Page 41 - 《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

为更好地反映整个微层裂演化行为，本文以 u = 0.5～1.5 km/s 时纳米多晶 Sn 模型为例，采用温度和
p
压力表征了微层裂过程，分别如图 16 和图 17 所示。

100 100

90 90
80 80
70 70
60 60
Time/ps 50 T/K Time/ps 50 T/K
40
40
700
30 800 30 140
600 113
20 500 20 85
10 400 10 58
300 30
0 40 80 120 160 200 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270
z/nm z/nm
(a) u p =0.5 km/s (b) u p =1.0 km/s
100
90
80
70
60
Time/ps 50

40 T/K
270
30 210
20 150
90
10 30
0 60 120 180 240 300 360
z/nm
(c) u p =1.5 km/s

图 16 温度表征的纳米多晶 Sn 微层裂演化
Fig. 16 Micro-spallation evolution characterized by temperature in the NC Sn
在图 16(a) 和 17(a) 中，当活塞与靶材撞击时，压缩应力波进入靶材，并朝着自由面传播；冲击后的材
料内部温度和压力急剧上升，而未冲击的材料内部物理量则保持波前状态，冲击与未冲击区域的分界线
可由波阵面表示。图 16(a) 和 17(a) 的底部深蓝色和浅蓝色三角形的斜边表示波阵面，其斜边下方深蓝
色或浅蓝色区域表示未冲击区域，而其上方绿色或红色区域表示冲击区域。当加载结束（t = 10 ps 时），
移去活塞，加载面形成稀疏波，开始追赶压缩应力波；在波形上，波前沿基本上不受稀疏波影响，而波尾
巴因被稀疏波追上而变得拖长，Hugoniot 平台宽度也逐渐变小，见图 3(d)。在图 16(a) 中，随着波阵面快
速靠近自由面，红色区域逐渐变窄，对应着 Hugoniot 平台变小现象，紧邻红色区域上方的黄-绿-青区域变
大则对应着波尾巴拖长现象。当应力波达到自由面后并发生发射，反射波又向加载端传播，模型的应力
由压应力变为拉应力，该过程对应在图 16(a) 和图 17(a) 的中部蓝色区域。当拉应力达到材料动态层裂
强度，孔洞开始成核、长大和贯穿，在拉应力作用下形成断裂区域。图 16 中红黄色部分的云图表示层断
裂区域，该区域温度在整个冲击过程中最高，这一现象在金属 Ta [32] 和 Cu [55] 的微层裂过程中也被发现。
u = 1.0 和 1.5 km/s 时的温度与压力云图所展示的层裂过程基本上与 u = 0.5 km/s 的情况一致。不
p
p
同之处在于，u = 0.5 和 1.0 km/s 时最高温度存在于拉伸阶段的层断裂区域，而 u = 1.5 km/s 的最高温度
p
p
发生在压缩阶段的应力波波阵面后方。

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