朱琪 王升濤 趙福祺 潘昊 ?

1) (北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所, 北京 100094)

2) (中國(guó)工程物理研究院研究生院, 北京 100088)

層錯(cuò)四面體是一種典型的三維空位型缺陷, 廣泛存在于受輻照后的面心立方金屬材料中, 對(duì)材料的力學(xué)性能有顯著的影響.目前, 關(guān)于層錯(cuò)四面體對(duì)輻照材料層裂行為的影響還缺乏深入系統(tǒng)的研究.本文使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了含有層錯(cuò)四面體的單晶銅在不同沖擊速度下的層裂行為, 對(duì)整個(gè)沖擊過(guò)程中的自由表面速度及微結(jié)構(gòu)演化等進(jìn)行了深入的分析.研究發(fā)現(xiàn), 層錯(cuò)四面體在沖擊波作用下會(huì)發(fā)生坍塌, 并進(jìn)一步誘導(dǎo)材料產(chǎn)生位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷.在中低速度加載下, 層錯(cuò)四面體坍塌引起的缺陷快速向周?chē)鷶U(kuò)展, 為孔洞提供了更寬的形核區(qū)域, 促進(jìn)了孔洞的異質(zhì)成核, 造成材料層裂強(qiáng)度大幅度減小.當(dāng)沖擊速度較高時(shí), 層錯(cuò)四面體坍塌導(dǎo)致的局部缺陷對(duì)材料的層裂強(qiáng)度不再有明顯影響.

1 引 言

結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)期輻照后的力學(xué)性能變化是影響核反應(yīng)堆服役期間安全性和可靠性的重要因素之一, 因此深入研究輻照材料的力學(xué)性能具有極其重要的工程意義.結(jié)構(gòu)材料經(jīng)輻照后會(huì)產(chǎn)生大量缺陷, 如氦泡、孔洞、位錯(cuò)環(huán)等[1].對(duì)于面心立方晶體結(jié)構(gòu)材料, 輻照缺陷主要表現(xiàn)為大量的堆垛層錯(cuò)四面體 (stacking fault tetrahedron, SFT)結(jié)構(gòu)[1?6].SFT是一種典型的三維空位型缺陷, 由4個(gè){111}層錯(cuò)面和6條 〈110〉 方向的壓桿位錯(cuò)組成, 其大小根據(jù)材料和輻照條件的不同略有不同, 一般情況下棱長(zhǎng)約為2—3 nm, 數(shù)密度約為1022—1024m—3[5,6].

材料經(jīng)受輻照后的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注.Shao等[7]和Zhou等[8]應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)分別模擬了含He泡、孔洞單晶鋁材料在方波和衰減波加載下的層裂行為; Lin等[9]和Qiu等[10]研究了空位型缺陷對(duì)單晶銅、鎳層裂行為的影響, 發(fā)現(xiàn)空位的存在會(huì)明顯降低材料的層裂強(qiáng)度, 且其影響程度與材料晶體取向有關(guān).輻照產(chǎn)生的SFT對(duì)材料的力學(xué)性能的影響也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究.大量實(shí)驗(yàn)表明, 輻照后產(chǎn)生的SFT會(huì)使材料出現(xiàn)硬化、脆化和屈服后軟化的現(xiàn)象.Dai和Victoria[11]對(duì)輻照后的銅進(jìn)行了拉伸試驗(yàn), 觀察到材料內(nèi)部形成了明顯的無(wú)缺陷通道, 導(dǎo)致材料發(fā)生軟化.Edwards等[12]對(duì)銅及其合金材料進(jìn)行了一系列輻照實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)隨著輻照劑量的增大, 材料屈服應(yīng)力逐漸增大, 韌性降低, 應(yīng)變硬化系數(shù)逐漸減小.在理論研究方面, 大量工作主要關(guān)注 SFT 與位錯(cuò)[13?21]、晶界[22?25]等缺陷的相互作用, 研究表明, SFT能夠阻礙位錯(cuò)的滑移并導(dǎo)致材料屈服應(yīng)力升高、韌性降低.運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法,Osetsky等[15]和Fan等[17]模擬了刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)及混合位錯(cuò)與SFT之間的相互作用, 發(fā)現(xiàn)SFT可能發(fā)生剪切變形、湮滅、旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)化為其他缺陷.Wu等[24]模擬了不同尺寸的SFT在含孿晶邊界和晶界的Al, Ni, Cu, Ag等金屬中的穩(wěn)定性.Arsenlis和Wirth[19]以及Krishna等[20]采用標(biāo)量形式描述SFT缺陷, 分別發(fā)展了基于連續(xù)位錯(cuò)密度和基于微觀率無(wú)關(guān)理論的晶體塑性模型; Xiao等[21]進(jìn)一步采用張量形式描述SFT缺陷, 對(duì)SFT與位錯(cuò)之間的空間作用規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致刻畫(huà).此外, 還有部分研究關(guān)注了SFT對(duì)不含初始位錯(cuò)的面心立方晶體材料的力學(xué)性能的影響[26?29].研究表明, 相比于完美晶體, SFT的存在使得材料的位錯(cuò)成核應(yīng)力降低了一半[26].在不同方向的載荷作用下, SFT的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同的轉(zhuǎn)變, 并對(duì)材料的壓縮、拉伸過(guò)程造成不同程度的影響[29].

