李俊吳強(qiáng) 于繼東 譚葉 姚松林 薛桃 金柯

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所,沖擊波物理與爆轟物理實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621900)

鐵沖擊相變的晶向效應(yīng)?

李俊?吳強(qiáng) 于繼東 譚葉 姚松林 薛桃 金柯

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所,沖擊波物理與爆轟物理實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621900)

(2017年1月2日收到;2017年4月12日收到修改稿)

采用基于火炮加載的三樣品精細(xì)波剖面對(duì)比測(cè)量,研究了晶向效應(yīng)對(duì)鐵彈-塑性轉(zhuǎn)變及體心立方結(jié)構(gòu)(bcc,α相)至六角密排結(jié)構(gòu)(hcp,ε相)相變特性的影響.觀測(cè)到單晶鐵異常的彈-塑性轉(zhuǎn)變行為,這與基于位錯(cuò)密度描述的黏塑性本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果相符,對(duì)應(yīng)的Hugoniot彈性極限δHEL均大于6 GPa,且具有晶向相關(guān)性,即δ111HEL＞δ110HEL＞δ100HEL;系統(tǒng)獲取了相變起始?jí)毫PT晶向相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),[100],[110]和[111]晶向的PPT實(shí)測(cè)值分別為13.89±0.57 GPa,14.53±0.53 GPa,16.05±0.67 GPa,其變化規(guī)律與非平衡分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果相符.上述結(jié)果揭示出沖擊壓縮下單晶鐵存在塑性與相變微觀機(jī)理的強(qiáng)耦合,為完善用于沖擊實(shí)驗(yàn)描述的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型提供了重要的實(shí)驗(yàn)支撐.

相變,彈-塑性轉(zhuǎn)變,晶向效應(yīng),鐵

1 引 言

作為地球內(nèi)、外核的主要成分和工業(yè)領(lǐng)域重要的應(yīng)用材料,鐵在高溫高壓下呈現(xiàn)出多種物相結(jié)構(gòu),包括α相(體心立方,bcc),γ相(面心立方,fcc), ε相(六角密排,hcp),以及一些可能存在但尚未確定的相結(jié)構(gòu)[1].因此,鐵在高溫高壓下的物性和相結(jié)構(gòu)特性(包括物態(tài)方程、固-液熔化、固-固相變等)一直是高壓物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),不僅有助于深化我們對(duì)地球、天體物理的認(rèn)識(shí),而且有助于推動(dòng)材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、高壓物理等學(xué)科的發(fā)展.鐵從體心立方結(jié)構(gòu)至六角密排結(jié)構(gòu)的相變行為是研究最早、最廣泛的例子.自1956年Minshall等[2,3]首次在沖擊壓縮條件下發(fā)現(xiàn)鐵多型相變,開辟?zèng)_擊相變研究的新方向以來,人們已開展了大量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和理論探索,獲取了相結(jié)構(gòu)、相變序列和相界等信息[4-6],還觀測(cè)到與動(dòng)力學(xué)有關(guān)的非平衡相變特征[7-24].但是由于缺乏更為系統(tǒng)、深入的實(shí)驗(yàn)診斷和數(shù)值模擬能力,對(duì)相變動(dòng)力學(xué)微觀物理機(jī)理及影響因素(如初始溫度、壓力幅度、加載速率、單晶晶向等如何影響相變波剖面細(xì)觀特征及轉(zhuǎn)變速率)僅有一些初步的認(rèn)識(shí),且仍然存在爭(zhēng)議.其中,鐵沖擊相變的晶向效應(yīng)是近年來人們關(guān)注較多且有待澄清的基本科學(xué)問題之一.

