超强载荷冲击下纳米金属玻璃动态力学行为和变形机理研究

It is always been a hot research topic in mechanics and materials science for shocking response and deformation mechanism of metal under high strain rate. Nanoglass is a kind of metallic glass (amorphous alloy) with nano-amorphous grains and interface. Due to its high strength and great plasticity, the study of nanoglass gets much more attention. Using molecular dynamics simulation method, the dynamic response and plastic deformation mechanism of large size bulk nanoglasses under high strain rate shock compression are studied. The nanoglasses models with different structural features are built and evaluated. Based on the large size bulk nanoglasses, the dynamic response of nanoglasses under a large shock pressure range are studied. The structural characteristics of shock wave are analyzed and the Hugoniot relationship and Hugoniot elastic limit of nanoglasses are determined. Under relatively high shock pressure, shock melting and shock damage are investigated. In addition, a dynamic analysis method of nanoglass structure is proposed. The dynamic evolution process model of plastic deformation carrier is established. Meanwhile, the basic deformation mechanism of nanoglass under shocking compression is revealed. The relationship between the microstructure and the deformation mechanism is determined. This project is of great significance on improving dynamic mechanical behavior of amorphous materials research, exploring new nanoglass design, getting high strength and great plastic dynamic respond requirements, promoting the application of nanoglass in the field of aviation, aerospace, military and so on.

超强载荷冲击下金属的动态力学行为和变形机理始终是力学和材料学的研究热点，纳米金属玻璃是具有纳米非晶晶粒和界面的金属玻璃（非晶合金），由于其高强度、大塑性的特点备受关注。本项目采用分子动力学计算方法，开展高应变率冲击压缩下大尺寸块体纳米金属玻璃的动态响应和塑性变形机理研究，通过建立具有不同结构特征的纳米金属玻璃模型，计算不同冲击压力范围内纳米金属玻璃的动态响应，给出纳米金属玻璃的Hugoniot关系和Hugoniot弹性极限，进一步认识冲击熔化和破坏现象。同时采用纳米金属玻璃结构动态分析方法，研究塑性变形载体的动态演化过程，分析纳米金属玻璃在冲击压缩下的变形机理，探讨微观结构和变形机理之间的关系。本项目对丰富非晶材料动态力学行为的理论研究，探索新型纳米金属玻璃材料设计，满足极端条件下纳米金属玻璃高强度、大塑性动态响应要求，推动纳米金属玻璃在航空、航天、军事等领域的应用具有重要意义。

超强载荷冲击下金属的动态力学行为和变形机理始终是力学和材料学的研究热点，纳米金属玻璃是具有纳米非晶晶粒和界面的金属玻璃（非晶合金），由于其高强度、大塑性的特点备受关注。本项目采用分子动力学计算方法，提出了利用冷压曲线方法来评估势函数是否适用于冲击波的模拟。利用Voronoi方法建立了具有不同结构特征的纳米金属玻璃模型。开展高应变率冲击压缩下大尺寸块体纳米金属玻璃的动态响应和塑性变形机理研究。发现纳米金属玻璃的晶界结构对冲击波的传播几乎没有影响。Cu-Zr金属玻璃的冲击响应存在Cu含量依赖性，Cu含量相对较高的Cu-Zr金属玻璃具有更强的抗剪切抵抗性。揭示了在冲击压缩下Cu-Zr金属玻璃的屈服准则存在压力依赖性。同时发现Up–Us Hugoniot曲线塑性分枝存在双线性行为。基于剪切转变区激活模型，发现临界剪应力随初始温度的升高而降低，高温下的冲击显示出与压力有关的临界Hugoniot极限。在高温和高压下，使用基于扩散率分析的方法来确定冲击诱导熔化。变形图显示在不同冲击强度和温度下存在三种变形状态：弹性、塑性和冲击诱导熔化。在冲击压缩中，<0, 0, 12, 0>多面体具有最大的剪切抵抗性，它的含量可以基本反映塑性变形的结构变化特征。<0, 2, 8, 1>和 <0, 3, 6, 3>具有最小的剪切抵抗性。STZs的成核与发展是Cu-Zr金属玻璃在冲击压缩下的基本变形机制。随着冲击强度的增加，金属玻璃从韧性断裂转变为脆性断裂。本项目对丰富非晶材料动态力学行为的理论研究，探索新型非晶材料材料设计，满足极端条件下非晶材料高强度、大塑性动态响应要求，推动非晶材料在航空、航天、军事等领域的应用具有重要意义。