強(qiáng)沖擊下金屬材料動(dòng)態(tài)損傷與破壞的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究進(jìn)展

王嘉楠，伍 鮑，何安民，吳鳳超，王 裴，吳恒安

（1. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230027；2. 北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所，北京 100094；3. 中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)論是在基礎(chǔ)工程還是國(guó)防應(yīng)用中，材料的服役環(huán)境都變得更加復(fù)雜，如高溫高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、化學(xué)環(huán)境等[1]，因而材料在這些極端環(huán)境中的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)響應(yīng)也受到了很多的關(guān)注。強(qiáng)沖擊作為前沿科學(xué)與國(guó)防工程中常見(jiàn)的材料服役環(huán)境，廣泛存在于慣性約束聚變、沖擊波物理以及超高速碰撞等問(wèn)題研究中[2]，因此研究強(qiáng)沖擊加載下金屬材料的動(dòng)態(tài)損傷與破壞行為及機(jī)理具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。

強(qiáng)沖擊加載環(huán)境往往伴隨著高溫、高壓、高應(yīng)變率，金屬材料在這樣的環(huán)境下的破壞方式很大程度上依賴于材料內(nèi)部和表界面處的微結(jié)構(gòu)，如晶界、孔洞、雜質(zhì)、表面缺陷等[3]。同時(shí)，材料的破壞過(guò)程往往伴隨著相變、層裂、復(fù)雜破碎、破碎物質(zhì)輸運(yùn)及混合等重要科學(xué)問(wèn)題[4]，因此強(qiáng)沖擊作用下的金屬材料動(dòng)態(tài)損傷破壞行為也成為沖擊物理領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。金屬材料在強(qiáng)沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程具有歷時(shí)短、速度高等特點(diǎn)，尤其對(duì)于材料內(nèi)部及表界面微結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，其空間和時(shí)間尺度都很小，為精細(xì)測(cè)量帶來(lái)極大的困難。為此，研究人員發(fā)展了一系列測(cè)量技術(shù)。對(duì)于材料內(nèi)部損傷破壞過(guò)程，可以采用X 射線照相[5–7]、質(zhì)子照相[8]、同步輻射三維成像[6]、回收樣品的金相分析[9]等直接測(cè)量手段，也可以通過(guò)測(cè)量樣品自由面速度-時(shí)間歷程間接獲得材料破壞過(guò)程信息[9–11]。而對(duì)于表界面處的復(fù)雜破碎以及后續(xù)的破碎物質(zhì)輸運(yùn)及混合過(guò)程，可以采用Asay 膜技術(shù)[12–14]、壓電探針[15–16]、X 射線照相[17]、多普勒測(cè)速[18–19]、高速攝影[20–21]、全息成像[22]等多種測(cè)試技術(shù)聯(lián)合觀測(cè)。豐富的測(cè)量手段有助于人們深入認(rèn)識(shí)金屬材料在強(qiáng)沖擊作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為，如金屬近自由面的復(fù)雜破碎過(guò)程[23]、微層裂[24–25]、微噴射[26]、破碎顆粒輸運(yùn)及混合[27]等。

盡管實(shí)驗(yàn)手段取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，然而仍然有很多無(wú)法觀測(cè)的現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)難以解決的物理機(jī)制問(wèn)題。分子動(dòng)力學(xué)模擬作為一種隨計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的強(qiáng)力的模擬工具，以其在微觀模擬方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于物理機(jī)理分析中。在金屬材料的沖擊塑性、沖擊相變、動(dòng)態(tài)破碎等過(guò)程[23,25, 27]的研究中，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以解讀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，剖析相應(yīng)的物理機(jī)制，并可針對(duì)單一因素對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響進(jìn)行分析，為理論建模提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文結(jié)合課題組的相關(guān)工作，詳細(xì)介紹金屬材料在強(qiáng)沖擊作用下的動(dòng)態(tài)損傷與破壞的分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)展，主要分為以下3個(gè)方面：（1）沖擊加載下金屬材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)演化，以及材料初始內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)該過(guò)程的影響，如晶界、初始孔洞、氦泡等；（2）金屬表界面處的缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊響應(yīng)過(guò)程的影響以及相應(yīng)的演化規(guī)律；（3）復(fù)雜加載條件下金屬材料的響應(yīng)和破壞過(guò)程。

1 沖擊加載下金屬材料內(nèi)部動(dòng)態(tài)損傷與破壞

強(qiáng)沖擊作用下金屬材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的演化決定了材料的宏觀力學(xué)行為，包括彈塑性轉(zhuǎn)變、熔化和空穴形成等，材料內(nèi)部的固有缺陷，如晶界、孔洞、雜質(zhì)等也同樣影響著材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，本節(jié)將從材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹具有不同初始結(jié)構(gòu)的金屬材料在強(qiáng)沖擊作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及微結(jié)構(gòu)演化特點(diǎn)。