總體來(lái)說(shuō), 目前對(duì)SFT的研究主要針對(duì)的是準(zhǔn)靜態(tài)或常應(yīng)變率加載條件, 而對(duì)于沖擊加載條件下SFT對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響, 研究關(guān)注較少.層裂是延性金屬材料在沖擊加載下的一種典型破壞形式, 深入研究SFT對(duì)材料層裂行為的影響具有重要意義.為了進(jìn)一步探究SFT在沖擊加載條件下對(duì)材料層裂行為的影響及其內(nèi)在機(jī)理, 本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)含有一定密度SFT的單晶銅的層裂行為進(jìn)行模擬研究, 重點(diǎn)關(guān)注不同沖擊速度下材料中SFT的微結(jié)構(gòu)演化及其對(duì)層裂強(qiáng)度、損傷演化的影響.

2 模型與方法

使用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件lammps模擬含有SFT的單晶銅的層裂損傷行為, 作為對(duì)比,對(duì)不含SFT的完美單晶銅也進(jìn)行了相同條件的模擬.模型使用Mishin等[30]在2001年提出的關(guān)于銅的嵌入原子法勢(shì)函數(shù), 該勢(shì)函數(shù)能準(zhǔn)確模擬銅材料在沖擊加載下的力學(xué)行為.本文初始構(gòu)型如圖1所示, 模型大小為 15.9 nm × 16.0 nm × 45.1 nm,約含有9.6 × 105個(gè)原子, SFT結(jié)構(gòu)置于靶板中部(圖1(b)), x, y, z坐標(biāo)軸方向分別為和[1 1 1], 沿[1 1 1]方向?qū)δＰ瓦M(jìn)行不同速度的沖擊加載.

圖1 模擬初始構(gòu)型 (a) 整體構(gòu)型, 箭頭方向代表沖擊方向; (b) 模型中的層錯(cuò)四面體分布Fig.1.Initial configuration of the simulation system：(a) The equilibrated atomic configuration, and the arrow denotes the direction of impact; (b) the internal distribution of SFT.

本文采用Silcox?Hirsch機(jī)制[31]產(chǎn)生 SFT, 即通過(guò)三角形空位層演化形成SFT.首先在模型中心[1 1 1]面上移除一個(gè)包含55個(gè)原子的正三角形原子層, 形成邊長(zhǎng)約為2.5 nm的三角形空位盤(pán),隨后對(duì)模型施加三維周期性邊界條件, 采用NPT系綜將模型在300 K, 0 bar (1 bar = 105Pa)條件下弛豫100 ps, 使其產(chǎn)生SFT并達(dá)到平衡狀態(tài).圖2為SFT形成過(guò)程微觀圖像, 歷時(shí)約1 ps, 最終在模型中部形成棱長(zhǎng)約為2.5 nm的SFT結(jié)構(gòu).SFT在模型中的數(shù)密度約為1.3 × 1023m—3, 這與金屬銅在輻照實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的SFT大小和密度[5,6]基本一致.

