SPJ 超快科学 | 中物院团队实现冲击加载下金属铝塑性变形的原子尺度原位观测

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中物院团队实现冲击加载下金属铝塑性变形的原子尺度原位观测

图1. (a)冲击单晶Al时间分辨XRD的入射X射线脉冲和加载激光布局. (b)实验加载激光的强度轮廓. (c)“粉光”X射线调制光谱.(d)一维流体模拟激光加载样品的压力分布演化.

中国工程物理研究院吴强院士团队胡建波研究员课题组利用时间分辨X射线衍射技术，在国际上首次捕获到冲击加载下单晶铝中分位错主导塑性流动的直接证据，解决了高层错能金属动态变形机理的长期争议。

相关成果以‘First in situ observation of partial dislocation mediated plastic flow in shocked single-crystal aluminum’为题，近期发表在Science合作期刊 Ultrafast Science上。

文章引用：Mengyang Zhou, Qiannan Wang, Sen Chen, Sota Takagi, Kouhei Ichiyanagi, Shunsuke Nozawa, Ryo Fukaya, Jiangtao Li, Liang Xu, Qiang Wu, et al. First observation of partial dislocation mediated plastic flow in shocked single-crystal aluminum. Ultrafast Sci. 0:DOI:10.34133/ultrafastscience.0111

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研究

概述

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单晶Al具有面心立方（fcc）晶格结构，也是典型的高层错能金属材料，分位错的活动（层错）在准静态加载和冲击回收实验中从未被观测。然而，分子动力学模拟表明，分位错在极端载荷条件下对单晶Al的塑性起着至关重要的作用。冲击变形的瞬态过程具有时效性，以往的回收实验经历长时间弛豫和复杂力学过程，无法还原材料弹—塑性转变的原位图像。捕捉材料的初始塑性，阐明其在强冲击载荷下的微观变形机理，在实验上是一大挑战。

近年，得益于超亮超短X射线脉冲源的发展，时间分辨X射线衍射（TXRD）显示出捕获晶格演化原位图像的巨大潜力，为冲击加载下材料动态行为的机理研究提供了新的诊断方法。此项研究基于同步辐射X射线粉光光源，拍摄了激光驱动冲击加载下单晶Al的原位Laue衍射。通过单轴应变边界条件约束的塑性变形矩阵，首次证实了分位错在单晶Al塑性流动过程的主导地位。图2展示了在[100]和[110]两个晶向上拍摄的TXRD结果，通过不同的延时得到随时间变化的Laue衍射图样。在冲击加载“一维应变，三维应力”的约束下，用滑移系变形矩阵分析Laue斑的变化规律，并与实验图样做比对。结果表明，分位错塑性变形在[100]和[110]两个晶向的衍射特征，都与实验的Laue衍射花样完全符合，进而确定了分位错主导单晶Al的冲击塑性流动。

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图2（a）单晶Al的[100]和[110]晶向在不同延时下的动态Laue衍射（b）塑性滑移引起的衍射斑移动方向与实验图样对比

在衍射分析的基础上，研究人员利用分子动力学 (MD) 方法，模拟了单晶Al在冲击过程的位错运动和层错结构。通过计算不同加载向滑移系的分切应力，解释了在[100]和[110]两个晶向上的变形差异。模拟结果与实验分析吻合良好，进一步揭示单晶Al在冲击载荷下的原子尺度演化过程。MD模拟与TXRD实验的结合，为高应变率下材料的原位塑性变形提供了一条可靠的研究途径。

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图3 分子动力学（MD）模拟单晶Al[100]和[110]晶向冲击加载，在(111)滑移面上的位错线活动和伴生层错。

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总结

展望

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本研究利用时间分辨X射线Laue衍射技术，首次在原位尺度上直接捕捉并证实了冲击加载下单晶铝（一种典型的高层错能金属）的塑性流动主要由分位错活动主导。这一发现颠覆了传统认知——此前在准静态加载和冲击回收实验中，此类高层错能材料的分位错行为从未被观测到。该工作成功架起了分子动力学模拟预言与实验观测之间的桥梁，解决了极端条件下瞬态塑性变形机理难以捕捉的关键挑战。所揭示的微观机制为发展基于物理本质的极端动态载荷下金属材料的本构模型提供了至关重要的理论基础和全新视角。

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作者

简介

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周孟阳，中国工程物理研究院流体物理研究所博士研究生，主要从事强载荷下材料塑性变形的原位研究。

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胡建波，中国工程物理研究院流体物理研究所研究员，现任冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室副主任，主要从事极端条件下材料服役性能的多尺度研究。主持国家自然科学基金重大项目、青年科学基金项目A类（原国家杰出青年科学基金项目）等课题，担任中国物理学会高压物理专委会秘书长、中国力学学会爆炸力学专委会秘书长等学术兼职。