鐵的晶向效應(yīng)研究始于2002年Kadau等[14-16]的報(bào)道,他們利用百萬原子量級(jí)的非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬(NEMD)研究不同晶向鐵在相變過程中雙波結(jié)構(gòu)的形成以及相變成核的微觀特征.研究發(fā)現(xiàn),相變壓力與單晶鐵的晶向密切相關(guān),即沿[100],[110],[111]晶向的相變閾值壓力分別為15,17,20 GPa;且不同晶向的相轉(zhuǎn)變路徑及機(jī)理也存在差異,即[100]晶向?yàn)橛行蜣D(zhuǎn)變,高壓相為hcp結(jié)構(gòu),相變主導(dǎo)機(jī)理為相鄰原子的馬氏體轉(zhuǎn)變(母相與子相有固定的晶體取向關(guān)系),對(duì)應(yīng)渡越時(shí)間約為50 ps,而[110],[111]晶向的轉(zhuǎn)變則存在大量fcc亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),相轉(zhuǎn)變的渡越時(shí)間更長(zhǎng).后來,王昆等[17]、盧志鵬等[18]在計(jì)算中進(jìn)一步考慮了塑性變形與相轉(zhuǎn)變過程的耦合,得到沿[001],[110]和[111]晶向的相變壓力分別為18.0,22.3,23.8 GPa,并認(rèn)為Kadau等NEMD模擬中出現(xiàn)fcc亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)有可能是勢(shì)函數(shù)造成的一種假象.不難看出,上述理論計(jì)算預(yù)測(cè)了單晶鐵相變特性及其微觀機(jī)理的差異,但仍有認(rèn)識(shí)分歧,需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給予證實(shí).但有關(guān)單晶鐵的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)少有報(bào)道.2009年Jensen等[21]曾開展了沖擊加載下[100]晶向單晶鐵的相變動(dòng)力學(xué)研究,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了單晶鐵與多晶鐵相變壓力閾值的差異,獲取[100]晶向鐵α→ε相變起始?jí)毫?4.26 GPa,高于多晶鐵(實(shí)測(cè)值為12.89 GPa).同時(shí),他們利用基于反向碰撞法(即樣品作為飛片直接撞擊窗口)的波剖面測(cè)量,觀測(cè)到α→ε相轉(zhuǎn)變的遲滯特征,且渡越時(shí)間隨碰撞壓力呈非線性變化趨勢(shì),從碰撞壓力在相變壓力附近的百納秒量級(jí)降低至18—20 GPa壓力范圍的亞納秒量級(jí).

由此可見,目前對(duì)于鐵沖擊相變的晶向效應(yīng)研究尚缺乏系統(tǒng)性、規(guī)律性的認(rèn)識(shí),塑性變形如何影響相變特性?不同晶向的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和相變機(jī)理是否存在差異(如[110]和[111]晶向的轉(zhuǎn)變是否涉及NEMD模擬預(yù)測(cè)的亞穩(wěn)態(tài)相)?針對(duì)這些問題還需開展更深入的研究工作.鑒于此,本文從單晶鐵的精細(xì)相變波剖面和相變起始?jí)毫y(cè)量著手,將其作為甄別單晶鐵晶向效應(yīng)的第一步,系統(tǒng)地研究了[100],[110]和[111]晶向單晶鐵的彈-塑性轉(zhuǎn)變及相變動(dòng)力學(xué)行為,為驗(yàn)證單晶鐵沖擊相變的晶向相關(guān)性、分析相變微觀機(jī)理提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐.

2 實(shí)驗(yàn)方法

作為認(rèn)識(shí)沖擊相變的重要實(shí)驗(yàn)手段,精細(xì)波剖面測(cè)量可以提取相變壓力、轉(zhuǎn)變速率等重要信息.為此,單晶鐵沖擊實(shí)驗(yàn)采用了基于三樣品對(duì)比法的波剖面測(cè)量,這種方法不僅可以保證實(shí)驗(yàn)加載條件的一致性,以更清楚地區(qū)分晶向效應(yīng)的影響,而且可以有效地節(jié)約實(shí)驗(yàn)發(fā)數(shù),提高實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)比.