圖2 SFT的形成過(guò)程Fig.2.Snapshots of SFT formation.

沖擊過(guò)程采用NVE系綜, x, y方向采用周期性邊界條件, 沖擊方向z采用自由邊界條件, 計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 fs.為了模擬層裂過(guò)程, 將模型以1∶2的比例分為飛片和靶板兩部分.飛片(圖1(a)中紅色部分原子)在[1 1 1]方向上以一定的初速度2Up(Up為沖擊壓縮過(guò)程中靶板的粒子速度)撞擊右側(cè)靶板, 因此沖擊脈沖分別在飛片和靶板內(nèi)部產(chǎn)生.沖擊波到達(dá)飛片和靶板的自由表面后反射回兩束相向而行的稀疏波, 兩稀疏波在靶板中部相遇形成拉伸脈沖, 如果拉伸應(yīng)力脈沖足夠強(qiáng), 經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后, 靶板就會(huì)發(fā)生層裂.為研究不同沖擊速度下SFT的演化及其對(duì)層裂行為的影響, 本文模擬了Up為0.5—1.25 km/s時(shí)材料的層裂行為.

本文統(tǒng)計(jì)了應(yīng)力、溫度等物理量沿沖擊方向(z方向)的分布, 分析所用應(yīng)力為維里應(yīng)力[32].使用可視化軟件ovito[33]對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析處理, 其中使用共近鄰分析法(common neighbor analysis,CNA)[34]來(lái)分析模擬過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)變化, 使用位錯(cuò)抽取算法(dislocation extraction algorithm,DXA)[35]來(lái)分析位錯(cuò)演化情況.

3 結(jié)果與討論

3.1 層裂強(qiáng)度

層裂強(qiáng)度是表示材料抵抗斷裂破壞能力的重要參數(shù), 在分子動(dòng)力學(xué)模擬中, 通常用樣品層裂過(guò)程中的最大拉伸應(yīng)力(—σ33,max)作為層裂強(qiáng)度[9].不同沖擊速度下含SFT銅與完美單晶銅的層裂強(qiáng)度如圖3所示.作為對(duì)比, 圖3還給出了Luo等[36]針對(duì)完美單晶銅的分子動(dòng)力學(xué)模擬所得部分結(jié)果.

圖3 不同Up對(duì)應(yīng)的層裂強(qiáng)度分布圖Fig.3.Relationship between particle velocity Up and spall strength of perfect Cu and Cu with SFT.

從圖3可以看出, 隨著Up的增大, 完美單晶銅的層裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì), 這與Luo等[36]的分子動(dòng)力學(xué)模擬所得結(jié)果是一致的.Up≤ 1.0 km/s時(shí), 在同等加載條件下, 含有SFT銅的層裂強(qiáng)度比完美單晶銅的要小得多, 且兩者之間的差值隨著Up的增大先增大后減小.Up為0.5 km/s時(shí), 含SFT銅的層裂強(qiáng)度為15.5 GPa,比相同加載條件下的完美單晶銅(17 GPa)低1.5 GPa; Up為0.75 km/s時(shí), 含SFT銅的層裂強(qiáng)度為14 GPa, 比相同加載條件下的完美單晶銅(18 GPa)低 4 GPa; 而當(dāng) Up達(dá)到 1.25 km/s時(shí),兩者的層裂強(qiáng)度均降低為12.5 GPa.可見(jiàn), 中低速度(Up≤ 1.0 km/s)加載下, SFT的存在降低了材料的層裂強(qiáng)度, 且其影響在中等速度沖擊時(shí)最為顯著.當(dāng)Up達(dá)到1.25 km/s及以上時(shí), 兩者的層裂強(qiáng)度基本相同, SFT的存在對(duì)材料層裂強(qiáng)度不再有影響.下面對(duì)不同速度沖擊下材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)演化及應(yīng)力溫度分布情況進(jìn)行詳細(xì)分析.

