馬通 謝紅獻

(河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院,天津 300401)

鐵的沖擊相變過程是科研工作者們關(guān)注的熱點領(lǐng)域之一.鐵沿[100]晶向沖擊時會發(fā)生體心立方相到密排六方相的轉(zhuǎn)變;而沿[101]晶向沖擊時,相變產(chǎn)物除了密排六方相之外還出現(xiàn)一定量的面心立方相.人們已經(jīng)明確了體心立方到密排六方相的轉(zhuǎn)變機制,然而對于面心立方相的形成機制問題至今還在探索.本文通過分子動力學(xué)方法模擬了體心立方單晶鐵沿[101]晶向的沖擊過程,模擬結(jié)果顯示體心立方相將轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏好芘沤Y(jié)構(gòu)(密排六方相和面心立方相);并分析了面心立方相的形成機制: 在沖擊過程中,單晶鐵沿[101]和01]晶向突然收縮,同時沿[010]晶向突然擴張,從而導(dǎo)致體心立方到面心立方相的轉(zhuǎn)變.此外,本文進一步研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下單晶鐵的相變機制,發(fā)現(xiàn)沿[101]晶向單軸壓縮以及沿[101]和 [01]晶向雙軸壓縮時鐵將發(fā)生體心立方到面心立方相的轉(zhuǎn)變;而沿[101]和[010]晶向雙軸以及三軸壓縮時將會發(fā)生體心立方到密排六方相的轉(zhuǎn)變.最后進一步計算了三個相的吉布斯自由能隨壓力的變化,并對沖擊模擬結(jié)果進行了能量分析,給出了沿[101]晶向沖擊條件下高壓密排相產(chǎn)生的原因.

1 引 言

鐵作為最重要的結(jié)構(gòu)材料,人們對其結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能進行了廣泛的研究.鐵具有體心立方(BCC)、密排六方(HCP)和面心立方(FCC)三種相結(jié)構(gòu),在一定條件下三種相之間會發(fā)生相互轉(zhuǎn)變,從而影響其力學(xué)性能,因此鐵的相變成為人們的研究熱點之一.Bancroft等[1]發(fā)現(xiàn)在沖擊加載條件下,當壓力達到13 GPa時鐵將發(fā)生結(jié)構(gòu)相變;該研究引起了科學(xué)工作者的持續(xù)關(guān)注,并對相變過程進行了深入研究.1998 年,Wang 和 Ingalls[2]利用X射線吸收精細結(jié)構(gòu)技術(shù)分析了鐵的BCC到HCP的相變,并給出了三種可能的相變機制.第一種機制由兩個步驟組成: BCC鐵先沿[001]晶向被壓縮,同時沿 [ 10]方向擴張,使 (110) 面變成密排面,然后由相鄰密排面相對滑移形成HCP相.第二種機制同樣包括兩個步驟: 第一步(112)面沿[11]方向剪切形成密排面,第二步與第一種機制相同(由相鄰密排面相對滑移形成HCP相).第三種機制包含三個步驟: 第一步和第二種機制相同,在形成密排面后,BCC相轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g態(tài)FCC相,最后FCC相再轉(zhuǎn)變成HCP相.第三種相變機制同前兩種機制相比,最明顯的區(qū)別是產(chǎn)生了中間態(tài)FCC相.目前人們對于鐵的沖擊相變機制仍然存在爭議,爭論的焦點是沖擊相變過程是否會產(chǎn)生FCC相.Kalanar等[3]通過原位X射線衍射技術(shù),初步證實了單晶鐵沿[001]晶向沖擊時會發(fā)生BCC-HCP相變.Hawreliak等[4]通過X射線衍射實驗和非平衡分子動力學(xué)模擬對單晶鐵沿[001]晶向沖擊進一步分析,發(fā)現(xiàn)BCC-HCP相變通過上面所述的第一種機制實現(xiàn).對于多晶鐵的沖擊,Yaakobi等[5]通過擴展 X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(EXAFS)技術(shù)證實了多晶鐵在沖擊加載下也會發(fā)生 BCC-HCP 相變.2011年 Hawreliak等[6]通過X射線原位衍射法分析激光沖擊壓縮多晶鐵過程中,也證實了多晶鐵在沖擊條件下會發(fā)生BCCHCP相變,并提出在相變過程中可能會出現(xiàn)FCC相.Kadau等[7]用分子動力學(xué)方法研究了鐵沿[001]晶向沖擊壓縮過程,結(jié)果顯示發(fā)生了BCC-HCP相變.之后他們又模擬了沿[101]晶向的沖擊過程,發(fā)現(xiàn)相變產(chǎn)物中除了HCP相,還出現(xiàn)了大量FCC相[8].他們進一步分析及模擬了多晶鐵的沖擊加載過程,認為試驗中用擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜技術(shù)不能有效區(qū)分HCP和FCC,并認為相變終產(chǎn)物應(yīng)該為HCP和FCC相的混合物[9].馬文等[10]通過分子動力學(xué)模擬,證實了多晶鐵的沖擊相變產(chǎn)物中確實存在FCC相.Wang等[11]也使用分子動力學(xué)方法模擬了單晶鐵的單軸壓縮過程,類似地,[001]方向壓縮會發(fā)生 BCC-HCP 相變,而在[101]方向加載條件下發(fā)現(xiàn)了大量的FCC相.2014年Gunkelmann等[12]在多晶鐵的沖擊模擬過程中也發(fā)現(xiàn)了大量FCC相.最近邵建立等人通過分子動力學(xué)方法模擬了單晶鐵的壓縮過程,結(jié)果表明在一維壓縮([001])條件下,相變產(chǎn)物主要為HCP相,而二維壓縮(沿[010]和[001]方向)以及三維壓縮條件下都出現(xiàn)大量FCC相[13,14].

