纳米晶金属冲击波微观结构的分子动力学研究

凝聚态金属的冲击响应过程涉及范围很广，掌握其规律对材料科学、天体物理等基础学科的发展起很大的推动作用，在工业建筑、机械制造、航空航天、以及国防科技方面也具有十分重要的意义，研究纳米晶金属中冲击波的微观结构正成为当前国际上一个重要的前沿问题。本项目拟对这一前沿问题进行深入探索，以期做出具有创新意义的研究工作。具体的研究内容包括：通过设计不同晶粒大小和晶向、晶界方向、冲击加载方向的双晶模型，研究冲击波作用下晶界滑移和位错成核的竞争机制；研究冲击波阵面的微结构以及晶体结构从一维到三维弛豫的体耗散过程；通过Voronoi方法构建纳米多晶进行数亿原子的大规模并行计算，结合双晶结果研究多晶 Cu内冲击波阵面微观结构、塑性波硬化以及体耗散过程；研究材料为多晶Al时的规律，并和多晶铜的结果做对比分析，归纳出不依赖晶体结构、较为普适的冲击波微观结构物理规律。本项目的研究工作可推进人们对冲击波微观结构的认识。

本项目立足于分子动力学模拟，完成了金属铜、金属钽原子间势函数的构建，发展了倾侧双晶模型构建程序以及基于Voronoi方法的多晶构建程序。发展的多晶构建程序，代码简洁，而且功能强大，可以用三种方式构建多晶构型，一是晶粒中心及晶向均完全随机，二是晶粒中心及晶向完全指定，三是晶粒中心局域随机和晶向完全随机。本项目还开发了串行的分子动力学后处理程序，用以分析和处理分子动力学输出的位型信息。. 研究了金属铜和金属钽单晶的冲击响应，考察了冲击方向、模拟体系大小等影响因素。发现模拟体系对材料内微观结构有影响，而对冲击压力、冲击速度、冲击温度等宏观物理量没有影响；发现冲击方向严重影响着材料的冲击响应，冲击方向不同，材料的雨贡纽弹性极限、塑性形变、位错形成机制、层裂强度等均不同。在进行冲击熔化现象研究时，发现了熔化模拟新方法，实现了从纯固态自然演化为稳定存在的固液共存态，获得了精确的熔点以及丰富的晶体熔化微观图像。. 研究了不对称的倾侧双晶铜的冲击响应，观察到了晶界滑移现象，发现晶界面处位错容易形核，是影响冲击响应的重要因素。晶界面会使得波系复杂化，弹性波抵达晶界面后可能触发弹塑性波。 还研究了冲击波引起的层裂现象，获取了原位的层裂强度及应变率等物理信息，对比发现实验中常用的声速方法仅是一个近似方法。为详细分析塑性形变中产生的位错，本项目发展了基于Thompson四面体的位错伯格矢量计算方法，可精确计算出位错的伯格矢量。. 采用3亿原子多晶构型研究了纳米多晶铜的冲击响应。由于分子动力学输出的原始位型信息文件高达百GB量级，这给物理分析和物理图像显示带来了巨大困难。为此，基于MPI+OpenMP开发了后处理程序的并行版本，该并行版本具有在数分钟内处理百GB量级数据文件的能力。最后获得了冲击波的微观物理图像，观察了体耗散过程，发现波阵面包含晶界滑移和位错形核两阶段。. 本项目的部分成果发表在国际著名期刊上，其中关于熔化模拟新方法的论文作为J. Chem. Phys.封面论文发表，并获得第七届全国青年计算物理会议的优秀论文奖。