Page 31 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 杨 鑫，等： 单晶与纳米多晶锡层裂的分子动力学研究 第 2 期

boundaries (including the triple junctions of the grain boundaries) and grow along grain boundaries, resulting in intergranular
fractures; for the micro-spallation, voids nucleate at the grain boundary and inside the grain, resulting in intergranular fracture,
intragranular fracture, and transgranular fracture. The void volume fraction increases exponentially, and the variation law of
void volume fraction of SC and NC Sn is the same under the same impact velocity. The two turning points of the void volume
fraction curve in classical spallation represent the transition from nucleation to growth and the catastrophic transition from
damage to fracture.
Keywords: NEMD; single-crystal and nanocrystal tin; Stress wave evolution; fracture mode; void volume fraction

激光、爆轰或强冲击作用下延性金属材料的动态损伤断裂是武器科学和材料动力学的前沿科学问
题之一。层裂，作为延性金属动态断裂的一种重要方式，是由压缩应力波在材料自由面反射的稀疏波与
[1]
卸载稀疏波相互作用产生的一种典型拉伸破坏现象 。根据材料是否熔化，可将层裂分为经典层裂与微
层裂。若材料在层裂过程中始终保持为固态，则称为经典层裂；当材料在层裂过程中发生固液相变，则
称为微层裂。
经典层裂最初发现可追溯至 1914 年，Hopkinson 最先对金属材料的经典层裂进行了相关研究。在
[2]
此基础上，大量学者从实验 [3-8] 、理论 [9-13] 和数值模拟 [14-16] 等三方面开展了经典层裂的研究，并取得了重
要的进展 [17-18] 。例如，在破坏准则方面，Rinehart [19] 提出了与时间无关的最大拉应力瞬时断裂准则。Tuler
等 [20] 注意到断裂并非瞬时发生，而是时间累积效应，并提出了 Tuler-Butcher 累积损伤破坏准则。在层裂
微观机制方面，Curran 等 [21] 通过大量实验观察，认为材料断裂是微孔洞成核、生长与贯穿造成的，并提出
了孔洞成核与长大（nucleation and growth, NAG）模型，标志着动态断裂机制的研究正式进入了微观尺度。
为更好地观测到材料断裂过程内部微观损伤演化过程，研究人员发展了一系列测量和回收技术，如
高速摄影技术 [22] 、X 射线照相 [23-24] 、质子照相 [25] 、同步辐射三维成像和试样回收分析 [26] 等。尽管实验技
术已取得重大进步，但是实验设备仍难以捕捉整个微层裂过程的连续图像，并且所测物理量也相对较
少。此外，由于微层裂现象本身非常复杂，仅从测试分析的角度还无法全面揭示这一过程。
近年来，随着计算机水平快速发展，分子动力学方法逐渐成为实验研究的重要补充手段。分子动力
学模拟不仅克服了实验技术的缺陷，还可以从原子角度充分认识、理解微层裂现象，有助于研究微结构
动态演化 [27-29] 。Luo 等 [30] 通过非平衡态分子动力学（non-equilibrium molecular dynamics, NEMD）研究了冲
击波波形对单晶 Cu 的动态破碎过程，研究表明孔洞成核易发生在塑性和固态非晶区域，且相比方波，衰

减冲击波导致的层裂损伤范围更小。Shao 等 [31] 开展了单晶 Al 微层裂的分子动力学研究，发现孔洞成核
主要沿着晶体密排面{111}，且孔洞形貌随着冲击速度增加更趋近于球形。Hahn 等 [32-33] 采用非平衡态分
子动力学，研究了晶向对单晶和多晶 Ta 层裂行为的影响，认为含残余孪晶变形的晶向可以降低层裂强
度，并在多晶 Ta 中探讨了孔洞沿晶成核和长大行为。
相比中高熔点金属，低熔点金属（如 Pb、Sn 等）在冲击载荷下更容易发生微层裂现象，因此逐渐成为
微层裂研究的热点 [34-35] 。Xiang 等 [36-37] 利用分子动力学软件 LAMMPS 模拟了单晶和纳米多晶 Pb 的经典
层裂和微层裂，发现两者的微观机制一致，均为孔洞成核、长大与贯穿，主要不同在于孔洞成核位置的数
量与空间分布；同时，Xiang 等 [36-37] 认为晶界对经典层裂和微层裂具有重要影响，并探讨了熔化与孔洞成
核和增长的关系。接着，Xiang 等 [38] 讨论了斜波冲击过程中加载升时对单晶 Pb 层裂行为的影响，研究发
现长升时比短升时的孔洞分布范围更广，且层裂厚度随升时增加而增加，但层裂片中温度和密度则随升
时增加而下降。Liao 等 [39] 通过对比单晶 Sn 的经典层裂与微层裂现象，发现经典层裂与微层裂的微观机
制都为孔洞成核、增长和贯穿；微层裂的孔洞成核数量相对较多，且经典层裂中孔洞分布相对集中，而微
层裂的孔洞相对分散。该研究结果与 Xiang 等 [36] 的结果高度一致。Shao 等 [40] 通过分子动力学主要分析
了衰减冲击波作用下单晶 Pb 微层裂中波形演化和损伤发展等。Wang 等 [41] 也研究了衰减冲击加载过程
中单晶 Pb 的微层裂，分析了熔化程度对层裂强度的影响，探讨了部分熔化与完全熔化情况下孔洞体积
变化规律。Wang 等 [42] 利用非平衡态分子动力学方法研究了单晶 Sn 的层裂强度和微结构演化，认为层

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