金屬動態(tài)相變與破壞現(xiàn)象的分子動力學模擬.pdf

1、基于分子動力學模擬及分析方法，對單晶鐵的動態(tài)相變和單晶鋁的動態(tài)破壞行為分別進行了模擬研究，其中鐵和鋁的原子間相互作用均采用嵌入原子法進行描述。研究內(nèi)容主要包括:
　　(1)成功模擬了單晶鐵在一維應(yīng)變條件下從bcc至hcp的結(jié)構(gòu)相變。模擬結(jié)果顯示該相變過程的微觀滑移機制為相鄰兩層(110)或(1(1)0)晶面沿[1(1)0]或[110]晶向的相對滑移。發(fā)現(xiàn)hcp相生長過程可分為均勻形核、柱狀生長、顆粒聯(lián)接與吞并，片狀分層等四個階段。

2、彈性常數(shù)C31和C32在相變前被逐漸硬化，C33則在相變前發(fā)生軟化;樣品完全相變后，上述各彈性常數(shù)隨體積壓縮而迅速硬化。混合相中，hcp相勢能比bcc相高且最大剪應(yīng)力方向與bcc相反向;剪應(yīng)力隨hcp相的質(zhì)量分數(shù)呈線性減小。
　　(2)研究了單晶鐵中沖擊相變的微觀過程和動力學性質(zhì)。獲得了沖擊雨貢紐關(guān)系和波系的傳播規(guī)律;得到了壓力-密度圖上雙波結(jié)構(gòu)和混合相的分布區(qū)間。通過控制活塞加載速度模擬了單晶鐵的準等熵壓縮過程，分析了相變金屬鐵

3、從彈性壓縮、晶格軟化、相變、超應(yīng)力松弛和高壓相彈性壓縮等各階段的原子滑移規(guī)律和應(yīng)力變化特征。
　　(3)研究了[001]晶向應(yīng)變加卸載過程單晶鐵中逆相變過程，分析了相變的可逆性及微結(jié)構(gòu)演化特征。微觀應(yīng)力的變化顯示樣品具有超彈性性質(zhì)，而溫度變化表明在相變和逆相變均為放熱過程。相變起始于爆發(fā)式均勻形核，晶核由塊狀顆粒迅速生長為沿{101}晶面的片狀分層結(jié)構(gòu)，而卸載逆相變則一開始就呈現(xiàn)片狀形態(tài)，且相界面晶面指數(shù)與加載相變完全一致，表現(xiàn)出

4、形態(tài)記憶效應(yīng)。
　　(4)研究了含孔洞單晶鐵中相變由非均勻形核至均勻形核的轉(zhuǎn)變過程。結(jié)果表明非均勻形核的相變時間隨著沖擊壓力增加指數(shù)衰減;給出了相變過程的微觀力學途徑，揭示了混合相中力學量分布特征。模擬分析了單晶鐵中相變的晶向依賴性特征。發(fā)現(xiàn)相變壓力閾值對晶向并不十分敏感，但沿[011]晶向加載混合相的壓力區(qū)間遠小于其他晶向;沿[001]晶向的相變溫升明顯低于其他晶向。研究還發(fā)現(xiàn)沿[001]晶向相變主要是bcc至hcp轉(zhuǎn)變，而沿其

5、他晶向加載則出現(xiàn)由bcc至hcp和fcc結(jié)構(gòu)兩種相變過程。
　　(5)研究了沖擊誘導金屬鋁表面溝槽產(chǎn)生微射流的微觀過程和動力學性質(zhì)。獲得了較寬沖擊壓力范圍內(nèi)，微射流的形態(tài)及其質(zhì)量分布變化。分析了樣品近表面非晶態(tài)轉(zhuǎn)變和卸載熔化過程，獲得了卸載熔化對微射流質(zhì)量及其分布的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):樣品熔化之前，微射流質(zhì)量與波后粒子速度呈線性增加關(guān)系;卸載熔化出現(xiàn)后，微射流質(zhì)量開始迅速增加;當卸載熔化速度足夠快時，微射流質(zhì)量與波后粒子速度再次表

6、現(xiàn)出線性增加關(guān)系。微射流頭部速度則始終與波后粒子速度保持線性關(guān)系。
　　(6)研究了三角波加載下金屬鋁動態(tài)破壞的微觀過程和動力學性質(zhì)。給出了樣品中微結(jié)構(gòu)演化過程，解讀了熔化前后物質(zhì)破壞模式差異。討論了破碎區(qū)內(nèi)物質(zhì)形態(tài)和密度分布的變化，給出了熔化前后破壞深度的變化規(guī)律?；趬毫蜏囟鹊攘W量波形，給出了高應(yīng)變率下材料內(nèi)部動態(tài)拉伸強度隨溫度的變化規(guī)律。最后，討論了聲學近似計算出的材料強度與內(nèi)部應(yīng)力直接統(tǒng)計結(jié)果的主要差異。
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