3.2 層裂過(guò)程

為了進(jìn)一步深入分析層裂過(guò)程中材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的演化情況, 采用CNA[34]和DXA[35]來(lái)分析微結(jié)構(gòu)的演化.圖4給出了Up分別為0.5和0.75 km/s時(shí), SFT在壓縮過(guò)程中的演化形態(tài)圖及相應(yīng)的位錯(cuò)演化圖.SFT在沖擊波作用下會(huì)發(fā)生坍塌,0.5 km/s時(shí)(見(jiàn)圖4(a)), 當(dāng)沖擊波掃過(guò)SFT時(shí),SFT從頂部開(kāi)始坍塌(2.67 ps), 形成Shockley不完全位錯(cuò), 隨著Shockley不完全位錯(cuò)在(1 1),(11), (1 1)滑移面上滑移, 三個(gè)面上的堆垛層錯(cuò)逐漸湮滅, 同時(shí)壓桿位錯(cuò)消失.最終Shockley不完全位錯(cuò)與SFT底部(1 1 1)面上的壓桿位錯(cuò)作用(2.83 ps), 形成Frank位錯(cuò), 在(1 1 1)面上留下一個(gè)由Frank位錯(cuò)環(huán)包圍的三角形層錯(cuò)面(2.96 ps).0.75 km/s時(shí)(見(jiàn)圖4(b)), 由于沖擊壓力較大, SFT的坍塌在不到0.2 ps的時(shí)間內(nèi)快速完成, 結(jié)構(gòu)破壞較快, 其結(jié)構(gòu)演化無(wú)法像0.5 km/s時(shí)平穩(wěn)規(guī)則, 但坍塌完成后同樣形成了一個(gè)三角形層錯(cuò)面(2.49 ps).SFT坍塌后在Frank位錯(cuò)環(huán)的三個(gè)頂點(diǎn)附近開(kāi)始發(fā)射位錯(cuò), 并隨著Shockley不完全位錯(cuò)的滑移在{1 1 1}面上形成堆垛層錯(cuò)(圖4(a),3.17 ps), 沖擊速度越大, 壓縮過(guò)程中形成的位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)等缺陷就越多, 過(guò)程中所耗散的能量也越大.在更高的沖擊速度下, 如Up為1.25 km/s時(shí),樣品在沖擊過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)等缺陷, SFT與這些缺陷相互作用, 其演化過(guò)程就更加復(fù)雜, 并且,由于強(qiáng)沖擊下材料產(chǎn)生大量缺陷, SFT和它引發(fā)的位錯(cuò)、層錯(cuò)等不再是影響材料層裂行為的主要因素, 因此這里不再具體討論更高速度下SFT的演化過(guò)程.

圖4 壓縮過(guò)程中SFT的演化形態(tài)圖及對(duì)應(yīng)的位錯(cuò)演化圖(其中, 玫紅色線是壓桿位錯(cuò), 綠色線是Shockley不完全位錯(cuò), 淺藍(lán)色線是Frank不完全位錯(cuò), 紅色線是其他位錯(cuò)) (a) Up = 0.5 km/s; (b) Up = 0.75 km/sFig.4.Snapshots of SFT configuration and dislocation evolution at different deformation stages during shock compression：(a) Up =0.5 km/s; (b) Up = 0.75 km/s.The rose red line represents the stair?rod dislocation, the green line represents the Shockley partial dislocation, the light blue line represents the Frank partial dislocation, and the red line is the undefined dislocation.

