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艾因斯新蟲 (小有名氣)
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鉭單晶動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)中的各向異性與應(yīng)變定位
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介紹 bcc 金屬中的變形機(jī)制，特別是在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，表現(xiàn)出異常的復(fù)雜性，這使得它們?cè)诟呖煽啃詰?yīng)用中的使用變得復(fù)雜。我們采用新穎的高速圓柱體沖擊實(shí)驗(yàn)來(lái)探索高速加載下單晶樣品的塑性各向異性。與多晶樣品相比，bcc 鉭單晶表現(xiàn)出異常高的變形局部化和強(qiáng)的塑性各向異性。在一定的沖擊速度范圍內(nèi)，對(duì)幾個(gè)沖擊方向 [[100]，[110]，[111] 和 [149]] 進(jìn)行了表征，以檢驗(yàn)與方向相關(guān)的機(jī)械行為與應(yīng)變率的關(guān)系。此外，在恢復(fù)的圓柱體中看到的各向異性和局部塑性應(yīng)變表現(xiàn)出強(qiáng)烈的軸向?qū)ΨQ性，這種對(duì)稱性根據(jù)晶格取向而不同，觀察到二、三、四重對(duì)稱。我們提出一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體學(xué)論點(diǎn)，基于施密德定律，來(lái)理解觀察到的對(duì)稱性。這些試驗(yàn)首次探索了單晶取向在泰勒沖擊試驗(yàn)中的作用，它們清楚地證明了結(jié)晶學(xué)在高應(yīng)變率和溫度變形區(qū)的重要性。 大多數(shù)金屬在技術(shù)相關(guān)應(yīng)用中使用時(shí)，是微觀尺度上包含許多不同結(jié)晶取向區(qū)域的多晶聚集體。這些晶粒中的每一個(gè)都由單一的結(jié)晶特征組成，在變形過(guò)程中，類似于受到周圍晶粒施加的復(fù)雜約束和邊界條件的材料單晶。因此，準(zhǔn)確理解單晶行為對(duì)于預(yù)測(cè)多晶的整體性質(zhì)至關(guān)重要，多晶的整體性質(zhì)由單個(gè)晶粒的集體行為產(chǎn)生。各種長(zhǎng)度尺度的最新高保真計(jì)算方法（即分子動(dòng)力學(xué) (MD) 和晶體塑性 - 有限元 (CP-FE) 模型）明確解析單個(gè)晶粒，并使用晶粒尺度的材料屬性來(lái)參數(shù)化和 / 或驗(yàn)證連續(xù)體尺度的模型。雖然鉭單晶的力學(xué)行為和塑性各向異性在準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)域中得到了很好的表征，但它們?cè)谳^高應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)行為卻不太為人所知。 在本報(bào)告中，我們表明高速率單晶響應(yīng)實(shí)質(zhì)上更加各向異性，取決于晶體取向，比單晶上的準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)或多晶上的高速率實(shí)驗(yàn)所建議的要高。這些信息不僅對(duì)于建立一個(gè)基于物理的微觀結(jié)構(gòu)感知模型至關(guān)重要（該模型不需要對(duì)每個(gè)多晶微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)擬合），而且對(duì)于驗(yàn)證微觀結(jié)構(gòu)尺度的高速率行為的預(yù)測(cè)也是至關(guān)重要的。 泰勒?qǐng)A柱形沖擊試驗(yàn)提供了一種簡(jiǎn)單而穩(wěn)健的方法，使單個(gè)試樣在其整個(gè)長(zhǎng)度上承受大范圍的應(yīng)變率。在這些眾所周知的測(cè)試中，圓柱形射彈以 100 至 200 米 / 秒的速度射入剛性砧座。直徑為 6.35 毫米、長(zhǎng)度為 38.1 毫米的單晶鉭射彈以各種速度射向剛性表面，實(shí)驗(yàn)采用洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立的氣槍實(shí)驗(yàn)裝置，以 146.1 米 / 秒的速度撞擊的變形多晶鉭彈呈現(xiàn)出特定的側(cè)面和底部輪廓。 