實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示,采用火炮加載方式(可控彈速范圍0.3—1.5 km/s)進(jìn)行一維平面沖擊加載.實(shí)驗(yàn)所用飛片和窗口均為z切藍(lán)寶石(Al2O3)單晶圓片,表面經(jīng)光學(xué)拋光處理;單晶鐵樣品由德國(guó)MaTeck公司提供,包括[100],[110]和[111]三個(gè)晶向,由分子束外延法生長(zhǎng),純度大于99.98%,樣品圓片采用高功率激光束切割而成,晶向角偏差小于0.5°,表面粗糙度小于30 nm.實(shí)驗(yàn)中各部件的名義尺寸列于表1中,確保在有效觀測(cè)時(shí)間內(nèi)界面測(cè)量區(qū)域不受樣品邊側(cè)稀疏波和飛片后界面追趕稀疏波的影響.測(cè)試系統(tǒng)包括多普勒光探針(DPS)和全光纖式激光干涉速度測(cè)量?jī)x(DISAR)兩部分,其中安裝于靶前端面的DPS用于直接測(cè)量飛片速度w和擊靶到達(dá)時(shí)刻t1,其速度測(cè)量相對(duì)不確定度小于0.5%.DISAR測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)量不同晶向單晶鐵樣品/z切Al2O3單晶窗口的界面速度歷史,即當(dāng)沖擊波到達(dá)樣品后端面時(shí)由于界面運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致多普勒頻移的發(fā)生,入射激光(中心波長(zhǎng)1550 nm)與反射激光發(fā)生頻域調(diào)制,解讀頻移信號(hào)即可得出樣品的粒子速度,測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間分辨率可達(dá)50 ps,空間分辨率約為100μm.

表1 實(shí)驗(yàn)各部件的名義尺寸Table 1.The nominal sizes of the experimental parts.

圖1 單晶鐵沖擊實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試框圖Fig.1.Experimental assembly and in-situ diagnostic of single crystal iron under shock compression.

圖2 沖擊相變測(cè)量原理 (a)相變波剖面示意圖;(b)波系相互作用分析Fig.2.Shock Hugoniot measurement for the shockinduced phase transformation：(a)Schematic of wave pro fi le;(b)interaction analysis for shock wave.

對(duì)于發(fā)生沖擊相變時(shí)的多波而言,Hugoniot狀態(tài)的確定需要考慮波系的相互作用.圖2(a)為典型的沖擊相變波剖面,包含彈性前驅(qū)波(PEL波)、塑性波(P1波)和相變波(P2波),其中PEL波波速大于P1波,P1波波速大于P2波.PEL波與P1波的相互作用過程如圖2(b)所示,根據(jù)波的傳播特性(設(shè)定傳播方向從左向右),首先右行的PEL波到達(dá)樣品/窗口界面后(t2時(shí)刻),會(huì)反射回一個(gè)左行的稀疏波(波速為c1)并與隨后的P1波迎面相遇,造成P1波強(qiáng)度略微下降.與此同時(shí),又再次反射回一個(gè)右行的稀疏波(波速為c2),其傳至界面后繼續(xù)反射,以此反復(fù)形成復(fù)雜波系.根據(jù)文獻(xiàn)[9,10],不考慮PEL波引起的熵增變化,反射波作為彈性波處理,在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下可得P1波波速US1為

式中uEL為PEL波界面粒子速度,t1為擊靶時(shí)刻,h為樣品厚度,Δh為界面在時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離.通常情況下,沖擊相變發(fā)生時(shí)彈性波的壓力幅值會(huì)遠(yuǎn)小于塑性波,且彈-塑性轉(zhuǎn)變過程極快,即 (1)式中由此可將PEL波波速cl,P1波波速US1和P2波波速US2寫為

式中uP1為P1波界面粒子速度,t2,t3和t′3分別為PEL波、P1波和P2波到達(dá)時(shí)刻.再利用Rankine-Hugoniot方程,可得

式中ρ0為樣品初始密度,下標(biāo)HEL表示Hugoniot彈性極限,下標(biāo)PT表示相變點(diǎn),PPT為相變起始?jí)毫?特別需要指出的是,由于波系相互作用,相變發(fā)生時(shí)會(huì)伴有母相殘余,使實(shí)測(cè)波剖面中P1波與P2波之間的上升沿發(fā)生展寬,對(duì)于平衡相變過程(即uP1穩(wěn)定)可采用切線法確定t′3,而對(duì)于非平衡相變過程,這樣的處理會(huì)帶來較大偏差.

