Page 35 - 《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

测到波形分离。在已冲击区域，原子结构恢复到了面心立方（FCC）结构，这主要因为卸载波追赶上压缩
波的原因。

21 30

Atomic configure Dislocation
18 25
15 Atomic configure
20
p zz /GPa 12 9 Wave tail p zz /GPa 15

10 Wave tail
6
3 Wave front 5 Wave front

0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160
z/nm z/nm
(a) SC Sn (b) NC Sn
Atomic structure: Others FCC HCP BCC
Dislocation type: Others 1/2<110> (perfect) 1/6<112> (Shockley)
1/6<110> (stair-rod) 1/3<110> (Hirth)

图 4 应力波剖面与原子构型的关系
Fig. 4 The relation of stress wave profile and atomic structure

在图 4(b) 中，发现波阵面后少量的 BCC 和密排六方结构（HCP）原子，其中 HCP 和 BCC 是由堆错和
晶 格 变 形 引 起 的 。 位 错 主 要 以 Shockley 类 型 为 主 ， 伴 随 着 少 量 Stair-rod 类 型 位 错 和 其 他 位 错 。
Shockley 位错主要分布在波形尾巴对应的区域，且位错线相对较长，而应力波前沿和波形峰值附近位错
数量较少且较短。尽管原子结构出现了塑性变形，但是在波形上未发现明显的双波结构（弹性前驱波和
塑性波）。相比单晶 Sn 的波形，纳米多晶 Sn 的波形前沿（曲线红色部分）宽度较大，这可能是材料塑性
变形引起的。
在加载压缩阶段，材料首先发生弹性变形，形成比较窄的弹性前驱波；然后，随着加载压力增大，材
料发生塑性变形，主要体现在晶界滑移和位错发射的微观机制上 [54] 。在塑性变形过程中，压力促使晶界
滑移，产生一定的塑性区域，从而形成初始塑性波；当压力变大，晶界开始发射位错，并伴随着晶界变形，
进一步形成塑性应力波。如果冲击压力达到相变压力，材料发生相变，产生相变波。
图 4(b) 中，在波前沿对应的原子区域内（约为 z=120～140 nm），位错密度较低，表明：一是纳米多晶
Sn 的塑性变形主要以晶界滑移为主，二是晶界位错发射较少，没有进一步产生塑性应力波，因此在波形
上无法表现出明显的塑性波。当压力从峰值开始降低时，材料发生弹塑性卸载（波形曲线黑色部分），其
卸载过程的波形与加载端产生的稀疏波和压缩波相互作用有关。在纳米多晶 Sn 中，弹塑性卸载形成了
更多的位错，但不会立刻引起堆错消失，这可从原子模型的波后区域（即黑色与紫色虚线之间的区域）证实。
2.4 层裂过程
2.4.1 层裂初期过程
孔洞成核、长大和贯穿是层裂形成的主要机制。为进一步研究冲击速度和晶界对孔洞成核、长大
和贯穿的影响，本文对比了 u = 0.5 和 1.5 km/s 时单晶和纳米多晶 Sn 的孔洞行为，如图 5～图 12 所示，其
p
中原子采用势能（potential energy, PE）着色，孔洞采用橙色表示。为更好地观察层裂面内部孔洞的演化行
为，采用切片方法获得了原子切片图，如图 7、图 8 和图 11、图 12 所示。
当 u =0.5 km/s 时，对于单晶 Sn 而言，在 t = 46 ps 时，在层裂面上出现了孔洞，孔洞主要处于成核阶
p
段，特点是孔洞数量少，分布随机，个别孔洞已成形；t = 48 ps 时，在拉应力的作用下，层裂面上孔洞大量
增加，并出现明显的长大现象，但主要体现在各孔洞独自长大；t = 50 ps 时，层裂面附近的孔洞进一步长

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