1.1 強(qiáng)沖擊加載下單晶材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及微結(jié)構(gòu)演化

完美的單晶金屬材料在體相內(nèi)不存在初始微缺陷，當(dāng)沖擊載荷大于其彈性極限時(shí)，波后晶格的完整性遭到破壞，產(chǎn)生初始微缺陷。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，可以很好地探索單晶金屬材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分析內(nèi)部微結(jié)構(gòu)生成與演化。大量的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究表明，沖擊波加載下金屬的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為沖擊塑性[28–29]、沖擊相變[30]等，進(jìn)而影響材料性質(zhì)。這些模擬結(jié)果同樣也展示了分子動(dòng)力學(xué)模擬在研究強(qiáng)沖擊下材料性質(zhì)方面的重要性。

在沖擊加載下，沖擊波在金屬材料內(nèi)部傳播，到達(dá)自由面后發(fā)生反射，反射的稀疏波與加載波相互作用，產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)，金屬在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂破碎，也就是層裂現(xiàn)象。Soulard[31]基于分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)衰減沖擊波加載下金屬銅的響應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是處于沖擊熔化還是卸載熔化的加載狀態(tài)，樣品都會(huì)發(fā)生層裂，且熔化速度足夠慢時(shí)，可以得到固態(tài)的層裂片。Luo等[32]以單晶銅為研究對(duì)象，分析了沖擊波形對(duì)其動(dòng)態(tài)破碎過(guò)程的影響，模擬中采用飛片加載方式，通過(guò)控制樣品與飛片的厚度比來(lái)控制加載波形，研究表明：在相同的加載速度下，厚度比越高，波形越接近衰減沖擊波，材料的層裂強(qiáng)度越高，損傷破碎區(qū)域越小。Xiang等[33]研究了波形對(duì)層裂過(guò)程的影響，采用斜波加載方式進(jìn)行模擬，分析了加載波的上升時(shí)間對(duì)層裂片狀態(tài)的影響，結(jié)果表明，更短的上升時(shí)間會(huì)使層裂片處于液體狀態(tài)，而更長(zhǎng)的上升時(shí)間則會(huì)使層裂片處于固體狀態(tài)?？锥闯珊诉^(guò)程同樣會(huì)受到加載波上升時(shí)間的影響，上升時(shí)間越短，孔洞分布范圍越大。

圖1 傳統(tǒng)層裂和微層裂破碎過(guò)程[34]Fig. 1 Damage processes of classical spallation and micro-spallation[34]

當(dāng)沖擊波速度較低時(shí)，金屬材料在沖擊加載下仍然保持著固體狀態(tài)，其損傷行為與傳統(tǒng)層裂過(guò)程一致；當(dāng)沖擊速度不斷升高時(shí)，金屬材料會(huì)發(fā)生卸載熔化甚至沖擊熔化，此時(shí)材料的損傷破碎行為與傳統(tǒng)層裂過(guò)程存在差異，該破碎過(guò)程被稱為微層裂。Xiang等[34]針對(duì)不同沖擊速度下單晶鉛的層裂行為，比較了微層裂過(guò)程與傳統(tǒng)層裂過(guò)程的異同。模擬中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是傳統(tǒng)層裂還是微層裂，金屬材料的破碎都會(huì)經(jīng)歷孔洞成核、生長(zhǎng)以及孔洞合并過(guò)程。不同的是，對(duì)于傳統(tǒng)層裂而言，孔洞的成核位點(diǎn)較少，而微層裂過(guò)程中孔洞成核位點(diǎn)較多且較分散，小孔洞的合并貫通使樣品發(fā)生破碎。同時(shí)，當(dāng)材料內(nèi)部孔洞數(shù)量達(dá)到最大值時(shí)，微層裂過(guò)程的孔洞數(shù)量隨空間的分布更接近冪率分布。圖1展示了微層裂和傳統(tǒng)層裂破碎過(guò)程的區(qū)別。通過(guò)對(duì)比分析表面和層裂內(nèi)部區(qū)域的熱力學(xué)演化路徑，可以解釋二者存在差異的原因。對(duì)于強(qiáng)度更低的金屬錫，Liao 等[35]對(duì)其層裂和微層裂過(guò)程進(jìn)行了分析探討，發(fā)現(xiàn)微層裂過(guò)程中孔洞成核數(shù)目相比于傳統(tǒng)層裂更多，分布也更集中，體積分布也符合冪率分布。以上關(guān)于微層裂的研究中，金屬樣品大多處于卸載熔化狀態(tài)，當(dāng)沖擊速度繼續(xù)增加時(shí)，樣品會(huì)發(fā)生沖擊熔化現(xiàn)象。Shao 等[36–38]以單晶鋁為例，探究其在不同沖擊速度加載下的損傷模式，加載的沖擊波為衰減沖擊波。對(duì)于沖擊未熔化的樣品，在拉伸波的作用下，經(jīng)歷了孔洞成核—生長(zhǎng)—合并過(guò)程，進(jìn)而發(fā)生破壞并形成層裂片，從自由面速度曲線上可以觀測(cè)到清晰的層裂信號(hào)。對(duì)于沖擊熔化樣品，首先觀測(cè)到從自由面噴射出的原子及其團(tuán)簇，隨后孔洞在近自由面附近成核生長(zhǎng)，最終形成大面積的破碎區(qū)域，從自由面速度曲線上只能觀測(cè)自由面速度峰值的衰減過(guò)程，未見(jiàn)典型層裂信號(hào)。圖2 顯示了沖擊熔化時(shí)樣品的破碎過(guò)程（其中U為勢(shì)能）。后續(xù)他們繼續(xù)探究了不同損傷破碎模式下層裂強(qiáng)度的變化規(guī)律，通過(guò)建模分析，研究了層裂片厚度、損傷深度以及孔洞尺寸等特征。