3 結(jié)果與討論

在中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所的37 mm口徑火炮上,進(jìn)行2發(fā)單晶鐵(含多晶鐵)的三樣品對(duì)比實(shí)驗(yàn).圖3是典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可見擊靶前飛片的運(yùn)動(dòng)速度為一個(gè)恒定值(871 m/s),確保了加載狀態(tài)的穩(wěn)定.實(shí)測(cè)界面速度剖面的精細(xì)特征均記錄完備,其中PEL波展現(xiàn)出極高的粒子速度幅值及松弛特性,P1波則反映出與動(dòng)力學(xué)相關(guān)的速度回跳特征,在后續(xù)章節(jié)中我們將做進(jìn)一步分析和討論.利用(3)式和(4)式獲取的單晶鐵Hugoniot彈性極限和相變起始?jí)毫?shí)測(cè)值列于表2中,在所有實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)z切Al2O3單晶窗口均為彈性響應(yīng)且具有良好沖擊透明性,1550 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的速度折射率修正因子為1.744[25].

圖3 鐵的多樣品比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)飛片擊靶速度;(b)Fe/Al2O3界面速度剖面Fig.3.One-shot experimental results for contrasting three-independent iron samples：(a)Impact velocity for fl yer; (b)shock-wave pro fi les from all Fe/Al2O3interfaces.

表2 單晶鐵沖擊Hugoniot實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2.Shock Hugoniot data of single-crystal iron.

3.1 彈-塑性轉(zhuǎn)變與動(dòng)態(tài)屈服

圖4所示為實(shí)測(cè)波剖面中不同晶向單晶鐵及多晶鐵的彈性前驅(qū)波部分,其中x軸已作歸一化處理(為時(shí)間t與樣品厚度h的比值).從圖中不難看出,與多晶鐵不同的是,在單晶鐵中可以觀測(cè)到明顯的彈性波傳播以及彈-塑性轉(zhuǎn)變的應(yīng)力松弛現(xiàn)象,即彈性前驅(qū)波的加載應(yīng)力先很快上升到暫穩(wěn)態(tài),然后逐漸松弛至準(zhǔn)平衡態(tài).上述現(xiàn)象在Jensen等[21]的[100]晶向單晶鐵波剖面中并沒有觀測(cè)到,但是在高強(qiáng)度脆性晶體材料(如氯化鉀、硫化鎘)實(shí)驗(yàn)中曾有類似報(bào)道,并使沖擊條件下相變和塑性的相互作用變得更為復(fù)雜.同時(shí),單晶鐵的彈性響應(yīng)表現(xiàn)為各向異性,PEL波的粒子速度幅值為[100]晶向最大,[110]晶向次之,[111]晶向最小;結(jié)合樣品厚度和到達(dá)時(shí)刻確定的波速則是[111]晶向最大,[110]晶向次之,[100]晶向最小;由此獲取三個(gè)晶向單晶鐵的Hugoniot彈性極限δHEL均大于6 GPa(表2).可見,單晶鐵在沖擊加載下有較高的屈服強(qiáng)度,遠(yuǎn)大于多晶鐵(實(shí)驗(yàn)值約1.3 GPa),接近于理論計(jì)算的極限.這一觀點(diǎn)也能夠得到Hawreliak等[26]的動(dòng)態(tài)X射線衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的佐證,他們觀測(cè)到[001]晶向單晶鐵在沖擊壓力5.4 GPa時(shí)晶格響應(yīng)仍為單一軸向壓縮,僅有(001)bcc晶面發(fā)生了約4.1%的縮短,與我們的波剖面測(cè)量結(jié)果是符合的.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)單晶鐵速度剖面比較(彈-塑性轉(zhuǎn)變部分)Fig.4.(color online)Comparison of the wave pro fi les in single crystal iron(part of elastic-plastic deformation).

