面心立方铜晶体中空洞生长与贯通的尺寸效应.docx

文章编号:1001-246X(2011)04-0540-07面心立方铜晶体中空洞生长与贯通的尺寸效应张广财1，2*许爱国1，2，卢庞卫卫1，果2，(1．中国工程物理研究院研究生部，北京100088;2．北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室，北京100088)摘要:利用分子动力学方法模拟沿拉伸方向排布的两个空洞在单轴拉伸作用下的动力学行为．着重研究不同尺寸空洞对其拉伸贯通过程的影响．结果表明，不同尺度的空洞都是通过空洞表面发射位错环长大与贯通的．空洞在弹性阶段沿加载方向缓慢长大，在塑性阶段沿垂直方向生长后形成类八面体形状．随空洞尺寸的减小，临界屈服应力逐渐增大．当半径较大时，位错对称成核、迁移，空洞沿加载方向被拉长，演化过程相似;当半径较小时，位错不对称成核，空洞沿垂直方向被拉长．空洞生长分为弹性变形、独立长大、融合贯通和平稳生长四个阶段．独立生长阶段随尺寸的减小逐渐缩短甚至消失．关键词:分子动力学;位错;空洞贯通中图分类号:O313;O77+2文献标识码:A0引言层裂是一个涵盖不同空间尺度和时间尺度的损伤演化过程．冲击波通过材料时，两个边界处反射的稀疏波相遇形成拉伸区，当拉伸应力值超过某个临界值时，层裂现象便会出现．对延性金属材料，损伤演化过程可分为微空洞成核、长大与贯通［1］．微空洞在材料内部薄弱处(晶界、微晶粒、杂质等)成核，在拉伸应力作用下长大，当长大到一定程度后，空洞之间开始相互贯通形成更大的空洞，从而在材料内部形成宏观断裂．到目前为止，国内外许多学者已经在宏观和微观上对空洞长大、贯通过程进行了大量研究，1914年Hopkinson等人从实验上观察并研究了层裂现象［2］;1969年Rice等人通过考虑拉伸应力做功和空洞体积变化带来的表面能变化关系得到了空洞增长的控制方程［3］;1997年封加波等人利用统计理论推导出了延性材料中空洞增长的损伤度函数［4］;2004年Lubarda等人研究发现空洞通过发射棱柱型和剪切型位错贯通［5］;2005年Seppala等人研究发现空洞之间相距约一个空洞半径时，贯通过程开始出现［6］;2006年赵艳红等人研究发现在弱的负压下，空洞及材料弹性变形，超过一定阀值时塑性变形，极强下材料断裂［7］;2008年杨其利等人研究发现空洞的塌缩机制与空洞大小有关，但形成位错源的位置与空洞大小无关［8］;2009年邓小良等人研究发现空洞连线和加载方向成60°角的构型更容易贯通［9］．从研究结果来看，空洞生长与贯通过程非常复杂，至今没有完整的认识．其主要原因在于不同尺度的空洞生长与贯通过程有很大差别．比如亚毫米尺度的空洞的生长可以用连续介质力学描述，其弹塑性本构可以采用通常的应变积累性的本构描述;亚微米的空洞的生长一定程度上仍可以用连续介质力学描述，但其弹塑性本构必须考虑位错积累效应，一定程度上可以用应变梯度弹塑性本构描述;但是对于更小尺度的空洞的生长与贯通过程，主要取决于位错的分布特征，能否采用连续介质描述仍是有待研究的问题．因此有必要认识空洞尺寸对其贯通过程的影响．分子动力学从微观结构出发给出不同时刻材料内部原子的位置、受力、速度等信息，清晰观察到微观缺陷在压缩、拉伸过程中的动态演化，是研究材料塑性变形、断裂等性质的重要工具．本文采用分子动力学方法模拟了面心立方铜晶体中两个串行排布的空洞在单轴拉伸作用下的动力学行收稿日期:2010－07－02;修回日期:2010－09－17基金项目:国家自然科学基金10775018、中国工程物理研究院发展基金(2009A0102005，2009B0101012)和重点实验室基金资助项目作者简介:庞卫卫(1983－)，女，硕士生，主要从事凝聚光物理和材料微观模拟研究．E-mail:pangwei-wei@163．comE-mail:Zhang_Guangcai@iapcm．ac．cn*通讯作者第4期庞卫卫等:面心立方铜晶体中空洞生长与贯通的尺寸效应541为，着重研究了不同尺寸空洞对其贯通过程的影响．1模拟方法本文采用分子动力学方法，以典型的面心立方单晶铜为研究对象．原子间相互作用势函数采用能准确计算单晶铜的弹性性质、缺陷结合能等参数的嵌入原子势［10］．其表达式为12∑∑ijij∑iiU=(r)+F(ρ)，j，j≠iii12∑∑(r)是对势，F(ρ)是镶嵌能，ρ=∑∑∑ρ(r)为第i个原子处的电子密度．其中ijijiiijijj，j≠iij，j≠iii局部应力采用维里定理计算，对应上述嵌入原子势有(ri－ri)(rj－rj)1?2φ(|rl－rm|)|rl－rm|+FL(ρL)ρ(|rl－rm|)|rl－rm|?，lmlm1ΔV∑=σij|2|r－rl，mlm其中ΔV是计算区域的体积，ri和rj分别表示第l个原子的位移r