杜 欣 熊啟林 周留成 闞前華 蔣雖合 張 旭 ,2)

* (西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,成都 610031)? (華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院,武漢 430074)

** (空軍工程大學(xué)等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710038)

?? (北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

引言

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)利用激光穿過約束層,作用于燒蝕層產(chǎn)生大量等離子體,等離子體繼續(xù)吸收激光能量發(fā)生爆炸從而產(chǎn)生沖擊波作用于金屬表面.當(dāng)沖擊波峰值壓力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí),激光沖擊使材料發(fā)生超高應(yīng)變率(＞106s-1)的塑性變形,造成材料表面出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力分布并且發(fā)生表面晶粒細(xì)化[1-3].與傳統(tǒng)的機(jī)械處理技術(shù)相比,激光沖擊強(qiáng)化后材料的粗糙度得到很好的改善,并且磨損壽命和疲勞強(qiáng)度得到了提高[4-5].因此,目前激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[3].

高熵合金是具有多個(gè)化學(xué)主元(通常大于4 種)的新型結(jié)構(gòu)材料[6],多主元并未使高熵合金變脆,反而表現(xiàn)出更好的性能,例如高硬度、高強(qiáng)度、良好的塑性、出色的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性[7-11].這些優(yōu)異的性能使得高熵合金在工程中的潛在適用性受到了廣泛關(guān)注.CoCrFeMnNi 作為一種典型的高熵合金,最早由Cantor 等[12]在2004 年提出,所以也稱為“Cantor 合金”,其晶體結(jié)構(gòu)為面心立方,在室溫(300 K),低溫(77 K)和超低溫(15 K)下具有出色的強(qiáng)度和塑性變形能力[13-15].這些優(yōu)異的性能使得CoCrFeMnNi 高熵合金未來有望在天然氣輸運(yùn)、航空航天等領(lǐng)域運(yùn)用.由于激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域,所以研究CoCrFeMnNi 高熵合金的激光沖擊強(qiáng)化有重要的意義[16].

分子動(dòng)力學(xué)模擬是基于經(jīng)典牛頓力學(xué)對(duì)原子或者分子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬的方法,有助于揭示材料在原子尺度上的力學(xué)行為和變形機(jī)理[17].利用分子動(dòng)力學(xué)來模擬激光沖擊,可以直觀觀察到?jīng)_擊過程中以及沖擊之后材料微觀組織的演化過程.許多學(xué)者針對(duì)激光沖擊強(qiáng)化問題,開展了分子動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究.例如,Meng 等[18]研究了激光沖擊波在Al-Cu 合金中的傳播過程,發(fā)現(xiàn)溫度會(huì)影響擴(kuò)展位錯(cuò)的形成和演化,并且彈、塑性波速度隨溫度的升高而減小.Xiong 等[19]研究了銅單晶受沖擊壓縮的彈塑性雙波結(jié)構(gòu),指出由沖擊波引起的缺陷形態(tài)表現(xiàn)出明顯的晶體取向依賴性.陳亞洲等[20]發(fā)現(xiàn)在激光沖擊下純鈦內(nèi)部產(chǎn)生了孿生變形,變形孿晶生長(zhǎng)經(jīng)歷了沿垂直加載方向生長(zhǎng)、無序生長(zhǎng)、形成孿晶柵3 個(gè)過程,得到了彈塑性波分離的雙波結(jié)構(gòu).徐高峰等[21]研究了激光沖擊純鈦的溫度效應(yīng),指出在深冷條件下(77 K),沖擊波的速度高于常溫條件,能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的彈、塑性雙波結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的高密度堆垛層錯(cuò)釘扎了位錯(cuò),從而實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)化.Germann 等[22]發(fā)現(xiàn)在某些沖擊方向下,在波陣面附近由于原子面間的彈性振動(dòng)產(chǎn)生了獨(dú)立的波列.Bringa 等[23]發(fā)現(xiàn)激光沖擊產(chǎn)生的高應(yīng)力會(huì)阻礙晶界運(yùn)動(dòng),限制了材料的軟化.上述研究都采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,分析了沖擊波傳播過程以及沖擊波作用于材料的微觀機(jī)理.然而,目前針對(duì)CoCrFeMnNi 高熵合金激光沖擊強(qiáng)化的分子動(dòng)力學(xué)模擬鮮見報(bào)道,這限制了從原子尺度上理解CoCrFeMnNi 高熵合金激光沖擊過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化、沖擊波響應(yīng).

