Page 39 - 《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

在图 9 中，t = 33 ps 时孔洞已经开始成核；t = 37 ps 时，已有孔洞开始长大，同时新生孔洞沿加载端方
向进一步成核并长大；t = 40 ps 时，靠近自由面侧的孔洞已经开始贯穿，沿加载端一侧仍有孔洞成核，孔
洞区域不断向加载端一侧发展；t = 46 ps 时，靠近加载端一侧的孔洞仍有新生孔洞成核，孔洞中间区域的
孔洞开始贯穿；t = 52 ps 时，孔洞基本上停止成核，孔洞贯穿现象更加明显。在纳米多晶 Sn 模型中，孔洞
的演化行为基本上与单晶 Sn 一致。
对比图 7 和图 11，发现不同冲击速度下单晶 Sn 孔洞演化行为基本一致，即与加载速度无关。但是
在图 12 的纳米多晶 Sn 模型中，t = 37 ps 时，孔洞在晶界上和晶粒内部都存在成核和长大行为，分别以紫
色圈和蓝色圈表示。t = 40 ps 时，在截面图左上角黄色晶粒内，两个较大的孔洞已经贯穿，见黑色多边形
包围的区域；而浅蓝色多边形包围的区域表示晶界上孔洞贯穿瞬间。t = 46 ps 时，黄色晶粒内由于孔洞
贯穿，贯穿的孔洞延伸至晶界处，并与晶界处孔洞再次贯穿，如黑色多边形包围的区域所示，这一过程展
示了晶内断裂和穿晶断裂行为；浅蓝色多边形包围的区域内孔洞沿着晶界贯穿，实现了沿晶断裂。此
外，t = 52 ps 时的截面图进一步展示了孔洞贯穿的情况。
通过单晶和纳米多晶 Sn 在不同冲击速度下孔洞演化行为的分析，发现：第一，随着冲击速度增加，
单晶和纳米多晶 Sn 模型中孔洞的发展不止局限于层裂附近，其发展方向是从层裂面逐渐向加载端，即
损伤区域朝加载端增加；第二，加载速度影响微层裂的断裂方式。经典层裂中纳米多晶 Sn 以沿晶断裂
为主，微层裂中纳米多晶 Sn 存在沿晶断裂、晶内断裂和穿晶断裂方式。
2.4.2 层裂后期过程
图 13、图 14 和图 15 给出了冲击速度在 u = 0.5, 1.0 和 1.5 km/s 下的单晶和纳米多晶 Sn 的经典层裂
p
与微层裂过程，其中左列为单晶 Sn 模型，右列为纳米多晶 Sn 模型。如图 13 所示，在单晶 Sn 模型中，发
现 t = 100 ps 时层裂片基本上与靶材母体分离，断裂面比较平整；而同样在 t = 100 ps 时，纳米多晶 Sn 模
型层裂片却与母材直接相连，未完全断裂，这与材料断裂方式有重要关系。在 u = 0.5 km/s 时，单晶
p
Sn 模型的孔洞在层裂面附近贯穿，最终沿层裂面拉伸断裂，因此层裂片与母材基本上完全分开。然而，
从图 8 中纳米多晶 Sn 层裂面截面图可以发现孔洞沿晶界长大和贯穿，形成沿晶断裂；在图 13 的纳米多

t=50 ps t=50 ps

t=60 ps t=60 ps

t=70 ps t=70 ps

t=80 ps t=80 ps

t=90 ps t=90 ps

t=100 ps t=100 ps

−3.0 −2.9 −2.8 −2.7 −2.6 −2.5
Potential energy/eV
图 13 微层裂后期过程（u p = 0.5 km/s）
Fig. 13 Later process of micro-spallation for u p = 0.5 km/s

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