金属材料高速冲击力学行为及其多维缺陷耦合动力学机理研究

Metallic materials always suffer high-rate shock in some extreme service environment, such as in weapons, nuclear reactor, and other defense systems. Thus, the shock responses of them become an increasingly significant but intractable problem due to the interaction of those multi-dimensional defects under high temperature, high pressure, and high strain rate conditions, which is an advanced scientific field of solid mechanics as well as a big challenge of national defense industry. Due to the difficulty and the expensive cost of the shock tests, multi-scaled numerical simulations become the important way to study the shock problems. Therefore, current project will firstly perform a series of the molecular dynamic (MD) modeling in nano-scale to study the nucleation, multiplication, annihilation and movement of the dislocation and the interactions between the fast dislocation and vacancy/interstitial, dislocation, grain/phase interface, inclusion/void or other 0D/1D/2D/3D defects under high temperature, high pressure and high strain rate conditions. By extracting the short-range reaction between dislocations and the multi-dimensional defects from the MD results, a modified algorithm of three-dimensional discrete dislocation dynamics (3D-DDD) that can more precisely reflect the dislocation movement and evolution during the shock loading will be developed secondly. Using the 3D-DDD modeling in micro-scale, the physical relationship between the dislocation evolution and the shock propagation can be deeply studied, which helps to thoroughly reveal the plastic deformation of the metallic material under shock loading. Current research can not only enrich the knowledge of shock responses of metals, but also provide the more physical support for the up-scaled crystal plastic finite element methods (CPFEM).

在核工程和国防武器等领域中，金属材料往往要承受高速冲击载荷。金属材料的高速冲击响应及其微细观变形机理极其复杂，其根本原因在于“高温、高压、高应变率下材料内部多维缺陷间复杂的相互作用”，它既是固体力学的前沿科学问题，也是国防工业亟待解决的挑战性课题。由于实验难度大、代价高，开展多尺度的数值模拟成为研究材料超高速冲击问题的重要方法之一。本项目从分子动力学模拟出发，研究高温、高压、高应变率载荷下金属材料中位错的萌生、湮灭、运动,以及高速运动的位错与空位/溶质原子、位错、晶界/相界、孔洞/夹杂等缺陷间的相互作用；提出与温度、压力、位错速度相关的位错运动方程以及位错与多种缺陷间的短程作用法则，发展高速冲击下的三维离散位错动力学算法；在介观尺度上揭示冲击波传播对位错演化和位错-缺陷相互作用的影响，丰富人们对金属材料超高速冲击响应介观机理的认识，为建立“升尺度”晶体塑性有限元本构模型提供坚实的理论依据。

在核工程和国防武器等领域中，金属材料往往要承受高速冲击载荷。金属材料的高速冲击响应及其微细观变形机理极其复杂，其根本原因在于“高温、高压、高应变率下材料内部多维缺陷间复杂的相互作用”，它既是固体力学的前沿科学问题，也是国防工业亟待解决的挑战性课题。本项目从金属微纳米的缺陷出发，研究了高/超高应变率载荷下，金属材料内部缺陷的演化规律，建立了冲击波传播与金属材料塑性变形、破坏的内在关联。. 首先，采用分子动力学方法，研究了高速/近声速运动位错与多维缺陷（位错、晶界、纳米孔洞）之间的相互作用，发现了近声速位错剪切纳米孔洞后的异常滑移运动现象、高速位错碰撞不动位错后的异常增殖现象、高速位错碰撞不同晶界后的穿透和滑移行为，并揭示了这些高速/近声速位错异常行为的机理，为“升尺度”的离散位错动力学模拟算法提炼相应的缺陷短程相互作用法则。其次，为了研究冲击波传播过程中材料微细观尺度下材料内部缺陷的萌生、运动、反应、增殖、湮灭等演化规律，发展了一套可用于固体和流体一维平面冲击波的非平衡分子动力学（NEMD）模拟技术；发展了一套冲击波剖面结构的计算方法，建立了通用的冲击波物理分析程序；基于离散连续DCM方案的位错动力学算法框架，发展了能用于冲击模拟的介观尺度计算方法，编写相应的位错动力学程序。最后，为了揭示冲击波传播和金属冲击塑性响应的内在关联，针对具有纳米晶、孪晶、取向单晶等微结构特征的金属材料，开展了大规模非平衡分子动力学和位错动力学模拟，研究冲击波传播过程中位错/孪晶的演化过程以及最终位错胞演化构型，发现了冲击诱导纳米孪晶呈现多级相变的现象、位错和孪晶变形相互竞争的晶粒尺寸相关性、不同加载路径下位错演化规律差异性、层裂行为的晶粒尺寸和冲击强度相关性。. 这些研究成果不仅能丰富人们对金属材料超高速冲击响应微介观机理的认识，还能为建立“升尺度”晶体塑性有限元本构模型提供坚实的理论依据。