結(jié)果 鉭是一種難熔的體心立方 (bcc) 金屬，常用于核和彈道應(yīng)用等極端環(huán)境。在這項(xiàng)工作中，對(duì)取向?yàn)?[100]、[110]、[111] 和 [149] 沖擊方向的鉭單晶進(jìn)行了泰勒沖擊實(shí)驗(yàn)。 不同沖擊速度下的變形單晶樣品呈現(xiàn)出獨(dú)特特征，紅色虛線（原文標(biāo)識(shí)）表示撞擊前樣品的初始尺寸，變形射彈的側(cè)面輪廓明顯不同于多晶射彈的側(cè)面輪廓。與表現(xiàn)出平滑和連續(xù)變形的多晶射彈相反，單晶表現(xiàn)出更多的局部變形，尤其是在較高的速度下。 不同沖擊速度下，四個(gè)取向單晶射彈的變形足形存在顯著差異：[100]、[110] 和 [111] 單晶在它們的碰撞表面分別表現(xiàn)出四、二和三重對(duì)稱性（原文以白色虛線標(biāo)識(shí)）。[100] 單晶的橫截面顯示了八個(gè)角，類似于八邊形，且在圓柱體的底部上方形成了四個(gè)脊；[110] 單晶中，射彈底部主要沿一個(gè)方向 (長(zhǎng)軸) 變形，而沿短軸變形很少；[111] 單晶顯示明顯的三重對(duì)稱性和沿徑向相對(duì)較大的變形，在 137.5 米 / 秒的速度下，底面開(kāi)裂并向三個(gè)方向裂開(kāi)。[100]、[110] 和 [111] 單晶中的足形對(duì)稱性在較高的撞擊速度下更為明顯。在沖擊面附近的變形單晶射彈中，[100]（150.6 米 / 秒）、[110]（137.5 米 / 秒）、[111]（137.5 米 / 秒）和 [149]（137.2 米 / 秒）單晶的射彈底部附近均觀察到剪切帶（原文以紅色虛線標(biāo)識(shí)）。 與 [110] 和 [149] 樣品相比，[100] 和 [111] 單晶中呈現(xiàn)出清晰的徑向條紋。為了理解變形單晶的足形對(duì)稱性，計(jì)算了晶體滑移系及其施密德因子。施密德定律利用滑移方向和滑移面法向描述了施加應(yīng)力 (σ) 和分解剪應(yīng)力 (τ) 之間的關(guān)系，如下所示： τ = Mσ 其中 M 為 Schmid 因子，φ 為滑移方向與加載軸之間的夾角，χ 為滑移面法線與加載軸之間的夾角。對(duì)于每組滑動(dòng)面和滑動(dòng)方向，可得到對(duì)應(yīng)的 M 值，單軸載荷下，M 值最大的滑移系統(tǒng)最受青睞。 以三種沖擊速度沖擊后，四個(gè)單晶取向的十二個(gè)變形足形顯示出明確的對(duì)稱性規(guī)律（原文白色虛線標(biāo)識(shí)撞擊后 [100]、[110] 和 [111] 單晶中腳輪廓的四、二和三重對(duì)稱，紅色虛線標(biāo)識(shí)撞擊前樣品的初始尺寸）。 全局框架中的 [100]、[110] 和 [111] 單晶，以及在垂直于加載軸的平面 (底平面) 上投影的活動(dòng)滑移面和滑移方向分析表明：[100] 單晶具有四個(gè)活性滑移面和滑移方向，[110] 單晶具有四個(gè)活性滑移面和兩個(gè)滑移方向，[111] 單晶具有三個(gè)活性滑移面和滑移方向（黑色箭頭表示具有最大施密德因子的滑動(dòng)方向，每個(gè)滑動(dòng)方向與兩個(gè)滑動(dòng)平面相關(guān)聯(lián)），三者分別具有四個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)投影滑移方向，其最大 M 值與射彈的腳對(duì)稱一致。 結(jié)論 這項(xiàng)工作顯示了鉭單晶動(dòng)態(tài)響應(yīng)中的強(qiáng)應(yīng)變局部化和塑性各向異性。與多晶鉭相比，單晶中的這些不均勻塑性變形要明顯得多。在變形的足剖面中觀察到的對(duì)稱性與晶體學(xué)分析非常一致，晶體學(xué)分析表明鉭單晶在高應(yīng)變率和溫度狀態(tài)下的塑性變形由沿密集〈111〉方向的位錯(cuò)滑移所控制。對(duì)單晶動(dòng)態(tài)變形行為（包括塑性局部化和各向異性）的更全面理解和預(yù)測(cè)能力，將需要具有精確的溫度和應(yīng)變率相關(guān)強(qiáng)度模型的晶體級(jí)模擬。 |
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