進(jìn)一步對(duì)單晶鐵彈-塑性轉(zhuǎn)變的物理機(jī)理進(jìn)行分析,圖5所示為不同晶向單晶鐵彈性前驅(qū)波的數(shù)值模擬結(jié)果.計(jì)算采用了文獻(xiàn)[27,28]中提出的位錯(cuò)密度描述的黏塑性本構(gòu)模型,不同晶向的沖擊加載則選用同一輸入?yún)?shù),通過旋轉(zhuǎn)剛度矩陣實(shí)現(xiàn).圖中除[111]晶向的粒子速度幅值略有差異之外,三個(gè)晶向彈性前驅(qū)波的實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果在波速及回跳特征上符合較好.結(jié)果表明,針對(duì)三個(gè)不同晶向,剛度矩陣在加載方向(計(jì)算中為x軸)的分量存在關(guān)系即三個(gè)晶向彈性前驅(qū)波波速也與之對(duì)應(yīng),實(shí)驗(yàn)與計(jì)算曲線均合理地體現(xiàn)了各向異性特征.不同晶向速度回跳的差異反映出彈-塑性轉(zhuǎn)變應(yīng)力松弛的晶向相關(guān)性,其應(yīng)力松弛的強(qiáng)度會(huì)受彈性模型和Schmid因子共同影響,即同一厚度下彈性模量越大,位錯(cuò)演化的耗散能越大,應(yīng)力松弛越快;同時(shí)Schmid因子越大,滑移系越易于啟動(dòng).以[100]和[110]晶向?yàn)槔?雖然沿加載方向的Schmid因子相同,但[110]晶向的彈性模量更大,使其應(yīng)力松弛更強(qiáng),則對(duì)應(yīng)的Hugoniot彈性極限拐點(diǎn)更低.

圖5 不同晶向單晶鐵彈性波實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的比較(a)[100]晶向;(b)[110]晶向;(c)[111]晶向Fig.5.Comparison of the experimental results and the numerical simulation results for the elastic wave in single crystal iron：(a)[100]orientation;(b)[110] orientation;(c)[111]orientation.

圖6為實(shí)測(cè)單晶鐵彈性前驅(qū)波的波速-粒子速度關(guān)系.對(duì)于[100]晶向,彈性前驅(qū)波實(shí)測(cè)值與Jensen等[21]報(bào)道中的理論預(yù)測(cè)線完全符合,而在文獻(xiàn)[21]實(shí)測(cè)波剖面中未能觀測(cè)到彈性前驅(qū)波的原因可能與VISAR測(cè)量精度及數(shù)據(jù)處理方法有關(guān).對(duì)于[110]晶向和[111]晶向,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Kadau等[14-16]NEMD模擬中低壓區(qū)彈性壓縮曲線是符合的,且三個(gè)晶向彈性響應(yīng)的基本變化規(guī)律也與之一致,從大到小順序依次為[111]晶向、[110]晶向、[100]晶向.綜上所述,我們通過波剖面測(cè)量首次觀測(cè)到單晶鐵中異于多晶鐵的高強(qiáng)度動(dòng)態(tài)屈服現(xiàn)象,極大的δHEL會(huì)不可避免地帶來沖擊相變與塑性的微觀機(jī)理耦合,因而在NEMD計(jì)算中如何考慮和準(zhǔn)確反映這一特征,是正確預(yù)測(cè)和理解鐵α→ε相變過程中是否存在亞穩(wěn)態(tài)fcc相以及晶向相關(guān)性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題之一.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)測(cè)單晶鐵彈性波波速-粒子速度Fig.6.(color online)Plots of the measured elastic wave velocity vs.the particle velocity for single crystal iron.