圖2 沖擊熔化時(shí)樣品的破碎過(guò)程[36]Fig. 2 Damage process of sample under shock melting[36]

1.2 強(qiáng)沖擊加載下多晶材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及微結(jié)構(gòu)演化

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)金屬材料以多晶的形式存在，多種類(lèi)型的晶界同時(shí)存在于材料中會(huì)影響其沖擊響應(yīng)特性，因此研究多晶材料的沖擊行為和機(jī)理具有重要意義。Bringae 等[39]研究了納米多晶銅在強(qiáng)沖擊作用下的力學(xué)行為及其微觀機(jī)理，發(fā)現(xiàn)金屬多晶銅在強(qiáng)沖擊作用下具有豐富的力學(xué)行為，如位錯(cuò)、孿晶等，并且具有沖擊硬化特性。影響材料性質(zhì)的主要微力學(xué)機(jī)理是位錯(cuò)塑性和晶界滑移，通過(guò)分析晶界處的位錯(cuò)行為，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化效應(yīng)也符合材料晶粒細(xì)化強(qiáng)化的特點(diǎn)。Luo 等[40]對(duì)不同加載方向下理想六方柱狀納米多晶銅的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了細(xì)致的分析，模擬結(jié)果表明：樣品的沖擊響應(yīng)表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性，垂直晶界方向加載時(shí)，應(yīng)力梯度會(huì)導(dǎo)致晶界滑移，沿著晶界方向加載時(shí)，晶界滑移程度變得最低而層裂強(qiáng)度變得最高。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)，垂直晶界方向加載時(shí)，材料的破壞完全存在于晶粒之間，而沿著晶界方向加載時(shí)，晶粒內(nèi)部也會(huì)發(fā)生破壞現(xiàn)象。對(duì)于更一般的情況，晶粒隨機(jī)分布的納米多晶銅，Dongare 等[41]基于分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)其延性斷裂過(guò)程的微力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)比不同沖擊速度下多晶銅的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)孔洞會(huì)沿著晶界萌生，并且通過(guò)剪切無(wú)序的原子進(jìn)一步生長(zhǎng)。對(duì)于孔洞形成的兩個(gè)過(guò)程，即孔洞成核和孔洞生長(zhǎng)合并，對(duì)比單晶銅的孔洞形成過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，孔洞成核對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)和沖擊壓力具有很強(qiáng)的依賴性，而孔洞生長(zhǎng)則不受這些因素的影響。圖3 顯示了多晶銅內(nèi)孔洞的成核以及后續(xù)長(zhǎng)大合并過(guò)程。Mackenchery 等[42]對(duì)不同晶粒尺寸的多晶銅內(nèi)部缺陷的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程及相應(yīng)的層裂強(qiáng)度進(jìn)行了討論，描述了缺陷的演化過(guò)程，分析了不同晶粒尺寸對(duì)多晶銅層裂強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：孿晶的密度影響其層裂強(qiáng)度，晶粒尺寸為6 和16 nm 的多晶銅在沖擊過(guò)程中的孿晶密度更高，相應(yīng)的層裂強(qiáng)度更高，更接近單晶銅的層裂強(qiáng)度。

圖3 多晶銅內(nèi)孔洞的成核以及后續(xù)長(zhǎng)大合并過(guò)程[41]Fig. 3 Processes of void nucleation, growth and coalescence in polycrystalline copper[41]