圖5給出了 Up分別為 0.75和 1.25 km/s時(shí)材料在壓縮和拉伸過(guò)程中內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律,其中, 綠色、紅色和藍(lán)色原子分別表示面心立方、堆垛層錯(cuò)和其他缺陷原子.速度為0.75 km/s的情況下(圖5(a)), 對(duì)于完美單晶銅, 沖擊波在4.6 ps時(shí)到達(dá)右側(cè)自由表面, 在沖擊壓縮過(guò)程中材料只發(fā)生彈性變形, 材料內(nèi)部沒(méi)有形成位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷.隨后, 從兩端自由面反射回的稀疏波在靶板中部相遇, 形成拉伸脈沖, 在拉伸應(yīng)力的作用下, 靶板中部開(kāi)始出現(xiàn)孔洞形核(8.7 ps), 隨后孔洞成長(zhǎng)、合并, 最終導(dǎo)致材料斷裂(16 ps).對(duì)于含SFT銅,SFT的存在降低了材料的屈服強(qiáng)度, 材料在壓縮過(guò)程中便發(fā)生塑性變形, SFT坍塌并進(jìn)一步形成位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)等缺陷(4.6 ps); 這些缺陷結(jié)構(gòu)隨后在拉伸應(yīng)力作用下進(jìn)一步演化, 形成了較寬的孔洞形核區(qū)(8.7 ps).觀察拉伸過(guò)程中層裂圖像可知,完美單晶銅在16 ps時(shí)已接近完全斷裂狀態(tài), 斷裂面較光滑平整, 而含SFT銅還未完全斷裂, 這與含SFT銅的層裂區(qū)較寬、孔洞演化較慢有關(guān).當(dāng)速度達(dá)到1.25 km/s時(shí)(圖5(b)), 兩種樣品的壓縮拉伸微觀圖像不再有明顯區(qū)別, 這與在此沖擊速度下兩種樣品層裂強(qiáng)度相同的結(jié)論一致.較大的沖擊壓力使得材料在沖擊壓縮階段就發(fā)生塑性變形, 產(chǎn)生大量缺陷原子(4.2 ps), 與強(qiáng)沖擊產(chǎn)生的缺陷相比,由SFT引起的缺陷不再具有顯著影響; 在隨后的拉伸過(guò)程中, 這些缺陷為孔洞提供了形核點(diǎn), 能夠看出, 此時(shí)在兩種樣品內(nèi)部都形成了較寬的孔洞形核區(qū)(11 ps), SFT的存在對(duì)材料層裂損傷演化的影響幾乎可以忽略不計(jì).

3.3 孔洞成核與演化

圖5 不同沖擊速度下單晶銅在壓縮和拉伸過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)演化圖 (a) Up = 0.75 km/s; (b) Up = 1.25 km/sFig.5.Atomic configuration in Cu crystal during shock compression and tension at different impact velocity：(a) Up = 0.75 km/s;(b) Up = 1.25 km/s.

圖6 Up = 0.75 km/s時(shí)孔洞演化圖像及位錯(cuò)分布圖 (a) 完美單晶銅; (b) 含SFT銅Fig.6.Void and dislocation evolution during spallation at Up = 0.75 km/s：(a) Perfect crystal Cu; (b) Cu with SFT.

關(guān)于層裂初期樣品內(nèi)部的孔洞演化過(guò)程, 圖6給出了Up為0.75 km/s時(shí)不同時(shí)刻材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)切片圖像及相關(guān)位錯(cuò)演化圖, 其中綠色、紅色和藍(lán)色原子分別表示面心立方、堆垛層錯(cuò)和其他缺陷原子.在8.0 ps時(shí), 完美單晶銅在拉伸應(yīng)力作用下開(kāi)始形成位錯(cuò), 并伴有缺陷原子出現(xiàn); 隨后位錯(cuò)進(jìn)一步增殖, 在8.7 ps時(shí), 孔洞開(kāi)始形核, 可以看出, 初期孔洞均勻集中分布在樣品中部一個(gè)較窄的區(qū)域內(nèi)(9.5 ps).隨后, 位錯(cuò)繼續(xù)向兩側(cè)擴(kuò)展并伴隨堆垛層錯(cuò)產(chǎn)生, 孔洞在局部區(qū)域內(nèi)快速成長(zhǎng)合并(10.5 ps), 造成材料的快速斷裂失效(11 ps).而對(duì)于含SFT銅, 在8.0 ps時(shí)樣品中已分布有大量位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷, 這是前期壓縮過(guò)程中的缺陷演化導(dǎo)致的, 這些缺陷在拉伸應(yīng)力作用下進(jìn)一步向周?chē)鷶U(kuò)展, 形成了更寬的孔洞成核區(qū).孔洞成核開(kāi)始于9.5 ps, 較相同速度沖擊下的完美單晶銅(8.7 ps)要晚0.8 ps.此外, 可以觀察到, 含SFT銅的孔洞形核區(qū)域較完美單晶銅要寬得多, 孔洞的分布更為分散, 大小不均勻, 孔洞演化速度也要比完美單晶銅慢得多.在11 ps時(shí), 完美單晶銅的孔洞成長(zhǎng)合并導(dǎo)致材料接近完全斷裂狀態(tài), 而含SFT銅內(nèi)的孔洞仍呈現(xiàn)離散的狀態(tài).

