鐵沖擊塑性與相變的原子模擬.pdf

1、自上世紀(jì)五十年代第一個(gè)高壓相變——鐵的α(→)ε相變被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，以揭示該相變?cè)跊_擊下的轉(zhuǎn)變過(guò)程和機(jī)理為主要目標(biāo)的研究一直是高壓領(lǐng)域關(guān)心的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。由于該相變發(fā)生的時(shí)間極其短暫，而且是可逆的，受到實(shí)驗(yàn)偵測(cè)手段的限制，該研究一直停留在宏觀層次的自由表面速度波形結(jié)構(gòu)的解讀上，直到最近十年，實(shí)驗(yàn)上才能對(duì)這種結(jié)構(gòu)相變進(jìn)行直接地觀察。然而，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍難以做到對(duì)沖擊下整個(gè)相變過(guò)程進(jìn)行直接地觀察，所以還需要與一些理論方法結(jié)合來(lái)理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。目

2、前，利用非平衡分子動(dòng)力方法與實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合的研究方式，在鐵的沖擊相變研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量成果，例如實(shí)驗(yàn)成功地驗(yàn)證了非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬中觀察到的沿單晶鐵[001]晶向沖擊的相變機(jī)制。然而，用非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬鐵的沖擊相變時(shí)也出現(xiàn)了一些嚴(yán)重的問(wèn)題，比如除了[001]晶向以外的其它低指數(shù)晶向上的沖擊相變產(chǎn)物中存在大量非真實(shí)的FCC相、沒(méi)有出現(xiàn)相變前應(yīng)有的塑性過(guò)程等。出現(xiàn)這些問(wèn)題的根本原因在于所使用的鐵的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，以前構(gòu)建的勢(shì)

3、函數(shù)的主要目的是針對(duì)平衡體系的熱力學(xué)行為及性質(zhì)的研究，沒(méi)有考慮高壓下的應(yīng)用，因此當(dāng)這些勢(shì)函數(shù)被應(yīng)用到高壓環(huán)境時(shí)就有可能出現(xiàn)上述那些問(wèn)題。
　　本文按照平衡態(tài)勢(shì)函數(shù)的構(gòu)建思路重新構(gòu)建了鐵的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，然后通過(guò)一些針對(duì)具體高壓應(yīng)用的判據(jù)（相變壓力閾值和高壓物態(tài)方程）來(lái)優(yōu)選前面得到的勢(shì)參數(shù)組，產(chǎn)生最優(yōu)化的鐵的勢(shì)函數(shù)。經(jīng)過(guò)靜態(tài)驗(yàn)證鐵的各種物理性質(zhì)并應(yīng)用于動(dòng)態(tài)壓縮下發(fā)現(xiàn)，該新的鐵的勢(shì)函數(shù)能夠克服以前的勢(shì)函數(shù)不能產(chǎn)生相變前的塑性及出

4、現(xiàn)虛假的FCC相的問(wèn)題，這證明該勢(shì)函數(shù)對(duì)于鐵沖擊塑性與相變問(wèn)題的研究是可信的。
　　然后，利用新構(gòu)建的鐵的勢(shì)函數(shù)研究了相變對(duì)斜波加載準(zhǔn)等熵性的影響，發(fā)現(xiàn)相變是造成溫度顯著升高，破壞加載的準(zhǔn)等熵性的主要原因，其引起的溫升隨斜波上升（rrising）時(shí)間的增大而減小，隨最終加載速率（vp）的增大而增大。然而，這兩個(gè)加載參數(shù)對(duì)準(zhǔn)等熵性的影響并不能按照簡(jiǎn)單斜波坡度來(lái)理解，即，認(rèn)為加載的準(zhǔn)等熵性與vp/rrising正相關(guān)。本文推導(dǎo)出了一個(gè)

5、簡(jiǎn)化的量化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)按照Swegle-Grady定律，加載的準(zhǔn)等熵性受vp影響的最高冪次可達(dá)vn-1p，而僅與rrising負(fù)相關(guān)。另外，還發(fā)現(xiàn)沖擊波的初始形成是源于晶格的失穩(wěn)形變，此時(shí)形成的沖擊并未破壞準(zhǔn)等熵性，而造成明顯的溫升現(xiàn)象。等到后面的塑性或相變波追趕并超過(guò)該初始沖擊波前之后，沖擊波前的溫升才會(huì)顯著上升。
　　本文還針對(duì)單晶鐵與納米多晶鐵中的沖擊塑性與相變微觀耦合機(jī)制問(wèn)題的研究，提出了c軸取向分析、晶格分析及與之相聯(lián)系的

6、晶體學(xué)分析方法。應(yīng)用這些分析方法，本文分別從塑性機(jī)制及相變機(jī)制角度研究了它們之間的微觀相互作用，發(fā)現(xiàn)在單晶鐵中僅會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力援助的相變耦合模式，而在多晶鐵中可以同時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力援助和應(yīng)變誘導(dǎo)的相變耦合模式。對(duì)這兩種相變耦合模式在原子層次上分別從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行了比較與分析，結(jié)果表明，作為區(qū)別不同物理過(guò)程的一個(gè)重要標(biāo)志——相轉(zhuǎn)變路徑，它在這兩種相變耦合模式下表現(xiàn)出截然不同的特征。在應(yīng)力援助相變耦合模式中，整個(gè)相轉(zhuǎn)變過(guò)程總是以沿<001>B

7、CC晶向的壓縮開(kāi)始，以相鄰{110}BCC面間的穿插運(yùn)動(dòng)結(jié)束，其中，第一步的壓縮過(guò)程以積累應(yīng)變能的形式為后續(xù)相變提供力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，促使相變的發(fā)生。在應(yīng)變誘導(dǎo)相變耦合模式中，整個(gè)相轉(zhuǎn)變過(guò)程可以看成是，先由BCC鐵沿[110]BCC和[1-10]BCC壓縮形成一個(gè)類似FCC的晶格，然后在每?jī)蓪?10-1)BCC面上沿[101]BCC滑移形成最終的HCP相。然而，這兩步幾乎是同時(shí)開(kāi)始的，因此這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)FCC相。在該模式中，局域應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的