金属铜冲击熔化机制与动力学特性微观模拟研究

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1、万方数据分类号⋯⋯⋯⋯．UDC⋯⋯⋯⋯⋯密级⋯⋯⋯⋯。编号⋯⋯⋯⋯⋯中国工程物理研究院学位论文金属铜韭蠢熔化扭剑点动杰学持性微燃研究何安民指导老师姓名⋯⋯．嚣纛盍⋯．焦珏究员⋯⋯⋯⋯⋯⋯申请学位级别⋯⋯璃⋯．±⋯⋯专业名称．⋯理谂麴理⋯论文提交日期⋯⋯⋯⋯⋯。论文答辩日期⋯⋯⋯⋯⋯答辩委员会主席⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯年月万方数据Ph．D．DissertationMolecularDynamicsSimulationsontheMechanismsandDynamicPropertiesofMeltinginShockedCopperB

2、yHeAn．MinSupervisedbyProf．DuanSu—QingPrintedbyChinaAcademyofEngineeringPhysicsMay,2014万方数据独创性声明IIIIIIIIIIIIII!IllIIIIIIIIIIIlllIIY2907222本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者

3、签名：彻影签字日期：参节年妇扣日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构；同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。作者繇相老眇签字日期：矽／中年妇乡。日导师签名：签字日期：韦鹃去小订钞乏舷私圳万方数据摘要基于分子动力学方法，针对不同冲击条件下理想以及包含不同类型缺陷金属铜的固．液相变行为开展了一系列数值模拟研究，详细分析了金属冲击熔化

4、的热力学特征以及微观动力学过程；对金属表面沟槽微射流以及射流破碎过程进行了模拟分析。主要研究内容包括：(1)基于JASMIN框架研制了针对短程相互作用势模型的大规模并行分子动力学数值模拟程序平台MOASP。嵌入了多种类型材料的两体和多体作用势模型，实现了不同系综和边界条件控制方法，发展了多种微结构分析和宏观量统计分析方法。(2)研究了理想单晶铜冲击熔化的临界条件、动力学过程、宏观统计特征以及对冲击方向的依赖性。虽然沿不同冲击方向，达到热力学平衡的波后物质状态落在相同的冲击Hugoniot状态上，但材料由初始冲击压缩状态向热力学

5、平衡态的演化路径以及波后区域的微结构特征却具有明显差异。(3)研究了含纳米孔洞金属铜的固．液相变行为，采用吸收边界条件实现了波后区域物质的长时演化。分析结果表明，冲击作用下由于孔洞塌缩形成的热点效应以及塌缩区域更高的无序度造成该区域在匀质熔化成核机制被激发之前首先发生局部熔化，根据冲击强度的不同，局部熔化区域会再结晶或继续发展。(4)分别研究了包含不同类型扭转晶界双晶铜的冲击熔化行为，给出了晶界区域非均匀熔化成核与生长的临界条件与动力学过程，发现波后晶界区域的熔化行为与初始晶界能密切相关。对于高能扭转晶界，波后晶界区域在晶粒内

6、部匀质熔化成核之前首先发生局部熔化，随着冲击强度增加晶界区域发生整体的预熔化；而对于低能晶界，其熔化行为与理想单晶铜相似，波后晶界区域未呈现明显的熔化倾向性。(5)研究了纳米柱状多晶铜的冲击熔化行为，获得了与冲击方向无关的Hugoniot关系。详细分析了多晶样品从初始冲击压缩状态向热力学平衡态演化的动态过程、波后物质结构性质的变化特征以及对加载方向的依赖性。分析了多晶系统中冲击波波阵面结构变化导致局部热点的出现，进而诱发局部熔化与再结晶以及晶粒旋转造成的晶界部分湮灭等现象。I万方数据(6)分析了单晶铜从不同冲击状态下卸载时的固

7、．液相变行为，发现由于冲击加载过程中，波后物质微结构性质的差异导致卸载熔化同样呈现出明显的各向异性。结合微结构与宏观统计分析方法，给出了沿不同方向卸载时卸载熔化的的临界条件，微观动力学过程，对卸载波结构、卸载路径的影响特征以及向样品内部传播的速度。(7)研究了冲击作用下金属表面沟槽微射流与射流破碎行为，给出了喷射系数以及射流头部速度随冲击强度的变化规律；发展了团簇分析方法，统计分析了微射流破碎颗粒度分布特征，考察了冲击强度以及沟槽尺寸效应对破碎颗粒度分布的影响；对具有典型表面形貌样品的微射流形成与破碎行为进行了模拟分析。关键词

8、：分子动力学，冲击波，熔化，纳米多晶万方数据AbstractLarge-scalemoleculardynamicssimulationsareperformedtoexplorethesolid-liquidphasetransitionsinsinglecrystal，b