materials’ unique dynamic behavior. In this project, metallic nanolaminates models with different stacking fault energy and metal/metallic glass nanolaminates models will be established. The shockwave propagation and interfacial plastic deformation mechanism in these nanolaminates will be obtained by the utilization of Molecular Dynamics. We will analyze the impact of stacking fault energy，constituents’ structures, interfacial structure and interfacial spacing on dynamic mechanical properties of metallic nanolaminates. The project will finally provide a bridge between interface structures and plastic deformation mechanisms under shock, and gain shockwave propagation features in heterogeneous materials.

界面是一种典型结构缺陷，它在冲击加载下的塑性变形机制研究将有助于解释、预测和优化金属材料的冲击力学性质。纳米多层金属材料中的主要结构缺陷是层间界面，其与位错的相互作用和对冲击波的反射是这类材料独特动态行为的物理根源。本课题拟建立不同层错能金属的纳米多层材料模型和金属/金属玻璃纳米多层复合材料模型，利用分子动力学研究冲击波在这种材料中的传播特性，提取界面微观塑性变形机制，并分析层错能、组成分晶格结构、界面结构、层间距等材料本征特性和缺陷特征对其冲击动态力学性能的影响。通过这些研究建立冲击加载下界面结构和塑性变形机制的关联，并获取非均质材料中的冲击波传播规律。

冲击加载下界面对冲击动态响应行为的影响难于通过实验开展研究。本项目采用非平衡分子动力学方法模拟了冲击波在含大量界面的纳米多层结构材料中的传播，揭示了几个典型的由界面带来的冲击加载新现象。取得的主要结论如下：一，金属/金属玻璃界面的结构决定于其制备方式，弛豫充分样品带有界面位错结构，而弛豫不充分样品则不包括，前者剪切下通过界面位错扩张发生界面滑移屈服而后者则通过界面处金属玻璃剪切集中带扩张。二，冲击波在金属/金属玻璃纳米多层结构中呈现明显的稳态振荡波剖面结构，这一波结构先决条件是界面塑性使得非晶层和金属层先后屈服。振荡波剖面振荡的幅度随冲击压力上升而上升，振荡周期随压力上升而下降，趋势与实验观测一致。模拟还特别发现，冲击波波后阻抗较高的金属层压力显著低于Hugoniot态，这表明同一材料在冲击作用下局部热力学状态可以偏离平衡态。三，进一步证实了单质金属在冲击加载下也可以因为周期结构出现振荡的波剖面结构，但其振荡的幅度随冲击时间的持续会有显著下降。界面两侧材料的温度、强度和微结构均呈现显著不同。界面塑性还可以在界面处产生局部温度过冲，过冲持续时间在数皮秒量级。四，从模拟获得的非均匀结构分析出发，建立了一个三参数固体模型描述冲击加载后的金属玻璃。从这该模型出发，得到一个与KWW方程高度类似的扩展指数弛豫模型，该模型能较好拟合金属玻璃在屈服后的强度弛豫行为。模型中包含参数的物理意义明确，随冲击压力变化的趋势也可得到相应物理图像和实验数据的支撑。本研究获得了纳米尺度上界面对冲击波结构的影响，在微观尺度上揭示了强冲击下材料响应的非均匀性，为金属材料冲击动态响应研究提供了新的思路。本项目资助撰写SCI论文五篇，其中已发表4篇，资助博士后一名。