3.2 沖擊相變與晶向效應(yīng)

圖7為實(shí)測(cè)波剖面中不同晶向單晶鐵及多晶鐵的塑性波部分,包括P1波和P2波.與彈性前驅(qū)波相似,單晶鐵的相轉(zhuǎn)變過程也表現(xiàn)出顯著的晶向相關(guān)性,對(duì)應(yīng)α→ ε相變起始點(diǎn)的粒子速度為[111]晶向最大,[110]晶向次之,[100]晶向最小,由此得到的相變起始?jí)毫?粒子速度(PPT-up)關(guān)系如圖8所示.可見,實(shí)驗(yàn)測(cè)得[100]晶向單晶鐵和多晶鐵的PPT值分別為13.89±0.57 GPa和13.30±0.37 GPa,與文獻(xiàn)[21]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(14.26± 0.14 GPa和12.89±0.15 GPa)相符;[110]晶向和[111]晶向的PPT實(shí)測(cè)值則為14.53±0.53 GPa和16.05±0.67 GPa,由此反映了單晶鐵沖擊相變的晶向相關(guān)性,其變化規(guī)律也與Kadau等[14-16]及王昆等[17]的NEMD計(jì)算結(jié)果相符合,但實(shí)測(cè)值更低.

此外,圖7中P1至P2波的轉(zhuǎn)變均有顯著的速度回跳特征,反映了相變動(dòng)力學(xué)效應(yīng)(主導(dǎo)因素為相變動(dòng)力學(xué)系數(shù))對(duì)波剖面演化的影響.從其微觀機(jī)理來看,相變過程中成核點(diǎn)處新相的生長(zhǎng)將伴隨對(duì)周圍亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域的卸載作用,即成核點(diǎn)的生長(zhǎng)抑制周圍潛在成核點(diǎn)的生長(zhǎng),在相場(chǎng)模型中卸載作用的強(qiáng)弱由動(dòng)力學(xué)系數(shù)決定,相同相變驅(qū)動(dòng)力作用下,相邊界速度越快(動(dòng)力學(xué)系數(shù)越大),卸載作用越強(qiáng),成核點(diǎn)生長(zhǎng)對(duì)周圍亞穩(wěn)區(qū)域的卸載作用將帶來成核密度及分布的變化.根據(jù)Smith等[22]的研究,可基于相變過程粒子速度的回跳獲取α→ε相轉(zhuǎn)變速率圖9為相變起始?jí)毫﹄S相轉(zhuǎn)變速率的變化.可以清楚地看到,多晶鐵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Barker等[29]的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致,均滿足線性變化關(guān)系σα→ε=10.8+0.55ln單晶鐵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則明顯高于多晶鐵,且具有晶向相關(guān)性,即

圖7 (網(wǎng)刊彩色)單晶鐵速度剖面比較(相變部分)Fig.7.(color online)Comparison of the wave pro fi les in single crystal iron(part of phase transformation).

圖8 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)測(cè)單晶鐵相變壓力-粒子速度Fig.8.(color online)Plots of the measured phasetransition onset pressure vs.the particle velocity for single crystal iron.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)相變起始?jí)毫﹄S相轉(zhuǎn)變速率的變化Fig.9.(color online)Plots of the onset pressure of phase transition vs.the strain-rate associated with the phase transition for single crystal iron.

4 結(jié) 論

本文開展了沖擊載荷下單晶鐵α→ ε相變特性研究,通過精細(xì)波剖面測(cè)量獲取了晶向效應(yīng)([100],[110]和[111]晶向)對(duì)塑性和相變特性影響的直接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論.

1)首次觀測(cè)到單晶鐵異于多晶鐵的高強(qiáng)度屈服行為,這與基于連續(xù)位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值模擬結(jié)果相符,獲取單晶鐵的Hugoniot彈性極限均大于6 GPa且具有晶向相關(guān)性,即上述結(jié)果為認(rèn)識(shí)單晶鐵塑性響應(yīng)與沖擊相變微觀機(jī)理的耦合提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù),因而在NEMD計(jì)算中對(duì)其進(jìn)行正確描述有助于回答鐵bcc到hcp結(jié)構(gòu)相變起源以及亞穩(wěn)態(tài)fcc相的爭(zhēng)論.

2)獲取[100]晶向、[110]晶向和[111]晶向的相變起始?jí)毫Ψ謩e為13.89,14.53,16.05 GPa,其晶向相關(guān)性變化規(guī)律與NEMD計(jì)算結(jié)果符合,但實(shí)測(cè)值更低.同時(shí),基于波剖面中相變波的速度回跳得到的單晶鐵α→ε相轉(zhuǎn)變速率高于多晶鐵且具有晶向相關(guān)性,反映了相變動(dòng)力學(xué)主導(dǎo)因素(即相變動(dòng)力學(xué)系數(shù))對(duì)波剖面演化的影響.上述結(jié)果為發(fā)展和完善用于沖擊實(shí)驗(yàn)描述的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型[30]提供了重要的實(shí)驗(yàn)支撐.