圖7給出了Up為0.75 km/s時(shí)孔洞演化過(guò)程中對(duì)應(yīng)的應(yīng)力及溫度變化圖.8.0 ps時(shí), 含SFT銅中的拉伸應(yīng)力較完美單晶銅要小得多, 但溫度整體較完美單晶銅要高.這與含SFT銅在壓縮過(guò)程發(fā)生了塑性變形有關(guān), SFT坍塌導(dǎo)致位錯(cuò)的形核增殖和層錯(cuò)的產(chǎn)生, 一部分沖擊能量因此而耗散, 引起溫度升高, 拉伸過(guò)程中的應(yīng)力水平也隨著缺陷的生成而大大降低.8.7 ps時(shí), 完美單晶銅的層裂區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)孔洞形核, 此區(qū)域應(yīng)力降低, 溫度開(kāi)始上升; 9.5 ps時(shí), 層裂區(qū)域的孔洞進(jìn)一步增長(zhǎng), 應(yīng)力大幅度降低, 溫度大幅度升高并迅速超過(guò)含SFT銅該區(qū)域的溫度, 這說(shuō)明完美單晶銅在此過(guò)程中的塑性變形較含SFT銅劇烈, 這和完美單晶銅中孔洞演化速度更快是一致的.在9.5 ps時(shí), 含SFT銅的層裂區(qū)也開(kāi)始出現(xiàn)孔洞的形核和增長(zhǎng), 該區(qū)域應(yīng)力降低, 溫度升高.可以發(fā)現(xiàn), 一旦發(fā)生孔洞成核,含SFT銅的局部峰值溫度要遠(yuǎn)低于完美單晶銅的峰值溫度, 而整體溫升區(qū)域卻較完美單晶銅的更寬, 說(shuō)明含SFT銅形成孔洞的區(qū)域更寬, 這與在微觀圖中觀察到的孔洞形核現(xiàn)象是一致的.

圖7 Up = 0.75 km/s時(shí)孔洞演化對(duì)應(yīng)的應(yīng)力溫度分布圖(a) 應(yīng)力; (b) 溫度Fig.7.Stress and temperature profiles for single crystal copper at Up = 0.75 km/s：(a) Stress; (b) temperature.

3.1節(jié)的結(jié)果表明：在中低沖擊速度下, SFT的存在顯著降低了樣品的層裂強(qiáng)度, 3.2節(jié)的層裂過(guò)程和本節(jié)的微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律為此提供了微觀尺度上的解釋.一方面, SFT缺陷的存在降低了材料的屈服強(qiáng)度[29], 使材料在較低的壓縮應(yīng)力下便發(fā)生塑性變形, SFT坍塌誘發(fā)位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷的增殖演化, 為孔洞提供了更寬的形核點(diǎn), 同時(shí)塑性變形導(dǎo)致材料區(qū)域溫度升高, 材料層裂強(qiáng)度下降; 另一方面SFT坍塌及缺陷演化耗散了部分沖擊能,材料在拉伸階段所受拉應(yīng)力下降, 孔洞生長(zhǎng)動(dòng)力不足, 使得含SFT材料的損傷演化速率較低, 孔洞生長(zhǎng)合并較慢.

3.4 自由表面速度曲線

樣品自由表面速度曲線能在一定程度上反映材料的層裂損傷過(guò)程, 是宏觀層裂實(shí)驗(yàn)的重要分析內(nèi)容[37].通常若材料發(fā)生層裂, 自由表面速度下降到第一個(gè)極小值后會(huì)重新回跳, 產(chǎn)生Pullback信號(hào).一般來(lái)說(shuō), Pullback信號(hào)的臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)于微孔洞的成核; 速度曲線峰值與第一個(gè)極小值之間的幅值(Pullback幅值)可作為預(yù)估層裂強(qiáng)度的依據(jù),幅值越大則層裂強(qiáng)度越大; Pullback信號(hào)后的回跳斜率代表了損傷演化速率, 斜率越大則損傷演化速率越大; Pullback信號(hào)后的速度回跳幅值在一定程度上反映了層裂區(qū)域的損傷程度, 幅值越大則損傷程度越大.

