冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

崔新林; 祝文军; 邓小良; 李英骏; 贺红亮

doi:10.7498/aps.55.5545

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摘要
利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构).

关键词:
相变 /

分子动力学 /

冲击波 /

纳米孔洞
Abstract
Shock-induced phase transformation (body-centered cubic α phase to hexagonal close-packed ε phase) in single crystal iron with a nano-void inclusion has been investigated by means of molecular dynamic (MD) simulation. The simulated sample is 17.2nm×17.2nm×17.2nm in size with 428341 atoms, and in the center of the sample settled a void of 1.12nm in diameter. The shock wave compression is generated by using a piston impact with the sample at velocities of 350m/s, 500m/s and 1087m/s, respectively. Shock wave propagates along the ［100］ direction in the sample. Results indicate that the existence of void is an important factor for inducing the phase transformation, which initially occurs around the void and mainly on the (011) and (011) planes, while with the increase of compression time it expands to the rest of the sample. By analyzing the moving history of atoms under shock wave compression, the phase transformation mechanism has been outlined. It is found that when the atoms at (011) planes slide to the void along ［011］ direction, they may have relatively different displacement, such that results in alternative positions compared to their initial location and yields the new structure (hcp).

Keywords:
phase transformation /

molecular dynamic simulation /

shock wave /

nano-void
作者及机构信息
崔新林⁴,

祝文军²,

邓小良²,

李英骏³,

贺红亮¹

(1)中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900; (2)中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900;四川大学物理科学与技术学院，成都 610064; (3)中国矿业大学(北京)，北京 100083; (4)中国矿业大学(北京)，北京 100083;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900

基金项目: 国家自然科学基金NSAF联合基金重点项目(批准号：10476027)资助和中国工程物理研究院科学技术基金(批准号：20050105)资助的课题.
Authors and contacts
Cui Xin-Lin⁴,

Zhu Wen-Jun²,

Deng Xiao-Liang²,

Li Ying-Jun³,

He Hong-Liang¹

(1)中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900; (2)中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900;四川大学物理科学与技术学院，成都 610064; (3)中国矿业大学(北京)，北京 100083; (4)中国矿业大学(北京)，北京 100083;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900
参考文献