基于以上研究,鐵沖擊過程中的 BCCHCP相變機制已經(jīng)明確.然而分子動力學(xué)模擬結(jié)果顯示,單晶鐵沿[101]晶向沖擊過程和多晶鐵的沖擊過程中都會出現(xiàn)大量的FCC相,FCC相產(chǎn)生的原因及機制目前還不明確,需要進一步去研究探索.本文通過分子動力學(xué)方法模擬了BCC鐵沿[101]晶向的沖擊加載過程,模擬結(jié)果顯示除了HCP相外,還出現(xiàn)了大量的FCC相;并進一步仔細研究了FCC相的形成機制及原因.

2 模擬方法

用LAMMPS[15]軟件模擬了BCC鐵沿[101]晶向的沖擊過程,鐵原子間作用力由Chamati等[16]提出的EAM勢函數(shù)描述,該勢函數(shù)的詳細表達形式及相關(guān)參數(shù)可參考原始文獻.為了研究沖擊過程中FCC相的形成機制,構(gòu)造了兩個模型: 模型一為沖擊加載模型,模型的X,Y和Z軸分別沿[101],[010]和 [01]晶向a0為BCC鐵的晶格常數(shù)),共包含324萬個鐵原子,如圖1所示.模型沿Y和Z方向施加周期邊界條件,X方向施加自由邊界條件.初始溫度設(shè)置為10 K,模擬過程中使用 NVE 系綜.沿X方向沖擊加 載,沖 擊 速 度 為 1.05 km/s[8].通 過 活 塞 法[17]產(chǎn)生沖擊波,該方法已經(jīng)被廣泛使用[18?20].為了模擬不同應(yīng)力狀態(tài)下鐵的壓縮相變過程,另外構(gòu)建了一個較小的體材料模型(模型二).模型的X,Y和Z軸分別沿 [101],[010]和 [ ˉ1 01]晶向共包含 192000 個原子.初始溫度為 10 K,三個方向都施加周期性邊界條件.加載方式通過NPT控制壓強實現(xiàn),加載應(yīng)力速率為2.5 GPa/ps.模擬過程中的時間步長設(shè)置為0.001 ps.模擬結(jié)果通過公共近鄰法分析原子結(jié)構(gòu)[21],并用OVITO[22]軟件進行可視化處理.本文沖擊應(yīng)力通過先求得每一個原子上的應(yīng)力,然后沿沖擊方向?qū)⒛Ｐ头譃?00層,最后對每層原子應(yīng)力取平均得到該層的應(yīng)力.而壓縮應(yīng)力在得到每一個原子上的應(yīng)力后對體系中所有原子應(yīng)力取平均,作為整個體系的應(yīng)力.

