高应变率加载下材料变形损伤及相变的微观机理研究

摘要

冲击波物理是研究凝聚态介质在高应变率或瞬时载荷作用下产生极端高温高压状态时各种物理、力学或化学现象和变化规律的科学。其目的是建立起对材料和结构在高应变率加载下表现出的动力学行为进行正确预测、评价和分析的科学方法。因而冲击波物理的研究内容包括理论研究、模拟研究和实验研究。本文主要通过分子动力学模拟以及理论推导，辅以气炮实验，细致研究了典型材料中的变形、损伤以及相变等过程，详尽分析了其中的微观机理和动力学过程。主要的研究内容包括:
　　(1)建立了在不同加载条件下描述LJ单晶中匀质分位错成核的定量模型。在该模型中，静水压以及所有的非施密特偏应力分量均会对临界分解剪应力造成影响。随后我们用分子动力学模拟检验了该模型。在沿着25个不同方向加载时，该模型均能预测出正确的滑移系，其得到的临界剪应力也在合理的误差范围内。此外，还提出了新的参数SF*来取代传统的施密特因子。
　　(2)用分子动力学研究了单晶和纳米多晶PETN中的冲击响应。在单晶中，冲击导致的塑性变形和分解剪应力的计算结果以及空间位阻模型一致。在多晶中，热点与晶界摩擦以及晶界起始的塑性变形直接相关，并且该变形由晶粒取向和分解剪应力决定。晶界摩擦本身能造成热点，但当其和晶界起始的塑性变形或晶界原子偏离晶界的滑移耦合在一起时，热点温度会急剧增加。
　　(3)用经典分子动力学模拟了液体铜由平板冲击导致的层裂。模拟在不同加载条件下进行，并且发现它们对层裂强度有显著影响。详细讨论了实验中由自由面速度推导层裂强度以及应变率的声波方法，并将其和模拟直接得到的结果进行了对比。检查了温升、拉伸衰减、声速以及密度等对声波方法造成的影响，并对它们造成的误差进行了量化。此外还提出了改进声波方法中参数选择的方案。
　　(4)用分子动力学模拟了液体铜空穴现象中纳米孔洞的匀质成核现象。通过追踪孔洞的时间演化，以及MFPT和SP等方法细致分析了成核过程中的行为。此外，通过独立的经典成核理论的计算，得出该理论能够很好的描述模拟的过程。不同于前人的工作，我们用Tolman公式描述了表面能随孔洞半径的变化，而不是将其假定为不变。
　　(5)用分子动力学模拟证明了液体铜中的匀质结晶成核可以在一定量的过冷度下发生，而该过冷度由准等熵加载或斜坡加载在一定的粒子速度和斜坡时间中得到。得到了斜坡时间-粒子速度-过冷度之间的关系，并且发现当斜坡时间达到100 ps时，斜坡加载接近于等熵加载。此外，还发现匀质成核同样能在初始过冷的液体中通过冲击加载得到。
　　(6)用铜和LJ液体的分子动力学模拟证明了在这两种液体的拉伸强度中，时间尺度和空间尺度扮演了同样的角色。基于该等效模型的预测和独立的模拟结果相吻合，并且和液态金属的实验结果相近。通过仔细分析经典成核理论，我们发现该等效性与尺寸和应变率在新相成核过程中扮演的角色有关。该等效性预期能适用于大范围的材料和过程中，并作为连接多尺度问题的桥梁。
　　(7)通过线弹性理论的推导、分子动力学模拟、以及气炮实验验证了立方晶体中双弹性波的存在。该双波只在沿着某些对称性低的晶向中才能传播，而在如[100]，[110]等对称性高的方向中弹性波以单波形式传播。弹性双波在传播中会导致晶粒的旋转，而该旋转和初始塑性变形有密切联系。

目录

声明

摘要

插图索引

表格索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 基本概念介绍

1．2．1 高应变率加载

1．2．2 晶体中的塑性变形

1．2．3 材料中的损伤

1．2．4 冲击(高应变率)加载导致的相变

1．3 关键科学问题的研究现状

1．4 本文主要工作

第2章 研究方法

2．1 引言

2．2 分子动力学模拟

2．2．2 分子动力学的基本概念和模拟步骤

2．2．3 分子模拟物理量与宏观物理量对应关系

2．3 实验方法

2．3．1 加载方法

2．3．2 探测方法

2．4 分子动力学模拟与实验的关联和区别

第3章 加载对临界剪应力的影响

3．1 引言

3．2 模型与方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 静水压影响

3．3．2 滑移方向

3．3．3 滑移模型

3．3．4 分子动力学模拟验证

3．3．5 不同晶向对比分析

3．3．6 应用于高压情况

3．4 本章小结

第4章 单晶和多晶季戊四醇四硝酸酯的冲击响应：含能材料中热点形成可能的影响

4．1 引言

4．2 模型与方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 单晶PETN

4．3．2 规则柱状晶，T1方向

4．3．3 柱状晶：其他加载方向和不规则晶粒形状

4．4 本章小结

第5章 液体铜的层裂强度和声波方法的精度

5．1 引言

5．2 模型与方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 分子动力学模拟

5．3．2 声波方法

5．4 本章小结

第6章 液体中的空穴现象：纳米孔洞的匀质成核及长大

6．1 引言

6．2 模型与方法

6．3 结果与讨论

6．4 本章小结

第7章 准等熵加载下液体铜中的匀质成核结晶

7．1 引言

7．2 模型与方法

7．3 结果与讨论

7．4 本章小结

第8章 液体中的拉伸强度：空穴现象中的时空等效模型

8．1 引言

8．2 模型与方法

8．3 结果与讨论

8．4 本章小结

第9章 立方结构单晶材料中弹性双波的理论、模拟以及实验研究

9．1 引言

9．2 理论

9．3 分子动力学模拟

9．4 气炮实验

9．4 本章小结

第10章 总结与展望

10．1 工作总结

10．2 主要创新点

10．3 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果