微观模拟研究金属卸载熔化机制与动力学特性

Understanding the microscopic melting behaviors of metals upon release from high pressures is essential to comprehend material properties under extreme conditions and to construct physics-based multiphase equation of state. With the progressive development of computational ability, molecular dynamics simulation which provides an important complementary tool to traditional experiments has been widely adopted to study dynamic responses of materials. In this project, basing on large-scale parallel molecular dynamics method, the atomistic melting processes upon release from a supported shock state in ideal, defective, and nanocrystal metals will be investigated with the help of microstructure and 1D to 3D binning analyses methods. The effect of initial defects, loading conditions on release melting will be explored and the relationship between release melting and the release wave profiles as well as release path will be revealed. This research will help us to interpret the experimental results of release path and provide microscopic physical mechanisms for the establishment of release melting models.

理解和掌握金属卸载熔化的动力学过程与微观机制对于认识极端条件下的材料物性、构建更加科学准确的多相状态方程模型具有重要意义。随着计算能力的不断发展，作为传统实验方法的有力补充，大规模并行分子动力学数值模拟已被广泛用于材料动态响应研究领域。本课题基于大规模并行分子动力学数值模拟程序，对理想、含简单缺陷以及纳米多晶金属材料的卸载熔化行为进行原子层次数值模拟研究。综合使用各种微结构分析与宏观统计分析方法给出缺陷区域非均匀卸载熔化以及材料整体均匀熔化的临界条件与微观动力学过程，获得初始缺陷结构、加载条件对卸载熔化的影响规律，揭示卸载熔化与卸载波波形、卸载路径特征之间的关系。该课题有助于更好地解读分析卸载路径实验测量结果，并为建立科学的卸载相变模型提供必要的微观物理基础。

本项目基于自主研制的大规模并行分子动力学程序，对金属Cu的卸载熔化行为进行大规模微观模拟研究，获得了卸载熔化的临界条件、微观动力学过程和热力学统计性质，考察了晶体各向异性、微缺陷结构以及多晶效应的影响特征，并给出了局部和整体卸载熔化在卸载波波形上的反映特征。研究结果表明：（1）对于理想单晶，卸载熔化为匀相相变过程，并且由于冲击加卸载中的高应变率和强剪切效应，呈现明显的非平衡相变特征和晶向依赖性；（2）对于多晶金属，卸载熔化总是首先发生在卸载过程中仍然承受强剪切作用的晶粒中，并且这种局部优先熔化现象使得样品整体表现出平衡态熔化特征；（3）缺陷（纳米空洞、高能晶界）对卸载熔化微观动力学具有显著影响，使得材料在整体均匀熔化之前，缺陷所在区域会首先发生局部卸载熔化。研究成果对于深入理解卸载熔化微观动力学过程和物理机制，发展接近真实物理过程的动态相变理论模型具有重要意义。