圖1 BCC 鐵沖擊初始模型Fig.1.Initial model of BCC iron impact.

3 模擬結(jié)果

3.1 沿[101]晶向沖擊模擬

圖2(a)給出了單晶鐵(模型一)沿[101]方向沖擊過程中不同時刻X,Y和Z方向壓應(yīng)力沿X方向的分布情況.從圖2(a)中可以看出: 沖擊波前所到位置的X方向應(yīng)力從0迅速增加到大約25 GPa(即相變初始壓力),與之前的實驗和模擬結(jié)果都保持一致[12,23?26].同時Y方向和Z方向的應(yīng)力從 0分別增加到大約 13 GPa和 4 GPa.此時單晶鐵開始發(fā)生相變.當相變過程結(jié)束后,該部分的X方向應(yīng)力繼續(xù)升高到大約53 GPa,而Y和Z方向的應(yīng)力都升高到大約40 GPa左右.圖2(b)給出了8 ps時刻模型的原子結(jié)構(gòu)分析結(jié)果.從圖2(b)中可以看出大部分相變產(chǎn)物為HCP相(紅色部分),其中少部分變成了FCC相或者HCP相中的層錯(綠色部分),這與前人的研究結(jié)果一致[8,12].

圖2 單晶鐵沿 [101]方向的沖擊壓縮過程 (沖擊速度為1.05 km/s) (a) 沖擊過程中不同時刻模型中的壓應(yīng)力;(b) 8 ps時刻的模型,圖中藍色、紅色分別代表BCC 和HCP相,綠色代表FCC相或者HCP相的層錯Fig.2.The simulation of a single crystal iron model which was impacted along [101]crystal direction (the impact speed was 1.05 km/s): (a) The stress in the impacted sample at different times;(b) the impacted sample at 8 ps.Blue and red parts represent BCC and HCP phase,respectively;green part represents FCC or stacking fault of HCP phase.

為了進一步確定圖2(b)中綠色部分的原子結(jié)構(gòu),圖3給出了沖擊后模型在(101)面內(nèi)的投影并對其局部進行了放大.可以看到綠色區(qū)域的原子有兩種不同的結(jié)構(gòu): 第一種結(jié)構(gòu)和A區(qū)域內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)相同,在該部分中BCC相的(101)晶面轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC相的(100)晶面;因此A區(qū)域內(nèi)的原子確實發(fā)生了BCC到FCC的結(jié)構(gòu)相變.而B區(qū)域僅為一層原子厚度的密排晶面,且該層和HCP的基面(1000)晶面保持平行,因此該部分區(qū)域可以看作為HCP相中的層錯,而非FCC相.

圖3 沖擊后模型向 X 軸 ((101)面)的投影 (藍球、紅球和綠球分別代表位于BCC相、HCP相和FCC相(或HCP相中的層錯)中的鐵原子)Fig.3.The atoms’ configuration on the (101) plane after impaction (blue,red and green balls represent the iron atoms in BCC phase,HCP phase and FCC phase (or stacking fault of HCP),respectively.