針對(duì)以上問題,利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件Lammps[24],對(duì)單晶CoCrFeMnNi 高熵合金進(jìn)行了激光沖擊的分子動(dòng)力學(xué)模擬.通過位錯(cuò)提取算法(dislocation analysis,DXA) 以及共鄰分析方法(common neighbor analysis,CNA)來分析不同沖擊方向下微結(jié)構(gòu)演變過程[25-27],并且通過粒子速度以及沖擊波波速來分析不同沖擊方向下的沖擊波特性,此外分析了沖擊后殘余應(yīng)力與位錯(cuò)密度沿沖擊深度的分布.

1 原子模型與加載方式

為研究沖擊時(shí)雙波結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)演化的取向相關(guān)性,利用Atomsk 軟件[28]分別建立尺寸為74.7 nm × 13.3 nm × 7.5 nm,取向?yàn)閤=[100],y=[010],z=[001],x=[110],y=,z=[001]和x=[111],的3 個(gè)單晶CoCrFeMnNi 高熵合金模型(晶格常數(shù)a=3.595 ?),其中x方向?yàn)閇100]取向的單晶模型如圖1 所示.此外,作為對(duì)比分析,建立了與CoCrFeMnNi 高熵合金具有相同尺寸及取向的純Ni 模型.在沖擊之前,采用NPT 系綜使體系在300 K 下弛豫50 ps 來達(dá)到熱力學(xué)平衡,弛豫時(shí),x,y和z方向采用周期性邊界條件,時(shí)間步長(zhǎng)為1 fs.沖擊加載時(shí),沖擊方向(x方向)為自由邊界條件并采用NVE 系綜.

圖1 x 方向?yàn)閇100]取向的單晶CoCrFeMnNi 高熵合金原子模型Fig.1 Atomistic model of single crystal CoCrFeMnNi high-entropy alloy with [100] orientation in x direction

CoCrFeMnNi 高熵合金的分子動(dòng)力學(xué)模擬采用Choi 等[29]提出的第二近鄰修正嵌入原子(2 NN MEAM)勢(shì)函數(shù),該勢(shì)函數(shù)已被用于模擬CoCrFeMnNi高熵合金的循環(huán)變形、壓痕、溫度以及應(yīng)變率效應(yīng)[30-33].基于該勢(shì)函數(shù)構(gòu)建的高熵合金模型徑向分布函數(shù)如圖2(a)所示,可以看出其徑向分布呈現(xiàn)平滑分布的特征,這與傳統(tǒng)的面心立方結(jié)構(gòu)(facecentered cubic,FCC)合金徑向分布函數(shù)中表現(xiàn)出的單峰特征有所不同,體現(xiàn)了高熵合金的的晶格畸變效應(yīng)[34-35].此外,在該勢(shì)函數(shù)下構(gòu)建的CoCrFeMnNi高熵合金原子模型的所有第一近鄰鍵對(duì)的鍵長(zhǎng)滿足高斯分布,如圖2(b)所示.