除了傳統(tǒng)的損傷破碎，當(dāng)沖擊強(qiáng)度繼續(xù)升高時(shí)，多晶材料會(huì)發(fā)生卸載熔化甚至沖擊熔化，此時(shí)多晶材料的破碎過(guò)程同樣值得關(guān)注。Xiang 等[43]研究了納米多晶鉛在不同沖擊強(qiáng)度下的層裂現(xiàn)象。對(duì)于傳統(tǒng)的層裂過(guò)程，如前所述，孔洞成核發(fā)生在晶界處；而對(duì)于卸載熔化樣品，熔化和成核過(guò)程都發(fā)生在晶界處；對(duì)于沖擊熔化樣品，孔洞成核則均勻地發(fā)生在拉伸區(qū)，同時(shí)自由面附近有液態(tài)顆粒噴出。圖4 給出了不同沖擊強(qiáng)度下樣品的加載和卸載路徑。模擬中還發(fā)現(xiàn)，在相同的沖擊強(qiáng)度下多晶鉛的峰值層裂

圖4 不同沖擊強(qiáng)度下樣品的加載和卸載路徑[43]Fig. 4 Loading and unloading paths of samples under different shockstrengths[43]

強(qiáng)度低于單晶鉛，而這種差異隨著沖擊強(qiáng)度的增加逐漸減小。Liao 等[44]基于納米多晶鋁的加載模型繼續(xù)探討了微結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)層裂現(xiàn)象的影響，結(jié)果表明熱力學(xué)的耗散促進(jìn)了孔洞成核，降低了層裂強(qiáng)度。

1.3 內(nèi)部初始缺陷對(duì)沖擊加載下金屬材料動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的影響

在國(guó)防工業(yè)中，特別是核武器領(lǐng)域，材料長(zhǎng)期存放時(shí)，其內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生孔洞、氣泡等缺陷結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將對(duì)材料性能產(chǎn)生不確定性影響，弄清這些缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)材料的影響至關(guān)重要。為此，初始含孔洞、氣泡等結(jié)構(gòu)的金屬在強(qiáng)沖擊作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程得到了廣泛關(guān)注。

針對(duì)孔洞對(duì)材料性質(zhì)的影響，Dávila 等[45]在初始模型中預(yù)設(shè)了單個(gè)孔洞，探究其在沖擊加載過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，激波誘導(dǎo)下的孔洞塌縮過(guò)程伴隨著位錯(cuò)發(fā)射現(xiàn)象，形成的位錯(cuò)環(huán)包裹著孔洞，并使其周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。Zhu 等[46]發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊波沿著不同晶向加載時(shí)，位錯(cuò)的發(fā)射會(huì)產(chǎn)生差異，表現(xiàn)為孔洞周?chē)苄宰冃蔚母飨虍愋?。圖5 展示了不同沖擊加載方向和強(qiáng)度下位錯(cuò)形成的位置差異。Cui 等[47]在研究含孔洞金屬鐵在沖擊加載下的響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，孔洞會(huì)對(duì)相變過(guò)程產(chǎn)生影響，降低相轉(zhuǎn)換的壓力閾值，并加速成核速度，致使新的相態(tài)更容易產(chǎn)生。Deng 等[48]在初始樣品中預(yù)置了兩個(gè)孔洞，探究了兩者在沖擊作用下復(fù)雜的演化過(guò)程，分析了孔洞塌縮過(guò)程中位錯(cuò)的演化進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)在沖擊加載強(qiáng)度相同的情況下，兩個(gè)孔洞中心的連線與沖擊加載方向成60°時(shí)，孔洞之間更容易發(fā)生貫通現(xiàn)象。

圖5 不同沖擊加載方向和強(qiáng)度下位錯(cuò)形成的位置差異[46]Fig. 5 Differences in the position of dislocations under different shock loading directions and strengths[46]

當(dāng)金屬材料內(nèi)部缺陷分布呈現(xiàn)一定規(guī)律時(shí)，其沖擊響應(yīng)規(guī)律對(duì)于材料的應(yīng)用也具有重要的指導(dǎo)作用。Zhao 等[49–50]細(xì)致地研究了具有不同初始孔洞結(jié)構(gòu)的金屬銅在強(qiáng)沖擊下的響應(yīng)規(guī)律。材料的微觀結(jié)構(gòu)影響著材料的彈塑性轉(zhuǎn)換、孔洞塌縮以及局部微噴射流過(guò)程，其中孔洞的分布和長(zhǎng)寬比起到主要作用，孔洞邊界和尺寸的影響則相對(duì)較小。而高壓雨貢紐曲線受孔洞等微觀結(jié)構(gòu)的影響較小。圖6 顯示了不同初始結(jié)構(gòu)在沖擊加載下內(nèi)部射流的形態(tài)。局部射流的產(chǎn)生是由速度梯度、局部孔洞的匯聚作用等共同導(dǎo)致的，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)，其微力學(xué)機(jī)理是一致的。