圖8 不同Up對(duì)應(yīng)的自由表面速度曲線圖 (a) Up =0.75 km/s; (b) Up = 1.25 km/sFig.8.Free surface velocity evolution history for single crystal copper at different velocities：(a) Up = 0.75 km/s;(b) Up = 1.25 km/s.

圖8給出了 Up分別為 0.75和 1.25 km/s時(shí)含SFT銅與完美單晶銅的自由表面速度曲線對(duì)比圖.在速度為0.75 km/s時(shí)(圖8(a)), 含有SFT的銅的最大速度已無(wú)法維持在平臺(tái)峰值速度, 說(shuō)明在沖擊壓縮過(guò)程中由于SFT的坍塌及缺陷演化已經(jīng)耗散了部分沖擊能.觀察二者的Pullback幅值,含SFT銅的Pullback幅值(0.65 km/s)明顯要比完美單晶銅的Pullback幅值(0.85 km/s)小, 即SFT的存在降低了銅材料的層裂強(qiáng)度; 同時(shí)含SFT銅產(chǎn)生Pullback信號(hào)的時(shí)間(t2)明顯晚于完美單晶銅(t1), 說(shuō)明含SFT銅的孔洞成核時(shí)間較晚; 比較二者Pullback信號(hào)后的回跳斜率和回跳幅值, 發(fā)現(xiàn)含SFT銅的回跳斜率和回跳幅值均比完美單晶銅的要小, 說(shuō)明含SFT銅的損傷演化速率降低, 局部損傷程度也有一定程度的減小, 這與沖擊過(guò)程中的能量耗散造成的拉伸應(yīng)力降低有關(guān).而當(dāng)速度達(dá)到1.25 km/s時(shí)(圖8(b)), 二者的自由表面速度曲線幾乎重合, 此時(shí)兩種材料的層裂強(qiáng)度、損傷情況等基本一致, SFT的存在對(duì)材料的層裂行為不再有明顯影響.以上對(duì)自由表面速度的分析與前面在微觀結(jié)構(gòu)中所得分析結(jié)論是一致的.

4 結(jié) 論

采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)含SFT銅和完美單晶銅在不同沖擊速度加載下的層裂損傷行為進(jìn)行了模擬研究.結(jié)果表明, SFT在沖擊速度達(dá)到一定值時(shí)會(huì)發(fā)生坍塌破壞, 從而進(jìn)一步影響材料的層裂損傷行為, 且其影響在不同沖擊強(qiáng)度下表現(xiàn)不同.在中低沖擊速度(Up≤ 1.0 km/s)條件下, 完美單晶銅在沖擊壓縮過(guò)程中不產(chǎn)生缺陷, 也不發(fā)生塑性變形, 而含SFT銅由于SFT的坍塌而產(chǎn)生了局部的缺陷和塑性變形, 層裂強(qiáng)度顯著降低.SFT在沖擊壓縮過(guò)程中引發(fā)的局部缺陷為拉伸過(guò)程中孔洞的形核提供了更寬的形核區(qū)域, 同時(shí)SFT坍塌及塑性變形耗散了部分沖擊能, 造成拉伸應(yīng)力幅值降低, 導(dǎo)致孔洞成核生長(zhǎng)動(dòng)力不足, 損傷演化速率降低.在較高沖擊速度(Up= 1.25 km/s)條件下, 完美單晶銅和含SFT銅在壓縮沖擊波的作用下均產(chǎn)生了大量塑性變形和缺陷, SFT坍塌導(dǎo)致的局部缺陷對(duì)拉伸過(guò)程中孔洞成核與演化以及層裂強(qiáng)度的影響幾乎可以忽略不計(jì).此外, 本文僅關(guān)注在[1 1 1]方向沖擊加載下SFT對(duì)材料層裂行為的影響, 由于SFT具有方向性, 對(duì)于不同沖擊方向下SFT對(duì)層裂行為的影響還需要更深入的研究.