圖2 徑向分布函數(shù)與第一近鄰所有鍵對(duì)的鍵長(zhǎng)分布Fig.2 The radial distribution function and the bond length distribution of all bond pairs in the first nearest neighbor

在分子動(dòng)力學(xué)模擬中,有3 種方法產(chǎn)生沖擊波:(1)收縮性邊界條件法,通過收縮邊界產(chǎn)生由兩側(cè)向內(nèi)部傳播的沖擊波,常用在流體沖擊波的模擬;(2)對(duì)稱碰撞法,通過將材料與飛片發(fā)生碰撞來產(chǎn)生沖擊波;(3)活塞法,通過將邊界處一定層數(shù)的原子作為活塞來誘導(dǎo)沖擊波的產(chǎn)生[1].在本文中采用活塞法來進(jìn)行激光沖擊的分子動(dòng)力學(xué)模擬,取x方向邊界處三層原子作為活塞,其中活塞原子速度為Up,產(chǎn)生的沖擊波速度為Us.只有沖擊波引起的應(yīng)力大于其Hugoniot 彈性極限,才會(huì)使材料產(chǎn)生動(dòng)態(tài)塑性變形,從而有可能產(chǎn)生彈性波和塑性波分離的雙波結(jié)構(gòu).材料的Hugoniot 彈性極限 σHEL可表示為[19]

式中,υ 為泊松比,σY為屈服應(yīng)力.由于彈、塑性雙波結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,沖擊強(qiáng)化材料分為5 個(gè)區(qū)域,即活塞區(qū)、塑性區(qū)、彈塑性區(qū)、彈性區(qū)和未受沖擊區(qū)[19],如圖3 所示.

圖3 活塞法沖擊強(qiáng)化材料的結(jié)構(gòu)分區(qū)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the piston method

2 結(jié)果與分析

2.1 粒子速度

以1.2 km/s(高于Hugoniot 彈性極限)對(duì)單晶沿3 個(gè)方向進(jìn)行沖擊加載,沖擊總時(shí)間為5 ps,并沿沖擊方向進(jìn)行分層處理,取每層質(zhì)心位置作為沖擊距離[36].在高應(yīng)變率下,局部區(qū)域的粒子速度由原子的平移和熱運(yùn)動(dòng)這兩部分構(gòu)成,而大多情況下,原子的熱運(yùn)動(dòng)速度是其運(yùn)動(dòng)速度[37].所以,將除去質(zhì)心速度后的平均粒子速度作為局部區(qū)域內(nèi)的粒子速度,得到1 ps 和5 ps 時(shí)的粒子速度剖面圖,如圖4 所示.在沖擊時(shí)間為1 ps 的沖擊初期,由于受沖擊區(qū)域較淺,導(dǎo)致沿各沖擊方向沖擊都未有明顯的彈、塑性雙波分離現(xiàn)象.在沖擊時(shí)間為5 ps 時(shí),沿[100]方向沖擊時(shí)曲線并未出現(xiàn)臺(tái)階段,即并未出現(xiàn)彈塑性雙波分離現(xiàn)象,而沿[110]和[111]方向沖擊時(shí)產(chǎn)生了彈性波與塑性波分離的雙波結(jié)構(gòu).這是由于[100]方向有更多的滑移系(8 個(gè)滑移系)激活,導(dǎo)致滑移更容易發(fā)生,以至于有更顯著的塑性變形,造成塑性波的傳播加快,從而引起彈、塑性波的分離不明顯.而在[110]密排方向(4 個(gè)滑移系激活)和[111](6 個(gè)滑移系激活)沖擊時(shí)塑性波較當(dāng)前沖擊方向下的彈性波波速慢,表現(xiàn)出了明顯的彈、塑性雙波分離現(xiàn)象.但是,當(dāng)沖擊速度提升到一定程度之后,沿[110]以及[111]沖擊時(shí)的塑性波將追趕上彈性波,從而也不再表現(xiàn)出彈、塑性波分離的雙波結(jié)構(gòu)[38].

