冲击载荷下单晶铁塑性变形与相变的分子动力学模拟

作     者：周孟谦 

作者单位：北京石油化工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：张伟;刘晓星

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：单晶铁 分子动力学 冲击波 塑性 相变 

摘      要：自铁的α(?)ε相变现象被发现以来,深入探究这一相变在冲击作用下的具体转变过程与机制便成为该领域的重点议题。现有的实验技术仍无法观测到BCC相转变为HCP相的细节,因此,结合模拟手段成为解释实验现象的重要手段。但是近年来的模拟研究也未能展现出相变与塑性的耦合机理。这些问题的存在提醒我们,未来研究需要进一步结合实验与理论方法,深入探讨相变机制,为解决实际应用中的问题提供更为可靠的理论支持。 本论文工作所有的数值模拟都是基于开源分子动力学软件LAMMPS,首先介绍了分子动力学基本原理、势函数的选取以及数据处理所用的软件和方法。 利用活塞冲击法,探讨了沿[110]晶向冲击作用下单晶铁的塑性与相变的耦合机理。通过对相分数,位错密度,径向分布函数等的量化分析,发现单晶铁在不同晶向冲击下会出现不同的塑性变形行为。单晶铁在[110]晶向的冲击下表现出了独特的弹塑性或相转变临界状态。位错的运动会阻碍相变过程,相变会使得应力减小,与位错产生密切相关的滑移系得以确定,它们分别是(11(?))[111]和(112)[11(?)]。这两个滑移系代表着位错在材料内部滑移的主要路径和方向。在[110]晶向冲击下,原子间的失配位错和位错融合是主要的塑性变形机制。 为探究铁的各向异性是如何影响冲击作用下塑性与相变的耦合,本论文研究了沿[100]、[111]晶向冲击作用下单晶铁试样的响应行为。模拟结果表明,在[100]晶向下的冲击过程中,也观察到塑性变形现象,滑移是主要的塑性变形机制且BCC相大部分转变为HCP相,沿[111]晶向冲击,原子间的堆垛错和面内原子的再分布是主要的塑性变形机制,BCC相大部分转变为FCC相。 最后本文总结了论文的主要结论和创新贡献,并提出了未来研究的前景。