Page 7 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 陈嘉琳，等： 重复冲击载荷下Al 0.3 CoCrFeNi高熵合金的动态响应机制与累积损伤效应 第 3 期

能由相互作用能与嵌入能的总和构成，其表达式为：

1 ( )
∑ ∑
E = F i (ρ i )+ ϕ ij r ij (1)
2
i i,j
∑ ( )
ρ i = φ ij r ij (2)
i, j
∑
式中：E 为总势能； F i (ρ i ) 为嵌入能项， F i (ρ i ) 为嵌入能函数， ρ i 为除原子 i 外其余原子在原子 i 处产生
i
∑
( ) ( )
的电子云密度之和； ϕ ij r ij /2 为相互作用能项， ϕ ij r ij 为第 i 个原子与第 j 个原子间的对势作用函数，
i,j ( )
r 为第 i 个原子与第 j 个原子之间的距离； φ ij r ij 为电子云密度函数。
j
i
刚性球与 Al CoCrFeNi 高熵合金靶板之间的相互作用主要发生在撞击界面，表现为短程的排斥作
0.3
用，采用 Lennard-Jones (L-J) [37] 势来描述更准确，包括 Al-Co、Cr-Co、Fe-Co、Co-Co 和 Ni-Co 两两原子对
之间的相互作用力，计算依据下式：
ï ò
( ) 12 ( ) 6
σ ij σ ij
V i j (r) = 4ε ij − (3)
r r
式中：V (r) 为原子 i 和 j 之间的势能， ε i j 和 σ ij 分别为势阱的深度和原子 i 和 j 之间的平衡位置。 ε ij 和 σ ij
ij
的表达式分别为：
√
ε ij = ε ii ε jj (4)
σ ii +σ jj
σ ij = (5)
2
ε jj 为同类原子之间相互作用的 L-J 势参数，即 Al-Al、Co-Co、Cr-Cr、Ni-Ni 和 Fe-Fe 两两原子
式中： ε ii 和
对之间相互作用的 L-J 势参数； σ ii 和 σ j j 为同类原子之间的平衡位置。不同原子对的参数如表 1 所示。
为消除初始构型应力并实现热力学平衡状
表 1 不同原子对之间相互作用的 Lennard-Jones 参数
态，对靶板体系首先通过共轭梯度算法进行结构
Table 1 Lennard-Jones parameters for interactions
优 化 ， 随 后 在 等 温 等 体 积 （ constant number of
between different atom pairs
atoms, volume, and temperature, NVT）系综下进行
原子对 ε ij /eV σ ij /Å
100 ps 热力学弛豫，维持温度 300 K 并确保轴向
Al-Co 0.046 9 2.578
压力趋近于零。平衡后，冲击加载在等体积等能
Cr-Co 0.046 6 2.456
量（constant number of atoms, volume, and energy,
Fe-Co 0.047 7 2.448
NVE） 系 综 下 进 行 ， 刚 性 球 沿 预 设 轨 迹 被 赋 予
Co-Co 0.004 3 2.584
0.5～3.0 km/s 的初始速度，模拟冲击动能的传递
Ni-Co 0.047 4 2.428
过程。
冲击过程中的原子结构变化及缺陷通过共同邻域分析（common neighbor analysis, CAN）法 [38] 识别，
位错线拓扑结构识别基于位错提取算法（dislocation extraction algorithm, DXA） [39] 。
尽管 MD 模拟的时空尺度（纳米-皮秒量级）与宏观实验（毫米-秒量级）存在量级差异，但微观机制
（如位错滑移、相变及层错）具有本征特性，宏观力学与其键合强度及缺陷演化动力学行为呈强关联性。
通过 EAM 势与 L-J 势的严格参数校验，确保模拟结果能够复现实验中观察到的应变率强化、相结构竞
争及损伤累积等关键现象，从而为跨尺度机理解释提供可靠依据 [40] 。

2 模拟结果与分析

2.1 首次冲击动力学响应
2.1.1 冲击速度变化
首次冲击过程中，刚性球与 HEA 板之间的相互作用直接影响 HEA 板的动力学响应特征。图 2 展示

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