圖4 粒子速度剖面圖Fig.4 Particle velocity profile

由圖4 可以明顯觀察到沿不同方向進(jìn)行沖擊時(shí)的沖擊波波速的差異.在沿[100]方向進(jìn)行沖擊時(shí)其塑性波波速明顯快于其余方向.沿[110]方向進(jìn)行沖擊時(shí)其塑性波波速略快于沿[111] 方向進(jìn)行沖擊時(shí)的塑性波波速,這與[110]方向?yàn)槠涿芘欧较蛴嘘P(guān).但是,沿[111]方向進(jìn)行沖擊時(shí),由于彈性波的單獨(dú)擾動(dòng),使得原子面在波前附近處彈性振動(dòng),導(dǎo)致附近粒子速度上升,從而產(chǎn)生了獨(dú)立的波列[23].CoCrFeMnNi 高熵合金表現(xiàn)出的彈塑性雙波分離現(xiàn)象和原子面彈性振動(dòng)的取向效應(yīng)與目前所研究的Cu 和Al 等面心立方結(jié)構(gòu)金屬結(jié)果一致[2,39].此外,可以看出沿[111]方向進(jìn)行沖擊時(shí)產(chǎn)生塑性波的臨界沖擊速度(約0.9 km/s) 大于[110] 方向(約0.8 km/s).臨界沖擊速度的差異與可開動(dòng)滑移系的Schmid 因子大小有關(guān).沿[111]方向加載時(shí)Schmid因子為0.272,而[110]方向的可開動(dòng)滑移系Schmid因子為0.408,所以沿[111]方向進(jìn)行沖擊時(shí)所需要的外加應(yīng)力更大,導(dǎo)致了其臨界沖擊速度大于[110]方向.但是,由于沿[100]方向沖擊時(shí)的粒子速度剖面圖未表現(xiàn)出彈、塑性雙波分離現(xiàn)象,所以不能從中判斷出[100]沖擊方向下塑性變形發(fā)生的臨界沖擊速度.

2.2 局部應(yīng)力

沖擊加載時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)可以反映沖擊波特性以及微觀組織變化,在這里計(jì)算了沖擊1 ps,5 ps 時(shí)各區(qū)域的正應(yīng)力 σxx、最大分切應(yīng)力 σshear、等效應(yīng)力σvm,如圖5 所示.其中,最大分切應(yīng)力 σshear和馮·米塞斯等效應(yīng)力 σvm可表示為[1]

圖5 局部應(yīng)力Fig.5 Local stress

從圖5 可以看出,沿[100]方向進(jìn)行沖擊時(shí),首先出現(xiàn)彈性先驅(qū)波,正應(yīng)力、最大分切應(yīng)力、馮·米塞斯等效應(yīng)力在波前附近急劇下降,未表現(xiàn)出彈、塑性雙波分離現(xiàn)象.其余方向下正應(yīng)力隨著深度的增加有明顯的臺(tái)階段出現(xiàn),表明彈塑性雙波已分離,此時(shí)臺(tái)階段只存在彈性波的擾動(dòng).而最大分切應(yīng)力和馮·米塞斯等效應(yīng)力在靠近沖擊表面處較小,這是由于受到?jīng)_擊載荷的作用,材料未表現(xiàn)出明顯的泊松效應(yīng),導(dǎo)致材料處于靜水應(yīng)力狀態(tài)[19].正應(yīng)力、最大分切應(yīng)力和馮·米塞斯等效應(yīng)力在波前的急劇下降表明了模型中受沖擊區(qū)域向未受沖擊區(qū)域的轉(zhuǎn)變.沿[111]方向進(jìn)行沖擊時(shí),波前附近的局部應(yīng)力增加同樣表示著由于原子面之間的彈性振動(dòng)導(dǎo)致出現(xiàn)的獨(dú)立的波列.

沿[100],[110],[111] 3 個(gè)方向進(jìn)行沖擊時(shí)壓力分布情況如圖6 所示.可以看出,在沿[111]方向進(jìn)行沖擊時(shí)其Hugoniot 彈性極限(Hugoniot elastic limit,HEL)大于[110]方向,這同樣與[111]方向可開動(dòng)滑移系的Schmid 因子大小有關(guān).但是,由于沿[100]方向進(jìn)行沖擊時(shí)的壓力分布同樣未表現(xiàn)出彈、塑性雙波分離現(xiàn)象,所以不能直觀獲得其Hugoniot彈性極限[19].