除了孔洞，氣泡也是金屬材料中常見(jiàn)的初始缺陷，在核反應(yīng)堆材料、輻照損傷的探索中占據(jù)重要的地位。Wang 等[51]在金屬鋁樣品中預(yù)置了氦泡和孔洞兩種初始缺陷，通過(guò)模擬樣品在沖擊加載下的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是氦泡還是孔洞，其引發(fā)材料的破壞機(jī)制是一致的，都是由剪切位錯(cuò)環(huán)發(fā)射引起的，且位錯(cuò)成核位置基本一致，只是氦泡內(nèi)壓會(huì)促進(jìn)剪切位錯(cuò)環(huán)的發(fā)射過(guò)程。Shao 等[52]將氦泡和孔洞預(yù)置在層裂面附近，探究其對(duì)層裂過(guò)程和層裂強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)層裂面附近的氦泡或孔洞對(duì)層裂過(guò)程影響的差異較小，當(dāng)沖擊速度較小時(shí)，兩者都會(huì)影響孔洞成核過(guò)程并降低層裂強(qiáng)度?；谝陨系臄?shù)值模擬結(jié)果，Li 等[53]進(jìn)一步詳細(xì)地探究了初始內(nèi)部含氦泡的金屬銅的沖擊響應(yīng)過(guò)程。對(duì)于具有足夠大尺寸和初始?jí)毫Φ暮づ荩渲車(chē)谖唇?jīng)沖擊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生棱柱形位錯(cuò)環(huán)，雖然氦泡的初始?jí)毫?huì)阻礙其周?chē)乃苄孕巫儯庵挝诲e(cuò)環(huán)會(huì)部分釋放，并產(chǎn)生新的剪切位錯(cuò)環(huán)和棱柱位錯(cuò)環(huán)。而在強(qiáng)沖擊作用下，氦泡的初始?jí)毫﹄m然也會(huì)一定程度上阻礙射流產(chǎn)生，但是由于氣泡的存在會(huì)誘導(dǎo)局部熔化，氣泡內(nèi)部最終會(huì)形成射流并擊破氦泡使其分散到銅內(nèi)部。圖7 顯示了不同初始內(nèi)部結(jié)構(gòu)的樣品的響應(yīng)過(guò)程。近自由面附近的氦泡在沖擊加載下破碎，并在表面形成銅氦噴射物，相應(yīng)的性質(zhì)也與氦泡的尺寸有關(guān)。

圖6 不同初始結(jié)構(gòu)在沖擊加載下形成的內(nèi)部射流形態(tài)[50]Fig. 6 Shape of the internal jet under shock loading with different initial structures[50]

圖7 初始加載速度為3 km/s 時(shí)不同初始內(nèi)部結(jié)構(gòu)的樣品沿沖擊方向的速度分布：(a)～(d)所對(duì)應(yīng)的樣品內(nèi)部含半徑r 為3 nm 的氦泡，(e)～(g)所對(duì)應(yīng)的樣品內(nèi)部含半徑r 為3 nm 的孔洞，(h)對(duì)應(yīng)的樣品內(nèi)部含半徑r 為1.5 nm 的氦泡[53]Fig. 7 Snapshots of velocity maps along the shock direction under the loading condition of 3 km/s: (a)–(d), (e)–(g), and (h) represent the He bubble with r = 3.0 nm, the void with r = 3.0 nm, and the He bubble with r = 1.5 nm in the initial samples, respectively[53]

他們還將初始含氦泡情況與初始含孔洞情況進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)氦泡會(huì)降低噴射物形成的臨界壓力，增加噴射物的速度和質(zhì)量。

近期，Zhou 等[54]探究了含隨機(jī)氦泡的單晶鋁的層裂過(guò)程及其微力學(xué)機(jī)理，分析了其層裂過(guò)程與純單晶鋁的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)氦泡能明顯降低固態(tài)鋁的層裂強(qiáng)度，當(dāng)鋁熔化時(shí)該影響不明顯。Flanagan 等[55]通過(guò)在金屬銅近自由面附近放置不同形式的氦，探究了氦的濃度和形貌對(duì)強(qiáng)沖擊加載下樣品表面噴射物的影響，結(jié)果表明：相比于純銅，氦的存在增加了噴射物的質(zhì)量；以氦泡形式放置在自由面下方時(shí)，會(huì)導(dǎo)致激波與其相互作用并改變激波前沿形狀，比以氦原子形式放置時(shí)產(chǎn)生更多的噴射物，噴射質(zhì)量更高。

分子動(dòng)力學(xué)模擬方法的快速發(fā)展使得大量關(guān)于沖擊加載下金屬材料內(nèi)部動(dòng)態(tài)損傷與破壞的工作得以開(kāi)展，為弄清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、解釋相關(guān)機(jī)理提供了重要的支撐和指導(dǎo)，取得了很多重要突破。然而，在實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中樣品結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境更加復(fù)雜，是一個(gè)多物理尺度問(wèn)題，現(xiàn)階段分子動(dòng)力學(xué)模擬仍面臨著巨大挑戰(zhàn)，需要對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行持續(xù)深入研究。

