Phys. Rev. B：應變速率對鉭的斜坡波演化和強度的影響

【引言】

鉭是原子序數高、熔點高、相圖極其簡單的耐火金屬，并且它只有一種確定的固相為BCC晶體結構，因此鉭往往被作為研究高壓等極限環境的標準。然而，鉭具有孿生和復雜的位錯動力學性質，使動力荷載下鉭材料強度的分析復雜化。最近的一些實驗研究探索了鉭在幾百Gpa壓強下的沖擊和斜坡響應得到了令人困惑和相互矛盾的結果。這些實驗顯示鉭的動態強度極大程度上受應變速率和材料微觀結構的影響。因此，鉭這個具有看似簡單的單固相的金屬，可能是在非常廣泛的壓強和應變速率范圍內探索如BCC位錯滑移動力學和孿生轉變這類復雜的應變速率依賴性行為的一個很好的媒介。

高速率和高壓強實驗主要是在桑迪亞國家實驗室和勞倫斯利福摩爾國家實驗室進行的。盡管這兩處的設備可以產生類似的鉭的峰值壓強，但這兩處設備的加載配置文件和材料強度的推測方法都不同。另外，這兩處的設備所產生的斜坡波的應變速率范圍也不同，前者為105到107 1/s，后者為106到1010 1/s。因此很難分別考慮不同的應變速率，不同的材料微觀結構和不同的強度分析技術對實驗結果的影響。最近的鉭晶粒結構的研究表明，典型的加工方法可以產生出形態（晶粒尺寸和晶粒織構）明顯不同的晶粒，導致其機械性能也有所差異。此外，與實驗方法只能間接推測材料強度所不同的是，分子動力學模擬方法能夠輸出完整的單原子應力張量數據，進而直接測量出材料各處的瞬時內部剪切應力，從而完整的測量材料的動態強度。

【成果簡介】

美國桑迪亞國家實驗室的J. Matthew D. Lane等人利用分子動力學模擬方法研究極高壓強下應變速率范圍為108到10111/s的準-等熵斜坡波壓縮，來探討應變速率和晶粒尺寸對于鉭的斜坡壓縮的影響。利用按比例縮放方法，把各種應變速率下的波形分布坍縮為主剖面曲線，當材料響應依賴于應變速率的時候這些曲線會出現偏差，從而，能夠精確的顯示應變速率依賴性是在何處并且是如何影響斜坡波的。作者發現應變在20%以下的時候，應變速率對于壓力-應變材料響應的影響最顯著，而當應變在30%以上的時候，材料響應則不再依賴于應變速率。當應變約為30%以內時，壓力-應變曲線的模擬結果與實驗結果符合良好，而當應變超出30%之后，模擬的響應有點太硬，作者推測這可能是由于模擬中所采用的原子間勢或是由于模擬與實驗中的晶粒結構和/或晶粒尺寸有差異所引起的。材料強度可以通過單原子應力張量直接測量，在應變速率最高的時候彈性響應顯著增強，而在高壓強和低應變速率下彈性響應的增強則不太明顯。

【圖文導讀】

圖1，多晶鉭的周期性單元。

斜坡波壓縮所用到的多晶鉭的周期性單元。大小樣本的截面尺寸分別是39.12 nm和19.73 nm。其中，小樣本被廣泛應用于模擬研究中。

圖2，速度及位置與時間的函數關系。

圖2 原始（黑色）以及按比例縮放后（紅色）的速度和位置隨時間的變化。上面為線性斜坡下的結果，下面為梯級斜坡下的結果。

圖3，斜坡波作用下粒子速度分布。

圖以三種應變速率施加非線性斜坡波后粒子速度的空間分布。斜坡波從左施加往右演化，以五分之一的斜坡持續時間為時間增量的五個瞬時結果均顯示在圖上。

圖4，應力-應變曲線對比。

圖4 不同應變速率下的壓力-應變結果并于Davis等的實驗測量值的統計分析結果相對比。實驗結果的平均值顯示為黑色，其不確定性范圍用虛線標示。插圖顯示應變速率的趨勢。

圖5，壓縮對晶粒的影響。

從左到右依次顯示在應變速率為10⁹ 1/s下的斜坡壓縮過程中，應變達到約0.0、0.1、0.2和0.35時晶粒的變化。連續晶粒顯示為青色，晶粒邊界顯示為粉色。如圖所示，晶粒的變形主要體現在彈性壓縮和晶界滑移。

圖6，應變速率和壓強對鉭的動態強度的影響。

在應變速率從10¹⁰ 降到10⁸ 1/s下分子動力學模擬中由應力張量計算得到的鉭的動態強度變化，同時與兩種連續 PTW 和 KP BCC模型所預測的鉭的動態強度變化結果以及較低應變速率 ~10⁵ 1/s下的實驗結果相對比。這里，鉭的動態強度表示為Y = 2τ，τ為剪切應力。分子動力學模擬最顯著的特點是彈性峰值出現在壓強小于100 GPa，且峰強隨應變速率的減小而變弱，當壓強大于100 GPa時，強度響應趨勢與PTW模型符合較好，尤其是在應變速率為10⁸ 1/s時。由于應變速率的差異，雖然不能直接與實驗結果相比較，但是模擬結果中鉭的動態強度隨應變速率的減小而減弱的趨勢顯示其結果與實驗結果是一致的。

圖7，晶粒尺寸對鉭的動態強度的影響。

分子動力學模擬測得的不同應變速率和壓強下，晶粒尺寸的變化對鉭的動態強度的影響。鉭的動態強度表示為Y = 2τ，τ為剪切應力。這里考慮了 ~12 nm 和 ~6 nm的兩種晶粒尺寸，以及大小為10⁹ 1/s 和10¹⁰ 1/s 的兩種應變速率。結果顯示大晶粒的強度更強。

文獻鏈接：Strain-rate dependence of ramp-wave evolution and strength in tantalum?（Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.064301）

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