圖6 壓力分布Fig.6 Pressure distribution

2.3 微觀結(jié)構(gòu)演變

采用位錯(cuò)提取算法(DXA)分析位錯(cuò)密度沿深度方向的分布,如圖7 所示.CoCrFeMnNi 高熵合金沖擊過程中沿深度方向位錯(cuò)密度先增后減,表現(xiàn)出明顯的位錯(cuò)密度梯度分布.在沖擊表面附近處位錯(cuò)密度先增加,是由于在在沖擊表面附近處最大分切應(yīng)力較小.較小的最大分切應(yīng)力造成位錯(cuò)誘導(dǎo)的塑性變形受限,從而影響沖擊表面附近的位錯(cuò)成核以及增殖,使得位錯(cuò)密度呈現(xiàn)沿深度方向先增加后減小的梯度分布.分析位錯(cuò)密度的大小以及峰值出現(xiàn)的位置可以看出,在[110]沖擊方向下位錯(cuò)密度峰值所對(duì)應(yīng)的深度最深,沿[100]方向進(jìn)行沖擊會(huì)有更多的滑移系開動(dòng),但是其位錯(cuò)密度最小.其中,由于[110]沖擊方向?yàn)槊芘欧较?所以其塑性波傳播速度略快于[111]沖擊方向,導(dǎo)致其位錯(cuò)密度峰值所對(duì)應(yīng)的深度最深.而[111]沖擊方向較[110]沖擊方向擁有更多的可開動(dòng)滑移系,所以其塑性區(qū)域的位錯(cuò)密度大于[110]沖擊方向的位錯(cuò)密度.此外,CoCrFeMnNi高熵合金由于晶格畸變降低了位錯(cuò)成核的能壘[40],導(dǎo)致了高熵合金沖擊過程中的位錯(cuò)密度大于純Ni.但是,在純Ni 中以1.2 km/s 沿[111]方向進(jìn)行沖擊時(shí)只出現(xiàn)了彈性波,未發(fā)生塑性變形.在純Ni 中沿[111]方向以1.2 km/s 進(jìn)行沖擊未產(chǎn)生塑性變形反映出了在此沖擊方向下的臨界沖擊速度大于[100]和[110] 方向,這與在CoCrFeMnNi 高熵合金在[111]方向下?lián)碛懈叩呐R界沖擊速度相同.同樣,在純Ni 的沖擊加載過程中也產(chǎn)生了沿沖擊深度方向先增后減的梯度位錯(cuò)密度.

圖7 位錯(cuò)密度分布Fig.7 Dislocation density distribution

沿[100]方向進(jìn)行沖擊時(shí)擁有最小的位錯(cuò)密度是由于其產(chǎn)生了體心立方(body-centered cubic,BCC)中間相,導(dǎo)致了更少的不全位錯(cuò)形核,如圖8所示.圖中3 個(gè)及以上藍(lán)色原子層表示為BCC 中間相,綠色原子為FCC 結(jié)構(gòu),紅色原子為密排六方(hexagonal close-packed,HCP)結(jié)構(gòu).圍繞兩個(gè)或多個(gè)FCC 原子層的一層HCP 原子層是一個(gè)孿晶界,兩個(gè)相鄰的HCP 原子層構(gòu)成內(nèi)層錯(cuò),兩個(gè)HCP 原子層夾一層FCC 原子層構(gòu)成外層錯(cuò),白色原子部分表示無序結(jié)構(gòu)[28].在沖擊過程中材料內(nèi)塑性波傳播的區(qū)域產(chǎn)生了大量的層錯(cuò)以及無序結(jié)構(gòu)[27].此外,在沖擊過程中產(chǎn)生了大量的擴(kuò)展位錯(cuò),進(jìn)一步提高位錯(cuò)滑移的阻力,從而促進(jìn)位錯(cuò)的進(jìn)一步增殖.高密度位錯(cuò)使周邊晶格發(fā)生畸變,導(dǎo)致原子排列呈無序化,產(chǎn)生了無序結(jié)構(gòu).從缺陷在材料內(nèi)的分布深度可以看出在沿[110]方向沖擊時(shí)塑性波傳播快于[111]方向.

