lt111gt晶向冲击加载下铜中空洞演化的微观机制研究.pdf

四川大学硕士学位论文晶向冲击加载下铜中空洞演化的微观机制研究凝聚态物理专业研究生邓小良指导教师伍登学教授祝文军副研究员材料的动态断裂是一个跨尺度问题要深入理解材料的动态断裂过程，需要在不同的尺度上进行研究人们借助传统的实验手段和理论分析从宏观尺度对这个问题进行了许多研究，并取得了很大进展随着对动态断裂现象研究的越来越深入，人们已经意识到从原子尺度对这一问题进行研究的重要性但一方面由于受目前实验手段在时间和空间分辨率上的限制，现在还无法通过传统的实验方法直接获取动态断裂过程中原子尺度上的信息；另一方面，由于原子尺度上晶格结构的空间离散性，基于连续介质力学的方法在研究原子尺度问题时也遇到困难层裂是材料在动态拉伴条件下发生的一种断裂现象，已有的研究已经发现延性材料的层裂过程可以分为微空洞的成核、生长和贯通三个阶段但如前所述，由于实验观测和连续介质力学的局限，对于空洞成核、生长的微观机制还缺乏深入了解本文采用分子动力学方法模拟计算了冲击加载下单晶铜中纳米空洞演化，得到了在沿 晶向加载下空洞增长的微观机制和定量规律，以及伴随着空洞增长，空洞周围区域发生塑性变形的微观过程，并借助位错弹性理论进行了分析。

模拟计算过程中采用活塞模型在模拟体系内产生冲击波，模拟体系中心预置一个纳米空洞，冲击加载方向采用自由边界条件，其余两个方向为周期性边界条件动态拉伸由冲击波在自由面反射的稀疏波在体系内相互作用而产生借助结构分析技术，观察到了伴随着微空洞增长，在它周围区域发生塑性变形的过程在沿 晶向冲击加载时，面心立方( F C C ) 结构4 族fl11 ，滑移面中有3 族发生了滑移，在所激活的三族f l l l ) 晶面上，观察到位错在空洞表面附近区域成核，然后向外滑移其中剪切应力最大的 方向位错四川大学硕士学位论文速度超过铜中的横波声速，其它 方向的位错速度低于横波声速，模拟得到的位错阻尼系数范围与实验范围接近模拟计算结果显示在不同的冲击加载强度下，等效空洞半径均随时间近似成线性变化，在确定的冲击强度F ，等效空洞半径增长速率近似为一常数同时通过考察不同加载强度下微空洞的增长过程，观测到单空洞增长的两种位错生长机制：加载强度较低时，只在沿着冲击加载方向的空洞顶点附近区域有位错的成核和运动；而随着加载强度超过一定闽值，在沿冲击加载和其垂直方向的空洞顶点区域都观察到位错的成核和运动在前一种机制作用下，空洞只沿加载方向增长；在后一种机制作用下，空洞同时沿加载和垂直于加载方向增长。

