单晶镁冲击形变过程原位X射线衍射信息的分子动力学解析

In-situ X-ray diffraction (XRD) is an effective method to study shock-induced deformation and its underlying mechanisms for metals. It is a key to distinguish the evolution of dislocations, stacking faults, and deformation twinning from XRD patterns in experiments. In this program, the large scale molecular dynamics (MD) simulations and XRD imaging simulations are implemented to study the shock-induced deformation in single-crystal Mg in real-time, in order to analyze in-situ XRD results in our experiment. The MD results show the evolution and mechanisms of shock-induced deformation, such as dislocations, stacking faults, deformation twinning, and their nucleation, propagation, interactions and annihilation, via tracking the trajectories of each atoms. The simulated XRD patterns, corresponding to the snapshots of configuration, are calculated, and a relation between XRD results and dislocation, stacking faults, deformation twinning and their evolution in Mg is obtained. Finally, a preliminary analysis of the XRD results in experiment is made, based on the relation of XRD and dislocation, etc. This program will significantly promote the progress in understanding and analyzing the experimental results on the dynamic deformation in Mg.

原位X射线衍射诊断技术是研究材料冲击变形微观机理的重要方法，而衍射信号的分析是其中的核心。在衍射分析中，一个关键的问题就是如何从实验衍射信号有效甄别出位错、层错和孪晶的演化行为。本项目基于单晶镁在冲击载荷下的动态X射线衍射实验结果，拟结合分子动力学模拟和X射线衍射成像方法，建立一套原位X射线衍射诊断冲击作用下单晶镁内部位错、层错和孪晶演化行为的计算模拟体系。利用分子动力学模拟方法，对冲击载荷下单晶镁的微观结构变形进行实时表征，获得材料内部位错、层错和孪晶的演化过程和规律；基于模拟结果，采用X射线衍射成像方法，得到位错、层错和孪晶在演化过程中所对应的衍射信号特征，初步获得衍射信号变化与单晶镁内部位错、层错和孪晶演化之间的对应关系。通过与实验数据的对比，实现对X射线衍射实验结果的解析。本项目的研究可以为我们理解和分析金属镁动态衍射实验结果提供理论依据。

极端超快环境下材料内部变形机理的测量对于其性能的评估具有重要意义。随着同步辐射X射线光源的发展，为实时原位分析材料内部微结构提供了有力工具。X射线衍射信号的精准解析，是原位测量的关键。因此，获得微结构及其耦合与衍射信号间的关系，对于衍射实验分析至关重要。本项目以单晶镁的冲击变形为主要对象，利用大规模分子动力学模拟计算，获得了沿不同晶向冲击下其内部的变形行为，并采用衍射模拟成像方法，获得了其对应的衍射信号。通过对微结构和衍射信号的对比分析，我们发现晶向对变形方式影响甚大。沿[10-10]和[1-210]方向冲击，扩展孪晶占据主导。对应地，可以发现有新衍射斑点的出现，或发生明显的旋转。这些新信号在倒空间中的变化与正空间的结构变化基本一致。沿[0001]晶向冲击，滑移占据主导，且有少量压缩孪晶形成，并导致变形带的产生，从而引起衍射斑发生明显的扩张，这是由于位错或变形带导致的部分晶向旋转所导致的。本项目同时对纳米晶钛的冲击、多孔铜的拉伸进行衍射分析，通过量化正空间的微结构大小、方向和倒空间的散射斑点位置、方向等，初步给出了两者间的关联。通过本项目的开展，为动态衍射实验结果的有效解析提供了重要支持。