[1]Saxena S K,Shen G,Lazor P 1993 Science 260 1312

[2]Minshall S 1955 J.Appl.Phys.26 463

[3]Bancraft D,Peterson E L,Minshall S 1956 J.Appl.Phys.27 291

[4]Saxena S K,Dubrovinsky L S,H?ggkvist P,Cerenius Y,Shen G,Mao H K 1995 Science 269 1703

[5]Belonoshko A B,Dorogokupets P I,Johansson B,Saxena S K,Ko?i L 2008 Phys.Rev.B 78 104107

[6]Tateno S,Hirose K,Ohishi Y,Tatsumi Y 2010 Science 330 359

[7]Crowhurst J C,Reed B W,Armstrong M R,Radousky H B,Carter J A,Swift D C,Zaug J M,Minich R W, Teslich N E,Kumer M 2014 J.Appl.Phys.115 113506

[8]Ma Y Z,Selvi E,Levitas V I,Hashemi J 2006 J.Phys.Condens.Matter 18 1075

[9]Johnson P C,Stein B A,Davis R S 1962 J.Appl.Phys.33 557

[10]Zaretsky E B 2009 J.Appl.Phys.106 023510

[11]Merkel S,Liermann H P,Miyagi L 2013 Acta.Materialia 61 5144

[12]Lu Z P,Zhu W J,Liu S J,Lu T C,Chen X R 2009 Acta Phys.Sin.58 2083(in Chinese)[盧志鵬,祝文軍,劉紹軍,盧鐵城,陳向榮2009物理學(xué)報(bào)58 2083]

[13]Shao J L,He A M,Qin C S,Wang P 2009 Acta Phys. Sin.58 5610(in Chinese)[邵建立,何安民,秦承森,王裴2009物理學(xué)報(bào)58 5610]

[14]Kadau K,Germann T C,Lomdahl P S,Holian B L 2002 Science 296 1681

[15]Kadau K,Germann T C,Lomdahl P S,Holian B L 2005 Phys.Rev.B 72 064210

[16]Kadau K,Germann T C,Lomdahl P S,Albers R C, Wark J S,Higginbotham A,Holian B L 2007 Phys.Rev. Lett.98 135701

[17]Wang K,Xiao S F,Deng H Q,Zhu W J,Hu W Y 2014 Int.J.Plast.59 180

[18]Lu Z P,Zhu W J,Lu T C,Wang W Q 2014 Modelling Simul.Sci.Eng.22 025007

[19]Ma W,Zhu W J,Zhang Y L,Jing F Q 2011 Acta Phys. Sin.60 066404(in Chinese)[馬文,祝文軍,張亞林,經(jīng)福謙2011物理學(xué)報(bào)60 066404]

[20]Shao J L,Qin C S,Wang P 2009 Acta Phys.Sin.58 1936(in Chinese)[邵建立,秦承森,王裴 2009物理學(xué)報(bào)58 1936]

[21]Jensen B J,Gray III G T,Hixson R S 2009 J.Appl. Phys.105 103502

[22]Smith R F,Eggert J H,Swift D C,Wang J,Du ff y T S,Braun D G,Rudd R E,Reisman D B,Davis J P, Knudson M D,Collins G W 2013 J.Appl.Phys.114 223507

[23]Yaakobi B,Boehly T R,Meyerhofer D D,Collins T J 2005 Phys.Rev.Lett.95 075501

[24]Kalantar D H,Belak J F,Collins G W,Colvin J D,Davis H M,E ff ert J H,Germann T C,Hawreliak J,Holian B L,Kadau K,Lomdahl P S,Lorenzana H E,Meyers M A,Rosolankova K,Schneider M S,Sheppard J,St?lken J S,Wark J S 2005 Phys.Rev.Lett.95 075502