為了進一步分析HCP相和FCC相的形成機制,圖4給出了沖擊過程中從BCC到HCP相以及從BCC相到FCC相轉(zhuǎn)變過程中原子結(jié)構(gòu)的變化過程.BCC-HCP相變可以由圖4(a)中三層原子面描述,第一層和第三層原子面的原子運動完全一致,為了方便分析,我們?nèi)〉谝粚雍偷诙釉幼鳛檠芯繉ο?如圖4(b)和圖4(c)所示,在3.8 ps以前,沖擊波還沒有傳播到該區(qū)域,原子的相對位置及距離保持不變,此時原子第一近鄰(即d0?1,d0?2,d0?4和d0?5)大約為 0.250 nm,第二近鄰 (即d0?3和d0?6) 大約為 0.287 nm.當應(yīng)力波到達該區(qū)域后,第二近鄰距離因受壓急劇減小;5.6 ps時,第二近鄰距離被壓縮到和第一近鄰間距近似相等,這時(101)面被壓縮為密排面.然后相鄰密排面產(chǎn)生相對滑動,到 6.6 ps時已經(jīng)形成HCP結(jié)構(gòu).這種BCC-HCP相變機制和前人的結(jié)果一致[27?35].圖4(d)給出了沖擊過程中從BCC到FCC的相變過程;并在圖4(e)中進一步給出了鐵原子沿X,Y和Z三個方向單位周期長度ax,ay和az隨時間的變化(ax,ay和az的初始長度分別為a0和為 BCC 鐵的晶格常數(shù)).從圖4(d)和圖4(e)中可以看到: 3.8 ps以前,沖擊波沒有傳播到該位置,三個方向的單位周期長度保持不變,晶體為 BCC 結(jié)構(gòu).3.8 到 5.6 ps階段,三個方向都略微收縮;5.6 ps后,[101]和 [01]方向急劇收縮,而[010]方向突然擴張,最終導(dǎo)致ax:ay:az=1:1:1 ,完成BCC到FCC相變.

圖4 BCC 鐵沿 [101]晶向沖擊條件下 HCP 和 FCC 相的形成機制 (a) 一個結(jié)構(gòu)單元的 BCC-HCP 相變機制;(b) (101)面的原子運動規(guī)律(黃色箭頭代表(101)面原子收縮方向,黑色箭頭代表(101)面相對滑移方向(1—6號原子和7—9號原子分別對應(yīng)(a)中的第一層和第二層原子面;u為(101)面相對滑移距離.);(c) 原子間距離隨沖擊時間的變化;(d) BCC-FCC相變機制(為了方便觀察,將結(jié)構(gòu)單元中的面心原子設(shè)置為黃色);(e) 晶格常數(shù)隨沖擊時間的變化Fig.4.The formation mechanisms of HCP and FCC phase under impact of BCC iron along [101]direction: (a) The BCC-HCP phase transition mechanism of a structural unit;(b) the atomic motion of (101) plane (yellow arrow represents the contraction direction of (101) plane,and black arrow represents the relative sliding direction of (101) plane (atoms 1—6 and 7—9 correspond to the first and second atomic planes in (a) respectively;u is the relative sliding distance of (101) plane);(c) the change of atomic distance with impact time;(d) BCC-FCC phase transition mechanism (set the face center atom in the structural unit to yellow for easy observation);(e) the change of lattice constant with impact time.

BCC金屬相變終產(chǎn)物和其所處的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān).2007年Guo等[36]用分子動力學(xué)方法研究了BCC金屬裂紋尖端應(yīng)力誘發(fā)相變過程,發(fā)現(xiàn){100}?100?和{110}?100?裂紋尖端只發(fā)生了BCCFCC相變,而BCC-FCC和BCC-HCP兩種相變都發(fā)生在{111}?100?裂紋尖端.結(jié)果表明相變的終產(chǎn)物取決于不同晶向的局部應(yīng)力狀態(tài).沖擊載荷作用下,在晶體內(nèi)部會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布,可能正是因為局部不同的應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致不同相變的發(fā)生.為了進一步分析應(yīng)力狀態(tài)對BCC鐵的相變機制的影響,我們分別模擬了BCC鐵在單軸壓縮、雙軸壓縮、以及三向壓縮等不同加載條件下的相變機制.

