动态加载下铁的塑性与相变微观耦合机制理论研究

Mechanical response behavior under dynamic loading on weapons design, piercing / protective material, compression damping, materials synthesis and stamping molding and other related areas has important significance, and it is also an important scientific research of mechanics of materials under extreme conditions. For materials containing high-pressure phase transition, phase transition associated with the plasticity is a widespread concern basis and very challenging scientific problems. Understanding the interaction between the physical mechanisms of plastic and phase transitions, has important guiding significance for the development of high pressure materials science, and is the key to the establishment of high pressure constitutive relation for materials containing phase transition. This project intends to adopt a large-scale non-equilibrium molecular dynamics simulations combined with embedded atom model to study the evolution of mechanical properties of metallic iron under dynamic loading. With simulating the process of interaction between the microscopic feature plasticity (the movement of dislocation nucleation and the evolution of interface) and the crystal structure changes for polycrystalline iron under a dynamic loading, the lattice-level coupling mechanism is analyzed to give an appropriate physical image and build a theoretical model, which can predict a consistent result for static or dynamic loading, and explain the microscopic mechanism for the effects of different loading rate and initial microstructure and other factors on the mechanical properties of iron. It can provide the physical basis for the establishment of high pressure constitutive relations and a theoretical support for experimental study of dynamic mechanical properties of materials containing phase transition.

动态载荷下材料的力学响应行为对武器设计、穿甲/防护材料、抗压减震、材料冲压合成及成型等相关领域有着重要的指导意义，也是极端条件下材料力学的重要研究方向。对于含相变材料，其相变与塑性的耦合是一个受到普遍关注且极具挑战性的基础科学问题。了解塑性和相变相互影响的物理机制，对于高压材料科学的发展具有重要的指导意义，也是建立含相变材料本构关系的关键所在。本项目拟采用大规模非平衡分子动力学模拟结合嵌入原子模型，选择铁为研究对象，研究其在动态加载下力学性质的演化规律，通过模拟在动态加载过程中的微观特征塑性（如位错形核运动、界面演化等）与晶体结构转变的相互影响过程，分析其晶格层次的微观耦合机制，给出相应的物理图像并建立可同时预测静态与动态特性的理论模型，解释不同加载速率和初始微观结构等因素对力学性质影响的微观机理，为高压下含相变金属材料的动力学性质实验研究提供理论支撑，为其微观本构关系的建立提供物理依据。

采用非平衡分子动力学模拟方法研究了单晶铁、双晶铁、多晶铁以及分别含有柱状孔洞和刃型位错的单晶铁的冲击响应，系统研究了应变速率以及各种类型缺陷对铁冲击塑性与相变行为的影响。对完美单晶铁的冲击模拟发现，当应变率小于1010 s-1 时，相变压力阈值随应变率变化的函数关系服从幂次律。当施加应变速率大于1010 s-1时，模拟结果系统地偏离了原来的幂次律。根据对单晶铁动态失稳的理解，认为动态下的应变率等效于在晶体中引入了应变梯度，使得晶体处于一种稳定的非平衡态，并由此建立了一个新的晶体稳定性判据，该判据能对静态和动态下晶体的稳定性做出一致的解释。在纳米多晶铁铁中冲击塑性与相变的原子模拟结果中，发现晶界对塑性的贡献主要是通过晶界压缩及相关晶粒的各向异性来体现。除了预存位错的移动及在高角晶界处的湮灭之外，没有观察到其它位错相关的塑性过程，这可能与小的晶粒尺寸及高的加载应变率等因素有关。在模拟结果中还发现纳米多晶铁在冲击下可能会出现两种截然不同的相变耦合模式，源于前导塑性形变对相变的作用的不同，对这两种模式作了详细讨论并给出相变路径。在双晶铁的冲击模拟中，研究了不同类型晶界对冲击响应的影响，结果表明各种类型的晶界均能降低相变阈值，其中以Σ3<110>扭转晶界降低效果最显著。由于晶界的存在，冲击波前端扫过晶界时会产生反射波，反射波对马氏体变体选择以及形变机制均有显著影响。此外，还探讨了应力援助（SAT）和应变诱导（SIT）两种相变模式，发现SAT的相变形核势垒高于SIT，因为SAT需要额外的一个压缩过程来积累足够的应变能。通过模拟含纳米柱状孔洞单晶铁的冲击加载过程详细分析了孔洞对马氏体变体选择规律的影响。沿着三个低指数晶向冲击，相比于完美单晶铁，孔洞的存在会增加一种马氏体变体。通过计算应变能和施密特因子，分析了各个马氏体变体所属的相变模式。最后，在单晶铁中预置一根刃型位错并模拟冲击加载过程，结果表明初始刃型位错在冲击波作用下能作为位错的形核点诱发塑性滑移，新位错的形核与传播阶段被激活的滑移系分别为{110}<111>和{112}<111>。此外，在模拟结果中还发现相变产物总是聚集在发生大量塑性变形的区域，这表明塑性与相变之间存在紧密的联系。通过追踪原子运动轨迹发现，塑性滑移会引起相变的穿插滑移面发生偏转，这种偏转引起穿插滑移面上的剪切应力上升，进而诱发BCC→HCP相变。