圖8 采用共鄰分析方法分析微觀組織變化Fig.8 Microstructure evolutions by CNA

將CoCrFeMnNi 高熵合金與純Ni 在沖擊時(shí)間為5 ps 時(shí)受沖擊區(qū)域內(nèi)的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示.可以看出,由于高熵合金中存在的晶格畸變效應(yīng),使得其在沖擊過程中更容易發(fā)生晶格失配[40].導(dǎo)致了在高熵合金中產(chǎn)生的無序結(jié)構(gòu)含量高于純Ni,但在[100]沖擊方向下高熵合金產(chǎn)生的BCC 中間相含量低于純Ni.

圖9 沖擊時(shí)間為5 ps 時(shí)CoCrFeMnNi 高熵合金與純Ni 受沖擊區(qū)域內(nèi)微結(jié)構(gòu)含量Fig.9 The microstructure content in the impact area of CoCrFeMnNi HEA and pure Ni at 5 ps

FCC 晶胞中的面心原子和與之相鄰的FCC 晶胞中的面心原子以及共邊頂角原子和共面的面心原子可以構(gòu)成一個(gè)體心四方 (body-centered tetragon,BCT)結(jié)構(gòu),如圖10 所示.圖中綠色直線構(gòu)成了兩個(gè)相鄰的FCC 晶胞,藍(lán)色直線構(gòu)成了一個(gè)BCT 晶胞.

圖10 FCC 結(jié)構(gòu)中的BCT 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of BCT structure in FCC structure

在沿[100]方向進(jìn)行沖擊時(shí),由于沖擊波高壓作用導(dǎo)致FCC結(jié)構(gòu)中BCT晶胞的高度從a壓縮至與其橫向長(zhǎng)度相同的高熵合金的晶格常數(shù)),使得BCT 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC結(jié)構(gòu),進(jìn)而表現(xiàn)出FCC 結(jié)構(gòu)向BCC 中間相轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象[39].在沿FCC 結(jié)構(gòu)的〈100〉晶向方向進(jìn)行加載時(shí),FCC 結(jié)構(gòu)在沖擊波作用下是否穩(wěn)定可通過修正的Born 穩(wěn)定性準(zhǔn)則來判斷,即[41]

式中,M1為自旋穩(wěn)定準(zhǔn)則,M2為剪切穩(wěn)定準(zhǔn)則,M3為Born 穩(wěn)定準(zhǔn)則,P為壓力,Cij為完美晶體的彈性常數(shù).局部壓力沿沖擊深度方向分布如圖11 所示,可以看出,在受沖擊區(qū)域的壓力超過了Born 穩(wěn)定準(zhǔn)則的臨界壓力,但是未達(dá)到剪切穩(wěn)定準(zhǔn)則的臨界壓力.因此,在沿[100]方向進(jìn)行沖擊加載時(shí)FCC 結(jié)構(gòu)中的BCT 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定并轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC 中間相.由于裂紋尖端的應(yīng)力集中,使得這種壓力相關(guān)的相轉(zhuǎn)變機(jī)制也出現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展的分子動(dòng)力學(xué)模擬中[42-43].

圖11 沿[100]方向沖擊時(shí)壓力分布Fig.11 Pressure distribution at [100] shocking direction

為了探究高熵合金沿[100]方向沖擊時(shí)BCC 中間相的演化情況,提取沖擊為1 ps 時(shí)受沖擊區(qū)域的微結(jié)構(gòu)在隨后沖擊過程中的演化情況,如圖12 所示.可以看出,BCC 中間相在隨后的沖擊加載過程中會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC 結(jié)構(gòu),并且有部分FCC 結(jié)構(gòu)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镠CP 結(jié)構(gòu)(層錯(cuò)).BCC 相在結(jié)構(gòu)上不穩(wěn)定并且兩相間能壘隨著壓縮應(yīng)力的減小而減小,導(dǎo)致了在隨后的沖擊加載過程中部分BCC 相轉(zhuǎn)變回FCC 結(jié)構(gòu)[41].高位錯(cuò)密度以及位錯(cuò)芯區(qū)域原子嚴(yán)重錯(cuò)排,導(dǎo)致了在沖擊過程中產(chǎn)生了大量無序原子.