通过分析空洞表面原子的位移历史，发现沿加载及与其垂直的方向上空洞顶点沿径向的速度基本恒定，由此提出了一个空洞增长模型，该模型可以很好的解释空洞的线性增长规律模拟结果显示，在同样的冲击加载强度下，初始半径较大的空洞其增长速率也较快本文从原子尺度研究了单晶铜中空洞在冲击加载下的演化过程，揭示了空洞在沿 晶向冲击加载下增长的两种微观机制，以及伴随着空洞的增长其周围区域发生塑性变形的完整物理图像，这些信息对更加深入理解延性材料动态断裂问题有重要的意义关键词：层裂，空洞，分子动力学，冲击加载I l四川大学硕士学位论文M i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo fv o i de v o l u t i o ni nc o p p e ru n d e rs h o c kl o a d i n ga l o n g d i r e c t i o nC o n d e n s e d - m a t t e rP h y s i c sP o s t g r a d u a t eS t u d e n t ：D e n gx i a o l i a n gS u p e r v i s o rW uD e n g —X u e ( P r o f e s s o r )Z h uW e n j u n ( A s s o c i a t eP r o f e s s o r )D y n a m i cf r a c t u r eo fm a t e r i a l si sam u l t i —s c a l ep h e n o m e n o n ．D e e pu n d e r s t a n d i n go fd y n a m i cf r a c t u r en e c e s s i t a t e st h es t u d i e sa td i f f e r e n tt i m ea n ds p a t i a ls c a l e sT h e r eh a v eb e e nm a n yr e s e a r c h e sb a s e do nt r a d ] f i o n a lm a c r o s c o p i ce x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n dc o n t i n u u mt h e o r i e s ，a n dt h r o u g ht h e s em e t h o d sa1 0 to fa c h i e v e m e n t sw e r eo b t a i n e d ．A sw e k n o wm o r ea b o u td y n a m i cf r a c t u r e ，t h ei m p o r t a n c eo ft h ea t o m i s t i ci n f o r m a t i o nb e c o m e sm u c hc l e a rf o rf u l l yu n d e r s t a n d i n go fd y n a m i cf r a c t u r e ．H o w e v e r ，d u et ot h el i m i t a t i o no fs p a t i a la n dt i m es c a l e ，i ti sn o ta b l et od i r e c t l yo b s e r v et h ea t o m i s t i cp i c t u r e so fd y n a m i cp r o c e s si nn e a rf u t u r e ．F u r t h e r m o r e ，b e c a u s em a t e r i a l sh a v ed i s c r e t en a t u r e ，c o n t i n u u mt r e a t m e n t st l l ' ed i f f i c u l tt ob ea p p l i e dt oa t o m i s t i cs c a l e ．S p a l l M i o ni saf r a c t u r ep h e n o m e n o nu n d e rd y n a m i ct e n s i o n ．P r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t sa b o u td u c t i l em e t a l sh a v es h o w ns p a l l a t i o nc o n s i s t so ft h r e es t a g e s ：v o i dn u c l e a t i o n ，g r o w t h ，a n dc o a l e s c e n c e ．H o w e v e r ．i ti Ss t i l ln o te n o u g ht ou n d e r s t a n dm i c r o s c o p i cm e c h a n i s ma b o u tt h e md u et ol i m i t a t i o no fe x p e r i m e n tc o n d i t i o n sa n dt h et h e o r y ．I nt h i sw o r k ．e v o l u t i o no fn a n o ．v o i di ns i n g l ec r y s t a lc o p p e ru n d e rs h o c kl o a d i n gi si n v e s t i g a t e db ym e a n so fM D ．耶1 em i c r o s c o p i cm e c h a n i s ma n dq u a n t i t a t i v el a wo fv o i dg r o w t ha r eo b t m n e d u n d e r s h o c kl o a d i n g ．I na d d i t i o n ．t h em i c r o s c o p i cp r o c e s so f p l a s t i c i t yd e f o r m a d o na r o u n dt h ev o i di sa l s oo b s e r v e da n da n a l y z e dw i t he l a s t i ct h e o r yo f d i s l o c a t i o nI l I四川大学硕士学位论文Ap i s t o ni su s e dt og e n e r a t es h o c kw a v ei nt h em o d e lw h i c hi n c l u d e sap r e e x i s t i n gn a n o ．v o i d ．F r e es u r f a c ec o n d i t i o ni sa p p l i e da l o n gs h o c kd i r e c t i o na n dt h eo t h e rt w op e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n sa r ep e r i o d i c a lb o u n d a r yc o n d i t i o n ．W eo b s e r v e dt h ep r o c e d u r eo fp l a s t i c i t yd e f o r m a t i o na s s o c i a t i n gw i t ht h ev o i dg r o w t hb ym e a I l So fs t r u c t u r ea n a l y s i st e c h n i q u e ．T h er e s u l t so fs i m u l a t i o nr e v e a lt h a ti nt h et e n s i l ep r o c e s st h e r ea r et h r e eo fa l lf o u r { 111 )p l a n ef a m i l yt ob ea c t i v a t e dt og l i d e ，d i s l o c a t i o n sa r en u c l e a t e di nt h er e g i o nn e a rt h ev o i ds u r f a c ea n dt h e nm o v eo u t w a r do nt h r e e { 1 1l } p l a n ef a m i l ya st h ev o i dg r o w s ．T h ev e l o c i t yo fd i s l o c a t i o na l o n g d i r e c t i o n sw i t hm a x i m u mr e s o l v es h e a rs。