3.2 沿[101]晶向單軸壓縮

圖5為BCC鐵(模型二)沿[101]晶向單軸壓縮下的相變過程.從圖5(a)可以看出單晶鐵發(fā)生了BCC-FCC的整體均勻相變,所以取其一個結(jié)構(gòu)單元對相變過程進行分析.圖5(b)給出了單軸壓縮過程中三個方向(X,Y和Z)的應(yīng)力、單個原子總能量以及單位周期長度ax,ay和az隨加載時間的變化.可以看到在壓縮過程中X方向應(yīng)力隨時間線性增加,而側(cè)向應(yīng)力(Y和Z)都近似為零;當壓縮到 6.8 ps時,X方向的應(yīng)力達到了臨界值15.6 GPa.初始狀態(tài)三個方向晶格常數(shù)ax=az=(為面心四方結(jié)構(gòu)),對應(yīng)能量的最低點–4.278 eV/atom.在0—6.8 ps 內(nèi),ax逐漸減小至 0.363 nm,ay逐漸增大至 0.313 nm,az略微減小至 0.396 nm,該過程中能量升高至–4.196 eV/atom;在 6.8—6.9 ps內(nèi),ax和az急 劇 減 小 ,而ay急 劇 增 加 為 ,最 終 導(dǎo) 致ax:ay:az=0.342:0.342:0.387=1:1:1.31,形成晶格畸變的FCC相.6.9 ps時刻對應(yīng)的模型仍然存在應(yīng)力(σx=12.2GPa ),并且該時刻的能量達到最大值 (–4.151 eV/atom),所以該 FCC 相并不穩(wěn)定.在 6.9—7 ps 內(nèi),ax繼續(xù)減小至 0.287 nm,ay繼續(xù)增加至 0.398 nm,而az突然增加至 0.398 nm.在 7 ps 時刻對應(yīng)局部能谷 (–4.273 eV/atom),表明FCC相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的BCC相.整個過程中BCCFCC-BCC的晶向?qū)?yīng)關(guān)系為圖5(c)給出了一個結(jié)構(gòu)單元的相變過程.在該過程中的FCC相屬于中間態(tài),初始的BCC結(jié)構(gòu)(B1)經(jīng)過FCC相變最終得到轉(zhuǎn)晶向的BCC結(jié)構(gòu)(B2),在7 ps后即為B2結(jié)構(gòu)的壓縮過程.

圖5 BCC鐵沿[101]晶向在單軸壓縮下的相變機制 (a) 壓縮過程中的三個快照;(b)應(yīng)力、晶格常數(shù)以及單個原子能量( E total )隨加載時間的變化;(c) 一個結(jié)構(gòu)單元的相變過程(為了方便觀察,將結(jié)構(gòu)單元中的面心原子設(shè)置為黃色)Fig.5.The transformation mechanism of BCC iron under uniaxial compression along [101]direction: (a) Three snapshots during compression (b) the variation of stress,lattice constant and energy of single atom ( E total ) with loading time;(c) the phase transition process of a structural unit (set the face center atom in the structural unit to yellow for easy observation).

3.3 沿 [101]和 [01]同時壓縮

圖6 BCC 鐵沿 [101]和 [ 01]方向同時壓縮下的相變機制 (a) 壓縮過程中的三個快照;(b) 應(yīng)力、晶格常數(shù)以及單個原子能量隨加載時間的變化;(c)一個結(jié)構(gòu)單元的相變過程(結(jié)構(gòu)單元中的面心原子設(shè)置為黃色)Fig.6.The phase transformation mechanism of BCC iron under simultaneous compression along [101]and [ 01]directions:(a) Three snapshots during compression;(b) the variation of stress,lattice constant and energy of single atom with loading time;(c) the phase transition process of a structural unit (set the face center atom in the structural unit to yellow for easy observation).