2 金屬材料界面處的動(dòng)力學(xué)破碎現(xiàn)象及其演化規(guī)律

除了金屬材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、缺陷會(huì)使樣品在沖擊加載時(shí)經(jīng)歷復(fù)雜的動(dòng)態(tài)破碎過(guò)程外，當(dāng)沖擊波到達(dá)金屬材料界面時(shí)，如果界面附近存在表面缺陷等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，沖擊波也會(huì)與其相互作用，導(dǎo)致缺陷結(jié)構(gòu)塌縮破碎、高速粒子飛出等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程，同時(shí)伴隨微層裂、微噴射等破碎現(xiàn)象。由于局部產(chǎn)生高速、不確定狀態(tài)的物質(zhì)碎片，給實(shí)驗(yàn)測(cè)量、實(shí)際應(yīng)用等造成極大的困難，因此需要對(duì)其動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物理機(jī)制開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

金屬材料表面缺陷在與沖擊波相互作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致界面處發(fā)生復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)破碎過(guò)程。Wang 等[56]詳細(xì)地研究了三角波加載下含缺陷金屬鉛的近自由面動(dòng)力學(xué)破碎現(xiàn)象。當(dāng)三角波到達(dá)表面缺陷底部（正弦溝槽）時(shí)，一系列稀疏波會(huì)從表面發(fā)生反射，表面附近的粒子獲得很高的速度，因溝槽具有對(duì)稱性，粒子垂直方向的速度是對(duì)稱的，而粒子水平方向的速度沿著沖擊方向，使得粒子從金屬樣品表面以較高速度噴出，這也是典型的微噴射現(xiàn)象。然而，由于三角波存在衰減特性，當(dāng)反射稀疏波與三角波相互作用時(shí)，在自由面下產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致自由面下的層裂現(xiàn)象發(fā)生，后續(xù)在稀疏波和三角波的不斷作用下，樣品近自由面附近發(fā)生逐級(jí)破碎，最終使樣品基體完全破碎。圖8 顯示了樣品的動(dòng)力學(xué)破碎過(guò)程（vx和vz分別為x和z方向的粒子速度），很好地解釋了實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的近自由面破碎現(xiàn)象[57]，為其提供了重要的機(jī)理分析和模擬證明。

對(duì)于高速度、高壓力加載下的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，沖擊條件一直是重要的影響因素。Shao 等[58]模擬分析了表面含溝槽的金屬鋁在不同沖擊壓力下表界面處的塌縮破壞現(xiàn)象及其對(duì)后續(xù)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響，介紹了不同沖擊壓力導(dǎo)致的溝槽附近的部分熔化、卸載熔化以及沖擊熔化等物理過(guò)程，解釋了熔化導(dǎo)致的微噴質(zhì)量增加（圖9 顯示了典型的卸載熔化時(shí)微射流的形成過(guò)程，圖中用中心對(duì)稱參數(shù)表征粒子所處的晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)，大于32（紅色）表示粒子處于無(wú)定形狀態(tài)，小于4（藍(lán)色）表示粒子處于fcc 晶體結(jié)構(gòu)，其余表示粒子處于塑性變形狀態(tài)），發(fā)現(xiàn)表面溝槽與不同強(qiáng)度沖擊波的相互作用導(dǎo)致的局部物質(zhì)狀態(tài)并不會(huì)影響噴射物的最大速度，而不同的熔化狀態(tài)只會(huì)影響射流尾部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Wu 等[59]在上述工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步論述了加載波形對(duì)微噴射動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響，并選擇熔點(diǎn)較低的金屬錫，通過(guò)對(duì)比三角波和方波兩種不同的加載條件，分析了表面含溝槽的金屬錫的卸載熔化過(guò)程對(duì)微噴物質(zhì)質(zhì)量的影響，結(jié)果表明波形對(duì)微噴射流過(guò)程有著重要的影響。

除了沖擊加載條件，材料表面形貌也是影響其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的重要因素。Li 等[60]通過(guò)建立不同樣貌的初始缺陷結(jié)構(gòu)，研究了溝槽角度和初始形狀對(duì)射流產(chǎn)生及射流性質(zhì)的影響。分析表明，對(duì)于三角形溝槽，射流的最大噴射速度與自由面速度之比隨著溝槽角度的增加而減小，而噴射系數(shù)則在中間某個(gè)角度達(dá)到最大值。圖10 顯示了不同溝槽角度下微噴射流的物質(zhì)來(lái)源[60]。圓柱形溝槽和矩形溝槽都可以看作一系列三角形溝槽的組合，產(chǎn)生的射流也可以看作三角形溝槽產(chǎn)生射流的疊加。此外，晶體結(jié)構(gòu)以及缺陷形狀的不確定性都可能導(dǎo)致射流偏轉(zhuǎn)。