施引文献

[1]	赵中华, 渠广昊, 姚佳池, 闵道敏, 翟鹏飞, 刘杰, 李盛涛. 热峰作用下单斜ZrO₂相变过程的分子动力学模拟. 物理学报, 2021, 70(13): 136101. doi: 10.7498/aps.70.20201861
[2]	王小峰, 陶钢, 徐宁, 王鹏, 李召, 闻鹏. 冲击波诱导水中纳米气泡塌陷的分子动力学分析. 物理学报, 2021, 70(13): 134702. doi: 10.7498/aps.70.20210058
[3]	马通, 谢红献. 单晶铁沿[101]晶向冲击过程中面心立方相的形成机制. 物理学报, 2020, 69(13): 130202. doi: 10.7498/aps.69.20191877
[4]	第伍旻杰, 胡晓棉. 单晶Ce冲击相变的分子动力学模拟. 物理学报, 2020, 69(11): 116202. doi: 10.7498/aps.69.20200323
[5]	林长鹏, 刘新健, 饶中浩. 铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟. 物理学报, 2015, 64(8): 083601. doi: 10.7498/aps.64.083601
[6]	第伍旻杰, 胡晓棉. 高应变率压缩下纳米孔洞对金属铝塑性变形的影响研究. 物理学报, 2015, 64(17): 170201. doi: 10.7498/aps.64.170201
[7]	马文, 陆彦文. 纳米多晶铜中冲击波阵面的分子动力学研究. 物理学报, 2013, 62(3): 036201. doi: 10.7498/aps.62.036201
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[9]	马文, 祝文军, 陈开果, 经福谦. 晶界对纳米多晶铝中冲击波阵面结构影响的分子动力学研究. 物理学报, 2011, 60(1): 016107. doi: 10.7498/aps.60.016107
[10]	汪志刚, 吴亮, 张杨, 文玉华. 面心立方铁纳米粒子的相变与并合行为的分子动力学研究. 物理学报, 2011, 60(9): 096105. doi: 10.7498/aps.60.096105
[11]	马文, 祝文军, 张亚林, 经福谦. 纳米多晶铁的冲击相变研究. 物理学报, 2011, 60(6): 066404. doi: 10.7498/aps.60.066404
[12]	陈开果, 祝文军, 马文, 邓小良, 贺红亮, 经福谦. 冲击波在纳米金属铜中传播的分子动力学模拟. 物理学报, 2010, 59(2): 1225-1232. doi: 10.7498/aps.59.1225
[13]	何安民, 邵建立, 秦承森, 王裴. 单晶Cu冲击加载及卸载下塑性行为的微观模拟. 物理学报, 2009, 58(8): 5667-5672. doi: 10.7498/aps.58.5667
[14]	邵建立, 秦承森, 王裴. 动态压缩下马氏体相变力学性质的微观研究. 物理学报, 2009, 58(3): 1936-1941. doi: 10.7498/aps.58.1936
[15]	王海燕, 祝文军, 邓小良, 宋振飞, 陈向荣. 冲击加载下铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征研究. 物理学报, 2009, 58(2): 1154-1160. doi: 10.7498/aps.58.1154
[16]	邓小良, 祝文军, 宋振飞, 贺红亮, 经福谦. 冲击加载下孔洞贯通的微观机理研究. 物理学报, 2009, 58(7): 4772-4778. doi: 10.7498/aps.58.4772
[17]	邵建立, 王裴, 秦承森, 周洪强. 冲击加载下孔洞诱导相变形核分析. 物理学报, 2008, 57(2): 1254-1258. doi: 10.7498/aps.57.1254
[18]	邵建立, 王裴, 秦承森, 周洪强. 铁冲击相变的分子动力学研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5389-5393. doi: 10.7498/aps.56.5389
[19]	邓小良, 祝文军, 贺红亮, 伍登学, 经福谦. 〈111〉晶向冲击加载下单晶铜中纳米孔洞增长的早期动力学行为. 物理学报, 2006, 55(9): 4767-4773. doi: 10.7498/aps.55.4767
[20]	陈军, 经福谦, 张景琳, 陈栋泉. 冲击作用下金属表面微喷射的分子动力学模拟. 物理学报, 2002, 51(10): 2386-2392. doi: 10.7498/aps.51.2386

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冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

1. (1)中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900; (2)中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900;四川大学物理科学与技术学院，成都 610064; (3)中国矿业大学(北京)，北京 100083; (4)中国矿业大学(北京)，北京 100083;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900

基金项目: 国家自然科学基金NSAF联合基金重点项目(批准号：10476027)资助和中国工程物理研究院科学技术基金(批准号：20050105)资助的课题.

收稿日期: 2006-01-24

修回日期: 2006-05-20

刊出日期: 2006-05-05

摘要: 利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构).

关键词:

Molecular dynamic simulation of shock-induced phase transformation in single crystal iron with nano-void inclusion

1.
(1)中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900; (2)中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900;四川大学物理科学与技术学院，成都 610064; (3)中国矿业大学(北京)，北京 100083; (4)中国矿业大学(北京)，北京 100083;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，绵阳 621900

Received Date: 24 January 2006

Accepted Date: 20 May 2006

Published Online: 05 May 2006

Abstract: Shock-induced phase transformation (body-centered cubic α phase to hexagonal close-packed ε phase) in single crystal iron with a nano-void inclusion has been investigated by means of molecular dynamic (MD) simulation. The simulated sample is 17.2nm×17.2nm×17.2nm in size with 428341 atoms, and in the center of the sample settled a void of 1.12nm in diameter. The shock wave compression is generated by using a piston impact with the sample at velocities of 350m/s, 500m/s and 1087m/s, respectively. Shock wave propagates along the ［100］ direction in the sample. Results indicate that the existence of void is an important factor for inducing the phase transformation, which initially occurs around the void and mainly on the (011) and (011) planes, while with the increase of compression time it expands to the rest of the sample. By analyzing the moving history of atoms under shock wave compression, the phase transformation mechanism has been outlined. It is found that when the atoms at (011) planes slide to the void along ［011］ direction, they may have relatively different displacement, such that results in alternative positions compared to their initial location and yields the new structure (hcp).

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