圖12 高熵合金中沿[100]沖擊方向下微結(jié)構(gòu)演化Fig.12 Microstructure evolution at [100] direction in HEA

2.4 沖擊后殘余應(yīng)力與位錯(cuò)密度

將模型兩端固定,中心區(qū)域采用NVE 系綜使沖擊波在模型內(nèi)充分傳播,以達(dá)到保載的目的,保載過程中沖擊波經(jīng)歷了多次反射的過程.沿[100]方向沖擊后保載過程中沖擊波的傳播造成微結(jié)構(gòu)變化的情況如圖13 所示.BCC 中間相的產(chǎn)生與沖擊波的繼續(xù)傳播以及反射密切相關(guān),在塑性波進(jìn)一步傳播時(shí)的波前附近會(huì)產(chǎn)生BCC 中間相,而在沖擊波已傳播過的區(qū)域中,BCC 中間相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC 結(jié)構(gòu)以及層錯(cuò).并且,在沖擊波到達(dá)模型另一端的固定端時(shí)會(huì)發(fā)生反射,造成該區(qū)域內(nèi)的壓力增加,從而產(chǎn)生大量的BCC 中間相.但是,隨著沖擊波的衰減,后續(xù)產(chǎn)生的BCC 中間相含量減少,甚至在保載完成后不存在BCC 中間相,只存在層錯(cuò)以及無序結(jié)構(gòu).

圖13 沿[100]方向沖擊后保載過程的微結(jié)構(gòu)演化Fig.13 The microstructure evolution of the holding process after shocking in the direction of [100]

當(dāng)全局應(yīng)力達(dá)到平穩(wěn)水平時(shí)認(rèn)為保載完成,隨后取消模型兩端約束,在NVE 系綜下弛豫以達(dá)到卸載的目的,當(dāng)全局應(yīng)力為零時(shí)認(rèn)為卸載完成[44].卸載后獲得沖擊方向殘余應(yīng)力分量 σxx隨沖擊深度的變化情況如圖14 所示.可以看出,在沖擊表面為殘余壓應(yīng)力,芯部為拉應(yīng)力.由于沖擊波的反射,造成了殘余應(yīng)力表現(xiàn)出了雙向沖擊的分布情況[45].沿單晶[100]方向沖擊時(shí)芯部的殘余拉應(yīng)力最大.沿[111]方向沖擊時(shí)較[110]方向擁有更多的可開動(dòng)滑移系,導(dǎo)致[111]方向受沖擊區(qū)域的塑性變形更加劇烈,造成在[111]方向沖擊表面的殘余壓應(yīng)力大于[110]方向.雖然沿[100]方向進(jìn)行沖擊時(shí)可開動(dòng)滑移系最多,但中間相的產(chǎn)生導(dǎo)致了沖擊后沖擊表面附近的殘余壓應(yīng)力小于沿[111]方向沖擊后的殘余壓應(yīng)力.值得注意的是,沖擊以及保載過程中的約束層原子對(duì)殘余應(yīng)力的大小產(chǎn)生了一定的影響[46].