圖8 三角波加載下含溝槽金屬表面動(dòng)力學(xué)破碎過(guò)程[56]Fig. 8 Dynamic fracture process of grooved metal surface under unsupported wave loading[56]

圖9 卸載熔化時(shí)表面微射流產(chǎn)生[58]Fig. 9 Micro-jet formation with release melting[58]

圖10 不同溝槽角度下微噴射流的物質(zhì)來(lái)源[60]Fig. 10 Micro-jets and their sources of different half angles[60]

如果溝槽表面在沖擊過(guò)程中發(fā)生復(fù)雜的相變過(guò)程，則會(huì)進(jìn)一步影響射流的產(chǎn)生。Durand 等[61]探究了相變過(guò)程在其中產(chǎn)生的作用，分析了正弦形和三角形兩種表面溝槽對(duì)微噴射產(chǎn)生過(guò)程的影響，結(jié)果表明：正弦形溝槽表面由于固-固相變的存在延緩了射流的進(jìn)一步發(fā)展，而三角形溝槽由于波與斜面的相互作用使得局部具有較高溫度從而使金屬熔化并產(chǎn)生液態(tài)射流，該過(guò)程也會(huì)影響后續(xù)射流的破碎過(guò)程。

對(duì)于表面含缺陷的金屬在沖擊加載下的性質(zhì)研究，除了上述所探討的沖擊波與缺陷相互作用導(dǎo)致的基體破碎、微噴射流等現(xiàn)象，很多模擬工作還關(guān)注了后續(xù)射流的破碎、輸運(yùn)以及混合等問(wèn)題。Durand 等[62–64]研究了微噴射流破碎的不同階段及其特征，分析了破碎后團(tuán)簇的空間分布規(guī)律。He等[65–67]分析了沖擊強(qiáng)度和溝槽尺寸等因素的影響，詳細(xì)地展示了不同尺寸的噴射顆粒的分布形式差異。關(guān)于微噴射流破碎現(xiàn)象的研究可以參考王裴等[27]的綜述。對(duì)于破碎顆粒的輸運(yùn)和混合現(xiàn)象，Wu 等[68]針對(duì)惰性氣體下微噴射流的破碎混合等問(wèn)題，探討了不同密度的惰性氣體對(duì)射流破碎以及破碎后粒子輸運(yùn)過(guò)程的影響。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，在氣動(dòng)阻力的作用下，微射流出現(xiàn)顯著的減速，射流前端的顆粒流也受到抑制。反過(guò)來(lái)，氣體受微噴物質(zhì)壓縮，內(nèi)部產(chǎn)生透射激波。與此同時(shí)，微射流在內(nèi)部速度梯度的作用下逐步破碎，并與氣體發(fā)生混合。通過(guò)對(duì)比不同環(huán)境氣體中的物質(zhì)空間密度分布，得到了氣?；旌蠈雍穸群兔芏入S氣體密度的變化規(guī)律。Wu 等[69]則進(jìn)一步關(guān)注了金屬材料在可反應(yīng)氣體中的動(dòng)力學(xué)破碎和輸運(yùn)過(guò)程及性質(zhì)。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，金屬射流和環(huán)境氧的快速反應(yīng)導(dǎo)致射流-氣體混合區(qū)溫度迅速上升，產(chǎn)生更強(qiáng)的氣體激波，隨后射流在高溫高壓氣體環(huán)境中被減速。當(dāng)噴射顆粒在可反應(yīng)氣體中輸運(yùn)時(shí)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫環(huán)境導(dǎo)致更多原子從顆粒表面蒸發(fā)，形成更小的碎片和更多的原子級(jí)粒子。該模擬工作也為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提供了全新的視角[70–71]。對(duì)于表面含缺陷的樣品在強(qiáng)沖擊載荷作用下的基體破碎、微噴射流的產(chǎn)生以及真空環(huán)境下的破碎過(guò)程，相關(guān)的分子動(dòng)力學(xué)模擬工作已經(jīng)取得了重要的突破，很好地解釋了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的現(xiàn)象，然而對(duì)于含氣環(huán)境下的輸運(yùn)和混合問(wèn)題，包含顆粒的氣動(dòng)破碎、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程，仍然具有極大的挑戰(zhàn)性，需要開(kāi)展后續(xù)相關(guān)工作。

3 復(fù)雜加載條件對(duì)金屬材料動(dòng)力學(xué)破碎的影響

隨著實(shí)驗(yàn)探測(cè)手段的高速發(fā)展，以及對(duì)金屬材料動(dòng)力學(xué)破碎過(guò)程認(rèn)識(shí)的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)測(cè)量，還是工程應(yīng)用，都存在著復(fù)雜的加載過(guò)程，這種復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在多次沖擊波的存在，還體現(xiàn)在沖擊—卸載—再?zèng)_擊的復(fù)雜加載過(guò)程。最新的實(shí)驗(yàn)表明，多次加載過(guò)程會(huì)對(duì)材料的性質(zhì)產(chǎn)生新的影響[9–11,72–73]，不僅影響材料的動(dòng)態(tài)破碎過(guò)程，也改變材料的微觀結(jié)構(gòu)演化。因此，解決復(fù)雜加載過(guò)程對(duì)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用的影響成為重要的科學(xué)問(wèn)題。

