分子动力学模拟冲击波在纳米金属铜中的传播

摘要

材料的动态行为是许多学科研究的交叉领域，在工业、武器、航空航天等领域有着广泛的应用。冲击波加载是一种常见的在材料中产生高应变率动态变形的实验手段。利用传统的实验手段可以测量得到冲击波的波形，冲击波波形反映了材料的动态响应特征，包括材料物态改变、强度变化等。其中强度变化通过塑性实现，在一般延性金属材料中包括位错滑移、晶界行为、相变等。这些变形机制决定的金属微观结构变化的宏观效应在冲击波波阵面的波形上得到体现。随着对冲击波波阵面研究的深入，人们已经意识到从微观角度研究这一问题的重要性。尽管目前已经可以通过透射电镜(TEM)观察冲击回收样品的残余微结构，但仍然很难从中获取波阵面上材料微观变形的细节和与波形对应的关系。
　　分子动力学模拟可以直接观察到材料动态变形过程中微观结构变化的细节。已有的对冲击波在单晶金属中传播的模拟给出了加载过程中位错成核并发射的细节，并可直接观察到相变过程中原子移动的过程，这些观察到的单晶微观变形机制可反映在冲击波波阵面上。一般金属材料均为多晶，其晶界行为对动态变形有重要贡献，但在常规实验中难以观察。纳米多晶金属的晶粒尺度特别小，晶界原子比例特别高，成为分子动力学研究晶界问题的最好对象。已有的对冲击波在纳米金属中传播的模拟发现冲击下纳米金属变形的最重要的两种机制为晶界滑移和位错发射。由于纳米金属变形的复杂性，目前仍未有纳米金属波阵面上变形机制与冲击波波形对应关系的报道。
　　本文利用分子动力学方法模拟了冲击波在纳米金属铜中的传播，首次得到了纳米金属铜在冲击波作用下微观变形的细节及其与冲击波波阵面的关系。纳米金属铜样品的初始结构由经过改进的Voronoi方法得到，之后采用共轭梯度法降低初始样品的能量。因为存在残余应力的关系，经过共轭梯度法降低能量后的样品需要经过热力学弛豫过程后才能被认为是稳定的。热力学弛豫过程包括一个等压的加热过程和一个降温过程。最终使样品达到能量最低的稳定结构。利用缺陷分析程序对样品进行分析，样品最终结构与纳米金属铜的TEM图像符合较好。
　　用于冲击的样品包含8890877个原子，样品尺寸为120nm×30nm×30nm，晶粒平均尺寸为10nm。为便于分析，样品中晶粒取向被限定在三个范围，尽量将晶界滑移和位错这两种变形机制在空间和时间上区分开。模拟计算过程采用活塞法在样品中产生冲击波，利用缺陷分析程序分析样品冲击后微结构并采用统计方法获取冲击波波形。
　　模拟结果首次显示冲击波加载下纳米金属铜中有多次屈服现象发生，并且冲击波具有与之对应的多波结构。由于样品中晶粒沿冲击方向的晶体学取向被限定在三个范围，并非完全随机，晶界滑移机制和位错机制在冲击波波形上被明显区分开。冲击波波阵面由弹性变形区域、晶界滑移主导的塑性变形区域和位错运动主导的塑性变形区构成。冲击波到达时，纳米金属铜内部先经历弹性变形，然后晶界发生滑移导致屈服。随后位错自晶界处发射、运动穿过晶粒内部，晶粒内部屈服，塑性变形由位错运动主导。经过观察分析，可以清楚地在流应力波剖面上分辨出晶界滑移区和位错运动区。冲击波波阵面上弹性波前沿扰动较小，由弹性波速度的各向异性造成;由位错主导的塑性波前沿扰动较大，一部分源于波速各向异性，另一部分原因在于波阵面上不同取向晶粒的屈服有先后顺序。冲击强度越大，总的波阵面宽度越小。
　　研究结果第一次把纳米金属在冲击压缩下微观结构演化的特征过程与宏观波剖面联系起来，不仅对研究纳米金属材料的动态力学性质有显著的促进作用，还为深入研究金属材料的弹塑性提供了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 材料动态力学性质研究概述

1．2 原子尺度研究冲击问题的意义

1．3 分子动力学模拟冲击波在FCC单晶金属中的传播

1．4 分子动力学方法模拟纳米金属的动态力学性质

1．5 本文的研究内容和意义

第二章 分子动力学方法

2．1 分子动力学概述

2．2 分子动力学基本计算过程

2．2．1 计算过程初始化

2．2．2 计算过程的控制

2．2．3 近邻表算法

2．2．4 求解牛顿方程

2．2．5 输出

2．3 分子动力学模拟产生冲击波的方法

2．4 可视化数据方法

第三章 多晶结构的获取

3．1 纳米金属结构特征

3．2 获取初始样品的方法

3．2．1 Voronoi方法

3．2．2 Voronoi方法的算法实现

3．3 弛豫过程

3．4 模拟样品结构特征

3．5 小结

第四章 冲击波在纳米金属铜中的传播

4．1 计算模型的建立

4．2 计算结果和讨论

4．3 小结

第五章 全文总结

参考文献

在读期间取得的研究成果

致谢