Int. J. Plast：温度和预先存在的位错对铜晶体冲击压缩的作用

一、【导读】

屈服强度是材料发生不可逆塑性变形的应力，中等应变率下屈服强度的定义非常明确，其可以直接使用拉伸试验进行测量。在中等应变率下，大多数金属的屈服强度随着温度的升高而降低。然而，随着应变速率的增加，测量样品变形变得更加困难。因此，通常使用间接方法来确定动态屈服强度。冲击实验表明，许多退火后的面心立方金属在高应变率下表现出随温度异常增加的屈服强度，这种增加通常与声子摩擦模式下位错的倍增有关，其声子摩擦模式随温度而减慢。然而，温度对冲击结构和金属晶体（包括具有微观结构的晶体）屈服强度的影响仍然难以捉摸。

二、【成果掠影】

近日，俄罗斯莫斯科国立大学I.A. Bryukhanov教授对0.45和0.80 μm的[110]和[111]铜晶体在温度为100-1100K之间的冲击波载荷进行了分子动力学模拟，以了解温度和预先存在的位错对Hugoniot弹性极限（HEL）的作用。结果表明，在理想的铜晶体中，弹性前驱体表现出一种平台形式，HEL几乎不随冲击传播距离而变化。然而，在较高的冲击下，观察到弹性前驱体的扰动导致HEL值的波动，本文表明HEL的温度依赖性是强各向异性的。对于[110]完美铜晶体，HEL值往往随温度升高而降低，对于[111]铜晶体，HEL值随温度升高而增加。这一令人惊讶的结果可以通过[110]晶体中塑性波中位错子结构的存在来解释，这降低了位错的迁移率，并使位错成核过程比[111]晶体更占主导地位。同时，铜晶体中预先存在的位错使HEL的衰变速度比理想晶体快得多。与理想的[110]晶体相比，具有位错的[110]晶体与[111]晶体一样，HEL值随温度增加。此外，作者发现HEL依赖性可以用幂律很好地近似，但衰变功率随着波的传播而变化。[110]和[111]晶体的衰减功率值均在0.5~0.7之间，这与多晶退火铜的实验结果一致，本文的发现也扩展了人们对高应变率和晶体塑性下材料温度与机械性能关系的理解。

相关研究成果以“Role of temperature and preexisting dislocation network on the shock compression of copper crystals”为题发表在International Journal of Plasticity上。

三、【核心创新点】

1.在纯铜晶体中发现了弹性前驱体平台形状的扰动，对于[110]纯晶体，HEL趋于随温度降低，对于[111]纯晶体，HEL趋于增加 

2.预先存在的位错加速了弹性前驱体的衰变，通过计算证明了位错晶体中的HEL衰变功率与多晶退火铜的实验一致 

四、【数据概览】

图1 单晶铜沿[110]和[111]方向取向预先存在位错网络示意图 ©2023 Elsevier

图2 冲击波传播过程中纵向（蓝色）和剪切（橙色）应力的演变 ©2023 Elsevier

图3 [111]取向晶体中的原子速度和位错演变 ©2023 Elsevier

图4 在300 K条件下700m/s和1000m/s的冲击下，[110]和[111]取向铜晶体的位错子结构©2023 Elsevier

图5 在1000m/s的900 K冲击下纵向和剪应力演化 ©2023 Elsevier

图6 在30ps和40ps的1000m/s的冲击下，[111]取向晶体中的颗粒速度和位错 ©2023 Elsevier

图7 在900 K的1000m/s的冲击下，[111]取向晶体中位错密度、纵向和剪应力的演化 ©2023 Elsevier

图8 在 100 K的500m/s的冲击下，[111]取向晶体中位错密度、纵向和剪应力的演化 ©2023 Elsevier

图9 冲击波通过400 nm时铜晶体的冲击波结构 ©2023 Elsevier

图10 弹性前驱体处的应力（GPa）与传播距离的关系 ©2023 Elsevier

图11 在100、300、700和1100 K的温度下，[111]取向铜晶体中弹性前驱体的应力（GPa）与传播距离（nm）的关系 ©2023 Elsevier

图12 在1000和1200m/s的冲击速度下，[111]取向铜晶体中弹性前驱体（GPa）处应力与温度的关系©2023 Elsevier图13 在冲击速度为1000m/s和900m/s时应力HEL（GPa）©2023 Elsevier

图14 在冲击速度300、500、700和900m/s的[110]铜晶体中，弹性前驱体下的应力（GPa）与传播距离（nm）的关系 ©2023 Elsevier

图15 在300、500、700和900m/s的冲击速度下，在已存在位错的[111]铜晶体中，弹性前驱体（GPa）下与应力HEL的温度相关性 ©2023 Elsevier

图16 对于已存在位错的[110]和[111]铜晶体，HEL在对数尺度上与传播距离的关系 ©2023 Elsevier

图17 [111]铜晶体在300和700 K下对位错构型随机性的敏感性 ©2023 Elsevier

图18 预先存在位错的[111]铜晶体的HEL应力幂律近似与300和1100 K下的实验的对比©2023 Elsevier

五、【成果启示】

综上所述，本文通过分子动力学模拟揭示了铜晶体和在宽温度范围内预先存在位错网络的晶体的冲击压缩的几个重要特征。1）在接近观察到位错成核的冲击速度下，理想晶体中的冲击波迅速获得平台形式，其中HEL值不会随时间变化。然而，在较高的冲击速度下，由于塑性波前附近的位错成核，观察到冲击波结构的扰动，导致HEL值衰减然后增加；2）完美的铜晶体中的HEL值随着冲击速度的增加而增加。在[110]晶体中，HEL在速度高于700米/秒渐近地达到一个常量值；3）完美铜晶体中冲击波背后的塑性变形具有很强的各向异性，因此温度对HEL值的影响沿取向[110]和[111]具有不同的符号；3）在具有预先存在的位错网络的铜晶体中，HEL在整个冲击波运动范围内衰减；4）HEL衰变与幂函数非常近似。因此，本文所获得的结果无疑扩展了人们对高应变率下金属晶体中塑性变形如何演变的理解。这些模拟有助于识别晶体塑性模型，特别是位错演化的方程。

文献链接：

“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编译供稿。