Wang 等[74]探究了金屬銅在二次沖擊加載下的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程，建立了二次沖擊加載下層裂損傷及再壓縮模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其宏觀性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)；他們基于自由面速度曲線、波系分布、動(dòng)態(tài)演化物理圖像的分析，給出了動(dòng)力學(xué)演化機(jī)制；同時(shí)，通過(guò)分析層裂區(qū)的溫度和壓力，首次得到了二次沖擊加載時(shí)局部熱力學(xué)的演化路徑；基于微結(jié)構(gòu)演化分析，還發(fā)現(xiàn)了熔化區(qū)域再結(jié)晶現(xiàn)象，并且最終在層裂損傷區(qū)發(fā)現(xiàn)了高密度位錯(cuò)殘留（如圖11 所示），為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的現(xiàn)象提供了有力的證明[9,72–73]。Wang 等[75]研究了金屬銅位錯(cuò)誘導(dǎo)預(yù)熔化后的二次屈服現(xiàn)象，分析認(rèn)為：首次屈服現(xiàn)象是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的，而二次屈服是由位錯(cuò)誘導(dǎo)的預(yù)熔化導(dǎo)致的；預(yù)熔化現(xiàn)象是由位錯(cuò)間相互作用引起的狀態(tài)混亂而不是熱點(diǎn)引起的，并且伴隨著再結(jié)晶過(guò)程消失；預(yù)熔化有助于沿著滑移面滑動(dòng)，與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一起促進(jìn)塑性流動(dòng)。目前，對(duì)于復(fù)雜加載條件下金屬材料動(dòng)力學(xué)行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究仍相對(duì)較少，有待開(kāi)展進(jìn)一步的探索。

圖11 層裂損傷區(qū)的微結(jié)構(gòu)演化Fig. 11 Microstructure evolution of spall damaged region

4 總結(jié)與展望

隨著計(jì)算能力的高速發(fā)展，金屬材料在強(qiáng)沖擊作用下的動(dòng)態(tài)損傷破壞行為及其機(jī)理探究取得了一系列重要成果，無(wú)論是金屬內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，還是表界面處動(dòng)力學(xué)破碎演化規(guī)律，都為實(shí)驗(yàn)探索和工業(yè)應(yīng)用提供了重要的指導(dǎo)，也越來(lái)越受到人們的重視。針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，分子動(dòng)力學(xué)模擬分析依然存在以下難點(diǎn)。

（1）金屬材料動(dòng)力學(xué)破碎現(xiàn)象的多尺度模擬。在實(shí)際應(yīng)用中，材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題是一個(gè)跨尺度多物理的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，現(xiàn)有的分子動(dòng)力學(xué)模擬的時(shí)空尺度與實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用都存在很大的差別，如何降低分子動(dòng)力學(xué)模擬中時(shí)空尺度的限制，有效地結(jié)合介觀、宏觀數(shù)值模擬方法，為基礎(chǔ)物理模型建立提供幫助，仍然是關(guān)注的重點(diǎn)。

（2）氣體環(huán)境下金屬材料的響應(yīng)、破碎和輸運(yùn)過(guò)程。具有復(fù)雜界面的金屬材料在強(qiáng)沖擊下的動(dòng)力學(xué)破碎過(guò)程一直是核物理領(lǐng)域的重要問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，材料所處環(huán)境大多為氣體環(huán)境，而大多數(shù)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果仍停留在樣品與真空環(huán)境的相互作用，因此探究金屬材料在惰性氣體、可反應(yīng)氣體中的響應(yīng)、破碎以及輸運(yùn)等過(guò)程，對(duì)于理解前沿實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用等具有重要意義。

（3）復(fù)雜加載下金屬材料的動(dòng)力學(xué)破碎現(xiàn)象。飛速發(fā)展的先進(jìn)診斷技術(shù)為探索材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的新現(xiàn)象提供了有利的工具，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的復(fù)雜加載條件也由此被發(fā)現(xiàn)，加載—卸載—再加載等復(fù)雜加載路徑會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生不同的響應(yīng)，需要針對(duì)這些新現(xiàn)象和新問(wèn)題開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)模擬，從而獲得機(jī)理性理解和認(rèn)識(shí)。

希望本文能為后續(xù)強(qiáng)沖擊下金屬材料的動(dòng)力學(xué)破碎過(guò)程的相關(guān)數(shù)值模擬研究提供有益的參考。