高应变率下单晶材料塑性变形的位错机制研究

The research on the dynamic mechanical behavior of materials has broad application in the fields of industry, weapons, aerospace, etc. The extreme high pressure and high strain rate conditions caused by high-velocity impact make the physical and mechanical properties of metallic materials change significantly compared with the normal ones, which brings challenges for the performance evaluation and safety assessment of metallic materials in service under extreme conditions. Therefore, it is of great significance to investigate the plastic deformation mechanism under extreme conditions. This project aims to reveal the dislocation mechanism of plastic deformation of single crystal material under high strain rate loading through systematic numerical simulation and theoretical analysis. The main research contents include: (1) develop a multi-scale simulation model by combining molecular dynamics, discrete dislocation dynamics and continuum mechanics; (2) investigate the dynamic mechanical behavior of single crystal materials under high strain rate loading, and reveal the micro-mesoscopic mechanism of the plastic deformation; (3) reveal the connection between micro-mesoscopic structure evolution and applied load, and investigate the attenuation of elastic precursor wave in metallic materials under extremely high strain rate loading.

对材料动态力学行为的研究在船舶、武器、航天航空等领域有着广阔的应用背景，高速冲击下产生的极端高压、高应变率条件使得金属材料的物理和力学性质相比于常态下发生了显著的改变，这给在极端条件下服役的金属材料的性能评价和安全评估带来了挑战。因此，深化认识高应变率加载下金属材料塑性变形的微观机理具有重要的学术意义和工程价值。本项目旨在通过系统的数值模拟和理论分析研究来揭示高应变率加载下单晶金属材料塑性变形的位错机制，主要研究内容包括：（1）建立耦合分子动力学、离散位错动力学与连续介质力学的多层次多尺度数值模拟方法；（2）系统地研究单晶金属材料在高应变率加载条件下的动态力学行为，并揭示其塑性变形的微观机理；（3）深化认识材料微介观结构动态演化机理与外加载荷的关联，揭示在极高应变率加载下金属材料内弹性前驱波衰减的位错机制。

金属材料在动态冲击下的物理和力学性质相比于常态下发生了显著的改变，深入认识高应变率加载下金属材料塑性变形的微观机理具有重要的学术意义和工程价值。本项目构建了从分子动力学到离散位错动力学与有限元方法的跨尺度计算力学模型，研究并揭示了微尺度单晶材料塑性变形的率效应机理。取得的主要工作进展有：（1）通过发展考虑位错表面形核机制与率相关位错运动方程的离散位错动力学模型，研究并阐明了单晶材料在不同加载率下的两种位错机制：位错表面形核与位错源增殖；刻画了微尺度晶体材料塑性变形的率效应机理。（2）建立了综合考虑试样尺寸、加载应变率与材料位错缺陷的解析模型来预测单晶材料塑性变形的流动应力，为亚微米尺度单晶材料的应变率效应提供理论支撑。（3）将建立的解析模型引入到晶体塑性有限元框架中，构建了从纳米到微米尺度的分层次耦合模型，揭示了微米尺度晶体材料的塑性变形机理。进一步地，研究工作还将上述跨尺度计算模型拓展到各类实际的服役工况中，探究了微纳尺度下单晶材料的接触、摩擦与磨损过程，阐释了材料变形率效应对上述力学过程中的影响。本项目取得的研究进展能为阐明金属材料在高应变率下的变形机理提供计算和理论分析。