Int. J. Plast：溫度和預先存在的位錯對銅晶體沖擊壓縮的作用

一、【導讀】

屈服強度是材料發生不可逆塑性變形的應力，中等應變率下屈服強度的定義非常明確，其可以直接使用拉伸試驗進行測量。在中等應變率下，大多數金屬的屈服強度隨著溫度的升高而降低。然而，隨著應變速率的增加，測量樣品變形變得更加困難。因此，通常使用間接方法來確定動態屈服強度。沖擊實驗表明，許多退火后的面心立方金屬在高應變率下表現出隨溫度異常增加的屈服強度，這種增加通常與聲子摩擦模式下位錯的倍增有關，其聲子摩擦模式隨溫度而減慢。然而，溫度對沖擊結構和金屬晶體（包括具有微觀結構的晶體）屈服強度的影響仍然難以捉摸。

二、【成果掠影】

近日，俄羅斯莫斯科國立大學I.A. Bryukhanov教授對0.45和0.80 μm的[110]和[111]銅晶體在溫度為100-1100K之間的沖擊波載荷進行了分子動力學模擬，以了解溫度和預先存在的位錯對Hugoniot彈性極限（HEL）的作用。結果表明，在理想的銅晶體中，彈性前驅體表現出一種平臺形式，HEL幾乎不隨沖擊傳播距離而變化。然而，在較高的沖擊下，觀察到彈性前驅體的擾動導致HEL值的波動，本文表明HEL的溫度依賴性是強各向異性的。對于[110]完美銅晶體，HEL值往往隨溫度升高而降低，對于[111]銅晶體，HEL值隨溫度升高而增加。這一令人驚訝的結果可以通過[110]晶體中塑性波中位錯子結構的存在來解釋，這降低了位錯的遷移率，并使位錯成核過程比[111]晶體更占主導地位。同時，銅晶體中預先存在的位錯使HEL的衰變速度比理想晶體快得多。與理想的[110]晶體相比，具有位錯的[110]晶體與[111]晶體一樣，HEL值隨溫度增加。此外，作者發現HEL依賴性可以用冪律很好地近似，但衰變功率隨著波的傳播而變化。[110]和[111]晶體的衰減功率值均在0.5~0.7之間，這與多晶退火銅的實驗結果一致，本文的發現也擴展了人們對高應變率和晶體塑性下材料溫度與機械性能關系的理解。

相關研究成果以“Role of temperature and preexisting dislocation network on the shock compression of copper crystals”為題發表在International Journal of Plasticity上。

三、【核心創新點】

1.在純銅晶體中發現了彈性前驅體平臺形狀的擾動，對于[110]純晶體，HEL趨于隨溫度降低，對于[111]純晶體，HEL趨于增加?

2.預先存在的位錯加速了彈性前驅體的衰變，通過計算證明了位錯晶體中的HEL衰變功率與多晶退火銅的實驗一致?

四、【數據概覽】

圖1 單晶銅沿[110]和[111]方向取向預先存在位錯網絡示意圖 ?2023 Elsevier

圖2 沖擊波傳播過程中縱向（藍色）和剪切（橙色）應力的演變 ?2023 Elsevier

圖3 [111]取向晶體中的原子速度和位錯演變 ?2023 Elsevier

圖4 在300 K條件下700m/s和1000m/s的沖擊下，[110]和[111]取向銅晶體的位錯子結構?2023 Elsevier

圖5 在1000m/s的900 K沖擊下縱向和剪應力演化 ?2023 Elsevier

圖6 在30ps和40ps的1000m/s的沖擊下，[111]取向晶體中的顆粒速度和位錯 ?2023 Elsevier

圖7 在900 K的1000m/s的沖擊下，[111]取向晶體中位錯密度、縱向和剪應力的演化 ?2023 Elsevier

圖8 在 100 K的500m/s的沖擊下，[111]取向晶體中位錯密度、縱向和剪應力的演化 ?2023 Elsevier

圖9 沖擊波通過400 nm時銅晶體的沖擊波結構 ?2023 Elsevier

圖10 彈性前驅體處的應力（GPa）與傳播距離的關系 ?2023 Elsevier

圖11 在100、300、700和1100 K的溫度下，[111]取向銅晶體中彈性前驅體的應力（GPa）與傳播距離（nm）的關系 ?2023 Elsevier

圖12 在1000和1200m/s的沖擊速度下，[111]取向銅晶體中彈性前驅體（GPa）處應力與溫度的關系?2023 Elsevier圖13 在沖擊速度為1000m/s和900m/s時應力HEL（GPa）?2023 Elsevier

圖14 在沖擊速度300、500、700和900m/s的[110]銅晶體中，彈性前驅體下的應力（GPa）與傳播距離（nm）的關系 ?2023 Elsevier

圖15 在300、500、700和900m/s的沖擊速度下，在已存在位錯的[111]銅晶體中，彈性前驅體（GPa）下與應力HEL的溫度相關性 ?2023 Elsevier

圖16 對于已存在位錯的[110]和[111]銅晶體，HEL在對數尺度上與傳播距離的關系 ?2023 Elsevier

圖17 [111]銅晶體在300和700 K下對位錯構型隨機性的敏感性 ?2023 Elsevier

圖18 預先存在位錯的[111]銅晶體的HEL應力冪律近似與300和1100 K下的實驗的對比?2023 Elsevier

五、【成果啟示】

綜上所述，本文通過分子動力學模擬揭示了銅晶體和在寬溫度范圍內預先存在位錯網絡的晶體的沖擊壓縮的幾個重要特征。1）在接近觀察到位錯成核的沖擊速度下，理想晶體中的沖擊波迅速獲得平臺形式，其中HEL值不會隨時間變化。然而，在較高的沖擊速度下，由于塑性波前附近的位錯成核，觀察到沖擊波結構的擾動，導致HEL值衰減然后增加；2）完美的銅晶體中的HEL值隨著沖擊速度的增加而增加。在[110]晶體中，HEL在速度高于700米/秒漸近地達到一個常量值；3）完美銅晶體中沖擊波背后的塑性變形具有很強的各向異性，因此溫度對HEL值的影響沿取向[110]和[111]具有不同的符號；3）在具有預先存在的位錯網絡的銅晶體中，HEL在整個沖擊波運動范圍內衰減；4）HEL衰變與冪函數非常近似。因此，本文所獲得的結果無疑擴展了人們對高應變率下金屬晶體中塑性變形如何演變的理解。這些模擬有助于識別晶體塑性模型，特別是位錯演化的方程。

文獻鏈接：

“Role of temperature and preexisting dislocation network on the ?shock compression of copper crystals”（International Journal of Plasticity，2023，10.1016/j.ijplas.2023.103599）

本文由材料人CYM編譯供稿。