[25]Cao X X,Li J B,Li J,Li X H,Xu L,Wang Y,Zhu W J, Meng C M,Zhou X M 2014 J.Appl.Phys.116 093516

[26]Hawreliak J A,El-Dasher B,Lorenzana H 2011 Phys. Rev.B 83 144114

[27]Krasnikov V S,Mayer A E,Yalovets P A 2011 Int.J. Plast.27 1294

[28]Mayer A E,Khishchenko K V,Levashov P R,Mayer P N 2013 J.Appl.Phys.113 193508

[29]Barker L M,Hollenbach R E 1974 J.Appl.Phys.45 4872

[30]Yu J D,Wang W Q,Wu Q 2012 Phys.Rev.Lett.109 115701

PACS:62.50.Ef,61.50.Ks,64.70.kd DOI:10.7498/aps.66.146201

Orientation e ff ect of alpha-to-epsilon phase transformation in single-crystal iron?

Li Jun?Wu Qiang Yu Ji-Dong Tan Ye Yao Song-Lin Xue Tao Jin Ke
(Laboratory for Shock Wave Detonation Physics Research,Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900,China)

2 January 2017;revised manuscript

12 April 2017)

The dynamic response of iron,especially the phase transformation from the ambient body-centered-cubic(bcc) α-phase to the hexagonal-closed packed(hcp)ε-phase,has been studied extensively in the last 60 years due to its importance in industry and its role as a main constituent of Earth.Recently,this topic has attracted a lot of attention in the aspects of the kinetic characteristics and mechanism of the shock-induced α? ε phase transition,including orientation-,temperature-,time-and strain rate-dependences.But only a few data have been published on the crystal orientation e ff ect.The systematic experimental results to identify the predictions of the non-equilibrium molecular dynamics(NEMD)simulation are still lacking.For this reason,we study the shock responses of the[100],[110]and [111]orientated iron single crystals by using a three-independent-sample method in one shot.Unlike previously reported [001]single-crystal iron,a clear three-wave structure consisting of a PELwave(elastic wave),a P1wave(plastic wave) and a P2wave(phase transition wave)is observed in the measured wave pro fi les for all single-crystal iron samples. The elastic-plastic transition process is in accordance with the numerical simulation of dislocation-based constitutive model for visco-plastic deformation.It is found that the values of Hugoniot elastic limit δHEL(δ111HEL＞δ110HEL＞δ100HEL) are greater than 6 GPa and dependent on the initial crystal orientation.Such a high yield strength is consistent with the nanosecond X-ray di ff raction of[001]single-crystal iron where the uniaxial compression of the lattice has been observed at a shock pressure of about 5.4 GPa.Moreover,the onset pressures PPTfor the α→ε phase transition are obtained to be 13.89±0.57 GPa,14.53±0.53 GPa and 16.05±0.67 GPa along the[100],[110],and[111]directions, respectively.Based on these results,it is concluded that the crystal orientation e ff ect of PPTis consistent with the reported NEMD calculations.However,the measured values are lower.In addition,the transition strain-ratio of singlecrystal iron is found to be higher than that of polycrystalline iron,re fl ecting the in fl uence of the transformation kinetics (i.e.,transformation kinetics coefficient)on the wave pro fi le evolution.Our observations indicate that the strong coupling between plasticity and phase transition in single crystal iron might be a key point for understanding the origin of the phase transition and also for ending the controversy of metastable γ-phase.The fi ne multi-wave pro fi les also provide an important experimental reference for improving the phase field modeling of shock-induced phase transition.

phase transformation,elastic-plastic deformation,orientation dependence,single-crystal iron

:62.50.Ef,61.50.Ks,64.70.kd

10.7498/aps.66.146201

?國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：11602251,11302202)和科學(xué)挑戰(zhàn)專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào)：TZ2016001)資助的課題.

?通信作者.E-mail：lijun102@caep.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11602251, 11302202)and the Science Challenge Project,China(Grant No.TZ2016001).

?Corresponding author.E-mail：lijun102@caep.cn