3.4 沿[101]和[010]同時壓縮

圖7為 BCC鐵 (模型二)沿 [101]和 [010]晶向同時壓縮下的相變過程.從圖7(a)可以看出單晶鐵發(fā)生了BCC-HCP的整體相變.圖7(b)顯示了壓縮過程中應(yīng)力、單個原子總能量以及原子距離隨加載時間的變化.可以看到在整個過程中,Z方向應(yīng)力大致為零,壓縮到 10 ps時刻,BCC 鐵達到臨界應(yīng)力25.6 GPa.初始狀態(tài)的原子距離分別為:d0–1=d0–2=d0–4=d0–5=0.247 nm,d0?3=d0?6=0.287nm,對應(yīng)能量的最低點–4.278 eV/atom.在0—9 ps內(nèi),d0?3和d0?6(第二近鄰距離)逐漸減小至 0.247 nm,d0?1,d0?2,d0?4以及d0?5(第一近鄰距離)保持不變,導(dǎo)致(101)面變成密排面,該過程中能量升高為–4.148 eV/atom;在 9—10.1 ps內(nèi),d0?3和d0?6仍然減小至 0.245 nm,d0?1,d0?2,d0?4以及d0?5仍然保持不變,同時7號、8號以及9號原子和相鄰密排面之間產(chǎn)生相對滑移,該過程中能量上升至–4.155 eV/atom;在 10.1—10.5 ps內(nèi),d0?3和d0?6急劇減小至 0.239 nm,d0?1,d0?2,d0?4以及d0?5增加至0.259 nm,最終得到晶格畸變的HCP相,10.5 ps正好對應(yīng)局部能谷 (–3.865 eV/atom),HCP相處于亞穩(wěn)態(tài).與之相對應(yīng)的相變過程在圖7(c)中給出,其中d1?2,d0?3,d0?6,d4?5和d8?9變化保持一致.

3.5 沿 [101]、 [010]和[01]三 個 方 向同 時壓縮

圖8為 BCC鐵 (模型二)沿 [101],[010]以及[01]三個晶向同時壓縮下的相變過程.在該應(yīng)力狀態(tài)下仍然會發(fā)生BCC-HCP的整體相變,如圖8(a)所示.圖8(b)給出了在壓縮過程中應(yīng)力、單個原子總能量以及原子距離隨加載時間的變化.由圖8(b)可以看到: 初始狀態(tài)的原子距離分別為:d0–1=d0–2=d0–4=d0–5=0.247 nm,d0–3=d0–6=0.287 nm,d1?5=0.405nm ,對應(yīng)能量的最低點–4.278 eV/atom.在 0 —11.2 ps內(nèi) ,d0?3和d0?6(第 二 近 鄰 距 離 )逐 漸 減 小 至 0.274 nm,d0–1,d0?2,d0?4以及d0?5(第一近鄰距離)逐漸減小至0.237 nm,該過程中能量升高至–4.158 eV/atom;在 11.2—12.5 ps 內(nèi),d0?3和d0?6減小為 0.250 nm,然而仍然沒有轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘琶?在12.5—13.5 ps內(nèi),d0?3和d0?6在 逐 漸 減 小 為 0.238 nm的 過 程 中7號、8號以及9號原子和相鄰密排面之間產(chǎn)生相對滑移 (滑移距離u≈ 0.069 nm).在整個過程中,能量曲線在 11.2,12.5 s和 13.5 ps出現(xiàn)三個突變點,前兩個對應(yīng)d0?3和d0?6在該時刻的突變,第三個突變點則對應(yīng)HCP相變的完成.相變臨界壓力為 30 GPa,相變過程顯示在圖8(c) 中.相變完成后,繼續(xù)加壓到 40 GPa,晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)鐵仍然穩(wěn)定于HCP相.相變發(fā)生時能量沒有局域極小值,而是隨壓力的增加線性升高,這是因為HCP所受到的壓力繼續(xù)增大,彈性應(yīng)變能升高所致.

