单晶铜柱面会聚冲击响应的原子模拟

摘要

高压冲击载荷下材料的结构和力学响应行为及规律研究对武器设计、材料合成及成型和能源开发等相关领域有着重要的指导意义，也是压缩科学的一个重要研究方向。受超快响应过程和体系处于高压、高温等极端状态的影响，目前有关材料冲击响应的研究主要集中于技术上易于实现和诊断的平面冲击情况。平面冲击响应中的变形模式通常是最简单的，仅能体现实际应用和复杂实验中非常有限的部分应力与应变状态。与平面冲击相比，材料在柱面或球面等非平面冲击载荷下受到的应变约束不同，材料内部单元间的相对运动引起了明显的局部变形，因此材料的冲击响应规律和微观响应机制必然会有差别。为认识整个应力与应变状态下的材料本构关系和提高动态材料模型的置信度，需进一步研究认识材料在更加复杂的非平面冲击加载条件下的响应规律。　　本文通过引入势壁与原子之间的相互作用，结合非平衡态分子动力学方法，开发了柱面会聚冲击加载原子模拟技术。以单晶铜为研究对象，研究了柱面轴分别沿[001]、[110]以及[111]晶向的会聚冲击响应规律。冲击模拟研究的内容如下：(1)研究了原子的速度波形，在柱面轴沿[100]晶向的冲击加载中，由于弹性波的各向异性，其波形会由原本的圆柱形转变为四边柱形，而且弹性波沿〈100〉晶向族的传播要慢于沿〈110〉，但是沿〈100〉晶向族塑性波传播要快于〈110〉晶向族，这种现象也出现于柱面轴沿[110]的会聚冲击过程中。(2)冲击波前温度在三个会聚冲击中都比较高，但是其会随着冲击波地推进而减小。柱面会聚冲击中位错成核所需应力小于平面冲击加载中的，这是由于前者的温度(热点区域)在相同条件下比后者温度要高得多，而HEL会受温度的影响。(3)由于本文研究的速度不大，所以其主要缺陷为层错结构，没有观察到孪晶。通过c轴与极图结合分析，可以得到柱面轴沿[001]会聚冲击有4个滑移面；[110]有6个滑移面；[111]有3个滑移面。其中对柱面轴沿[001]情况的滑移面算了其切应力(RSS)与滑移面的法向应力，位错成核的因素不仅仅是由斯密特因子决定的RSS，还有滑移面的法向应力；分别就[110]与[111]情况下的位错环运动做了说明，发现其位错环运动与平面单轴拉伸中位错环运动相似；运用DXA分析，在微观尺度观察到了位错的分解与合成反应。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1压缩科学简介

1.2 材料的动力学行为

1.3铜的冲击塑性研究现状

1.4 非平面冲击加载研究意义

1.5 总结与选题说明

第 2 章 模型与计算方法

2.1 引言

2.2 分子动力学模拟方法

2.2.1 分子动力学计算的基本原理

2.2.2数值计算方法

2.2.3 势函数

2.2.4 周期性边界条件

2.3 局域分析方法

2.4 本章小结