Phys. Rev. B：应变速率对钽的斜坡波演化和强度的影响

【引言】

钽是原子序数高、熔点高、相图极其简单的耐火金属，并且它只有一种确定的固相为BCC晶体结构，因此钽往往被作为研究高压等极限环境的标准。然而，钽具有孪生和复杂的位错动力学性质，使动力荷载下钽材料强度的分析复杂化。最近的一些实验研究探索了钽在几百Gpa压强下的冲击和斜坡响应得到了令人困惑和相互矛盾的结果。这些实验显示钽的动态强度极大程度上受应变速率和材料微观结构的影响。因此，钽这个具有看似简单的单固相的金属，可能是在非常广泛的压强和应变速率范围内探索如BCC位错滑移动力学和孪生转变这类复杂的应变速率依赖性行为的一个很好的媒介。

高速率和高压强实验主要是在桑迪亚国家实验室和劳伦斯利福摩尔国家实验室进行的。尽管这两处的设备可以产生类似的钽的峰值压强，但这两处设备的加载配置文件和材料强度的推测方法都不同。另外，这两处的设备所产生的斜坡波的应变速率范围也不同，前者为105到107 1/s，后者为106到1010 1/s。因此很难分别考虑不同的应变速率，不同的材料微观结构和不同的强度分析技术对实验结果的影响。最近的钽晶粒结构的研究表明，典型的加工方法可以产生出形态（晶粒尺寸和晶粒织构）明显不同的晶粒，导致其机械性能也有所差异。此外，与实验方法只能间接推测材料强度所不同的是，分子动力学模拟方法能够输出完整的单原子应力张量数据，进而直接测量出材料各处的瞬时内部剪切应力，从而完整的测量材料的动态强度。

【成果简介】

美国桑迪亚国家实验室的J. Matthew D. Lane等人利用分子动力学模拟方法研究极高压强下应变速率范围为108到10111/s的准-等熵斜坡波压缩，来探讨应变速率和晶粒尺寸对于钽的斜坡压缩的影响。利用按比例缩放方法，把各种应变速率下的波形分布坍缩为主剖面曲线，当材料响应依赖于应变速率的时候这些曲线会出现偏差，从而，能够精确的显示应变速率依赖性是在何处并且是如何影响斜坡波的。作者发现应变在20%以下的时候，应变速率对于压力-应变材料响应的影响最显著，而当应变在30%以上的时候，材料响应则不再依赖于应变速率。当应变约为30%以内时，压力-应变曲线的模拟结果与实验结果符合良好，而当应变超出30%之后，模拟的响应有点太硬，作者推测这可能是由于模拟中所采用的原子间势或是由于模拟与实验中的晶粒结构和/或晶粒尺寸有差异所引起的。材料强度可以通过单原子应力张量直接测量，在应变速率最高的时候弹性响应显著增强，而在高压强和低应变速率下弹性响应的增强则不太明显。

【图文导读】

图1，多晶钽的周期性单元。

斜坡波压缩所用到的多晶钽的周期性单元。大小样本的截面尺寸分别是39.12 nm和19.73 nm。其中，小样本被广泛应用于模拟研究中。

图2，速度及位置与时间的函数关系。

图2 原始（黑色）以及按比例缩放后（红色）的速度和位置随时间的变化。上面为线性斜坡下的结果，下面为梯级斜坡下的结果。

图3，斜坡波作用下粒子速度分布。

图以三种应变速率施加非线性斜坡波后粒子速度的空间分布。斜坡波从左施加往右演化，以五分之一的斜坡持续时间为时间增量的五个瞬时结果均显示在图上。

图4，应力-应变曲线对比。

图4 不同应变速率下的压力-应变结果并于Davis等的实验测量值的统计分析结果相对比。实验结果的平均值显示为黑色，其不确定性范围用虚线标示。插图显示应变速率的趋势。

图5，压缩对晶粒的影响。

从左到右依次显示在应变速率为10⁹ 1/s下的斜坡压缩过程中，应变达到约0.0、0.1、0.2和0.35时晶粒的变化。连续晶粒显示为青色，晶粒边界显示为粉色。如图所示，晶粒的变形主要体现在弹性压缩和晶界滑移。

图6，应变速率和压强对钽的动态强度的影响。

在应变速率从10¹⁰ 降到10⁸ 1/s下分子动力学模拟中由应力张量计算得到的钽的动态强度变化，同时与两种连续 PTW 和 KP BCC模型所预测的钽的动态强度变化结果以及较低应变速率 ~10⁵ 1/s下的实验结果相对比。这里，钽的动态强度表示为Y = 2τ，τ为剪切应力。分子动力学模拟最显著的特点是弹性峰值出现在压强小于100 GPa，且峰强随应变速率的减小而变弱，当压强大于100 GPa时，强度响应趋势与PTW模型符合较好，尤其是在应变速率为10⁸ 1/s时。由于应变速率的差异，虽然不能直接与实验结果相比较，但是模拟结果中钽的动态强度随应变速率的减小而减弱的趋势显示其结果与实验结果是一致的。

图7，晶粒尺寸对钽的动态强度的影响。

分子动力学模拟测得的不同应变速率和压强下，晶粒尺寸的变化对钽的动态强度的影响。钽的动态强度表示为Y = 2τ，τ为剪切应力。这里考虑了 ~12 nm 和 ~6 nm的两种晶粒尺寸，以及大小为10⁹ 1/s 和10¹⁰ 1/s 的两种应变速率。结果显示大晶粒的强度更强。

文献链接：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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