圖14 殘余應(yīng)力 σxx 沿深度分布曲線Fig.14 The enolution curves of residual stress σxx with the depth

分析卸載之后位錯(cuò)密度沿沖擊深度分布情況如圖15 所示.可以看出,卸載之后位錯(cuò)密度同樣表現(xiàn)出沿深度先增加后減小的梯度分布情況.但是,由于沖擊波的反復(fù)反射導(dǎo)致塑性變形中缺陷的動(dòng)態(tài)回復(fù),造成了卸載后的位錯(cuò)密度大小較沖擊過程中的有所減小.此外,由于[110]方向下產(chǎn)生了較多的無序結(jié)構(gòu),造成位錯(cuò)在無序結(jié)構(gòu)處釘扎,使沖擊波反射后位錯(cuò)的反向運(yùn)動(dòng)受阻,以至于位錯(cuò)動(dòng)態(tài)回復(fù)更難發(fā)生,導(dǎo)致卸載之后[110]方向下的位錯(cuò)密度略大于[111]方向下的位錯(cuò)密度.

圖15 卸載后位錯(cuò)密度分布Fig.15 Dislocation density distribution after unloading

激光沖擊強(qiáng)化會(huì)產(chǎn)生梯度位錯(cuò)密度、梯度殘余應(yīng)力以及梯度晶粒尺寸3 種梯度結(jié)構(gòu).梯度位錯(cuò)密度可以使材料強(qiáng)度得到有效提高[47-49];梯度晶粒尺寸可以保持材料的應(yīng)變強(qiáng)化能力[50-53]梯度殘余應(yīng)力可以降低疲勞裂紋的發(fā)生幾率和抑制裂紋的擴(kuò)展,從而延長(zhǎng)零件的服役壽命[45,54-55].但限于分子動(dòng)力學(xué)模擬的尺寸限制,在這里無法獲得晶粒細(xì)化的模擬結(jié)果.以上研究成果可對(duì)分析實(shí)際工程中的沖擊波傳播特性和沖擊波對(duì)材料的加工應(yīng)用進(jìn)行理論指導(dǎo).

3 結(jié)論

基于Atomsk 和Lammps 軟件對(duì)CoCrFeMnNi高熵合金進(jìn)行了激光沖擊的模擬,研究了不同沖擊方向下沖擊過程中的沖擊波的傳播特性、局部應(yīng)力的分布情況、微觀結(jié)構(gòu)的變化以及沖擊后的殘余應(yīng)力和位錯(cuò)密度分布情況,并將CoCrFeMnNi 高熵合金沖擊過程微結(jié)構(gòu)演化與純Ni 進(jìn)行對(duì)比,獲得以下主要結(jié)論.

(1) 激光沖擊強(qiáng)化誘導(dǎo)的彈塑性雙波分離現(xiàn)象表現(xiàn)出了明顯的取向效應(yīng).[100]方向擁有更多的可動(dòng)滑移系,在沿[100]方向進(jìn)行沖擊時(shí),滑移更容易發(fā)生,塑性變形更容易.這導(dǎo)致了在[100]沖擊方向下塑性波傳播速度變快,從而未出現(xiàn)雙波結(jié)構(gòu).而沿[110]和[111]方向進(jìn)行沖擊加載時(shí),可動(dòng)滑移系較少,其塑性變形也更困難,進(jìn)而導(dǎo)致了彈、塑性雙波分離的現(xiàn)象.

(2) 沿[100]方向進(jìn)行沖擊時(shí)產(chǎn)生了BCC 中間相,中間相在后續(xù)的塑性變形過程中演變?yōu)镕CC 結(jié)構(gòu)、層錯(cuò)與少量的無序結(jié)構(gòu).在沿[110]以及[111]方向進(jìn)行沖擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的無序結(jié)構(gòu),這是由于高密度位錯(cuò)以及位錯(cuò)芯區(qū)域原子錯(cuò)排,使得原子排列呈無序化.

(3) CoCrFeMnNi 高熵合金由于晶格畸變效應(yīng)使得位錯(cuò)更容易形核,導(dǎo)致在沖擊過程中產(chǎn)生了較純Ni 更高的位錯(cuò)密度以及更多的無序結(jié)構(gòu).

(4) 由于沖擊波產(chǎn)生的塑性變形不均勻,導(dǎo)致在卸載后模型兩端產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,芯部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力.并且,卸載之后的位錯(cuò)密度同樣呈現(xiàn)沿深度先增加后減小的梯度分布情況.