圖7 沿[101]和[010]方向同時壓縮下BCC鐵的相變機理 (a) 壓縮期間的三個快照(藍色和紅色球分別代表BCC相和HCP相的鐵原子);(b) 應(yīng)力、原子距離以及單個原子能量隨加載時間的變化(原子距離與(c)中原子相對應(yīng));(c) BCC-HCP相變機制(黃色箭頭代表(101)面原子收縮方向,黑色箭頭代表(101)面相對滑移方向)Fig.7.The transformation mechanism of BCC iron under simultaneous compression along [101]and [010]directions: (a) Three snapshots during compression (blue and red spheres represent the iron atoms of BCC and HCP phases respectively);(b) the variation of stress,atomic distance and energy of single atom with loading time (the atomic distance corresponds to the atom in (c));(c) BCC-HCP phase transformation process (yellow arrow represents the contraction direction of (101) plane,and black arrow represents the relative sliding direction of (101) plane).

圖8 BCC鐵在三軸壓縮下的相變機理 (a) 壓縮過程中的三個快照(藍色和紅色的球分別代表BCC相和HCP相的鐵原子);(b) 應(yīng)力、原子距離以及單個原子能量隨加載時間的變化(原子距離與(c)中原子相對應(yīng));(c) BCC-HCP相變機制(黃色箭頭代表(101)面原子收縮方向,黑色箭頭代表(101)面相對滑移方向)Fig.8.The phase transformation mechanism of BCC iron under triaxial compression: (a) Three snapshots during compression (blue and red spheres represent the iron atoms of BCC and HCP phases respectively);(b) the variation of stress,atomic distance and energy of single atom with loading time (the atomic distance corresponds to the atom in (c));(c) BCC-HCP phase transformation process ( yellow arrow indicates the contraction direction of (101) plane atom,and black arrow indicates the relative sliding direction of(101) plane atom).

3.6 討 論

根據(jù)熱力學(xué)基本原理,等溫等壓條件下吉布斯自由能較低的相比較穩(wěn)定,因此相變發(fā)生時,總是從吉布斯自由能較高的相轉(zhuǎn)變?yōu)榧妓棺杂赡茌^低的穩(wěn)定相.圖9給出了鐵的BCC,FCC和HCP相的吉布斯自由能隨靜水壓力的變化.零壓下BCC相的自由能最低,即BCC相最穩(wěn)定.三相的自由能都隨著壓力的升高而升高,當壓力超過32.7 GPa時,HCP相的自由能低于BCC相的自由能;當壓力超過 33.6 GPa 時,FCC 相的自由能也低于BCC相的自由能,且FCC相自由能近似等于BCC相的自由能.三向靜水壓縮BCC相,隨著壓力逐漸升高,當達到 32.7 GPa 時,將發(fā)生HCP相變,并隨著壓力繼續(xù)升高HCP相處于穩(wěn)定狀態(tài).因為FCC相變壓力高于HCP相變壓力,因此在靜水壓縮過程中不會發(fā)生FCC相變.這和我們的動力學(xué)模擬結(jié)果一致(當靜水壓達到30 GPa時發(fā)生從BCC到HCP的相變,并在高壓下HCP相處于穩(wěn)定狀態(tài),且不發(fā)生FCC相變).

圖9 鐵 BCC,HCP 和 FCC 相吉布斯自由能隨靜水壓力的變化Fig.9.Gibbs free energies of BCC,HCP and FCC phases change with pressure.

結(jié)合動力學(xué)模擬及能量分析,Fe沿[110]晶向沖擊條件下相變(HCP相和少量的FCC相)發(fā)生的原因可以理解如下.圖2(a)顯示沖擊波前區(qū)域[01]方向的平均壓應(yīng)力很小,該處的Fe近似處于沿[101]和[010]雙向壓縮狀態(tài),當沖擊波前通過后,該區(qū)域沿 [01]方向的壓力迅速增加,該區(qū)域近似處于三向靜水壓縮狀態(tài).本工作3.4部分的動力學(xué)模擬結(jié)果顯示,當沖擊波前到達時所產(chǎn)生的沿[101]和[010]的雙向壓力,將誘發(fā)從BCC到HCP的相變.而波前通過后產(chǎn)生的三向靜水壓力將使HCP相處于高壓穩(wěn)定狀態(tài).波前區(qū)域總體平均應(yīng)力處沿[101]和[010]雙向壓縮狀態(tài),但不排除波前的個別小區(qū)域處于沿[101]單向壓縮或沿[101]、[01]雙向壓縮狀態(tài).根據(jù)本工作3.2和3.3部分的動力學(xué)模擬結(jié)果,此時將會出現(xiàn)FCC相變.沖擊波前通過后該區(qū)域處于三向靜水壓狀態(tài),吉布斯自由能分析表明,高壓條件下FCC相和HCP相的吉布斯自由能近似相等,都大于BCC相的自由能,從而阻止FCC相進一步向BCC相的轉(zhuǎn)化,使FCC相在高壓下處于穩(wěn)定狀態(tài),并和HCP相共存.因此,沿[101]方向沖擊壓縮BCC鐵最終會產(chǎn)生如圖2(b)所示的高壓密排相(大量HCP相加少量FCC相).

4 結(jié) 論

本文用分子動力學(xué)方法研究了BCC鐵沿[110]方向沖擊條件下的相變過程.結(jié)果顯示,在沖擊載荷作用下,BCC相轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘畔?其中包含大量HCP和部分FCC產(chǎn)物.在沖擊過程中,FCC相的形成機制主要是由于BCC鐵的[101]和[01]的方向突然收縮,而[010]的方向突然膨脹,使晶格常數(shù)在三個方向上的比值達到ax:ay:az=1:1:1,實現(xiàn)BCC相向FCC相的轉(zhuǎn)變.本文通過設(shè)置不同加載方式進一步分析了不同應(yīng)力狀態(tài)下的相變機制,結(jié)果表明BCC鐵的相變機制取決于應(yīng)力狀態(tài),沿[101]晶向單軸壓縮以及沿[101]和[01]晶向雙軸壓縮兩種情況發(fā)生BCC-FCC相變,相對而言雙軸壓縮得到的FCC相更穩(wěn)定,如果繼續(xù)壓縮都會發(fā)生從FCC到BCC的相變.而沿[101]和[010]雙軸壓縮以及三軸壓縮兩種情況會發(fā)生BCC-HCP相變.兩種應(yīng)力狀態(tài)下的相變機制都是(101)面先被壓縮成密排面,然后通過密排面相對滑移形成HCP結(jié)構(gòu),區(qū)別在于雙軸壓縮條件下(101)晶面先被壓縮成密排面,密排面被壓縮的同時相鄰密排面之間產(chǎn)生相對滑移,從而得到晶格畸變的亞穩(wěn)態(tài)HCP相;而三軸壓縮條件下,(101)面先被壓縮到一定程度,在沒有形成密排面之前,(101)面被壓縮的同時相鄰(101)面之間產(chǎn)生相對滑移,最終形成穩(wěn)定的高壓HCP相.最后我們計算了三個相的吉布斯自由能隨壓力的變化,并對沖擊模擬結(jié)果進行了深入分析,給出了沿[101]晶向沖擊條件下高壓密排相產(chǎn)生的機制.