华南理工《Acta Materialia》纳米多晶陶瓷冲击响应的晶粒尺寸效应

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  陶瓷材料在国防军事和航空航天领域有重要应用,在装备向轻量化和高性能的发展中扮演重要的角色。碳化硅凭借低密度、高比强度、耐高温等优异的物理力学性质,在武器装甲、涂层和发动机涡轮叶片以及摩擦和电子器件中极具应用前景。其应用中存在高温高压和高应变率乃至强辐射等复杂恶劣条件,对极端条件下的物理和力学特性的研究受到重要关注。不同加载条件与微结构下纳米陶瓷的变形与破坏仍是当前基础科学的热点问题之一。

  近日,华南理工大学姚小虎教授课题组基于大规模分子动力学方法研究了纳米多晶碳化硅陶瓷的冲击响应。模型晶粒尺寸范围为2 nm至32 nm,原子规模高达2.06亿。文章系统分析了不同晶粒尺寸的纳米碳化硅陶瓷在粒子速度为1 km/s至5 km/s的冲击压缩变形与层裂破坏行为,从纳观尺度揭示了高应变率下纳米多晶陶瓷的冲击压缩损伤和层裂破坏的机理以及晶粒尺寸的影响规律。相关研究成果以“On the grain szie dependence of shock responses in nanocrystalline SiC ceramics at high strain rates”为题发表在材料科学领域顶刊《Acta Materialia》。华南理工大学博士后李旺辉博士为该论文第一作者,其他合作作者还包括了洛斯阿拉莫斯国家实验室的Timothy C. Germann博士、Eric N. Hahn博士和Biao Feng博士以及华南理工大学的张晓晴教授。

  论文链接:

  https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.044

  

  为了有效地开展对纳米碳化硅陶瓷的冲击响应研究,研究者采用Voronoi方法构建纳米多晶陶瓷模型试样,并从能量、密度和晶界厚度等多参数与理论或实验观测值对比验证了其合理性(图1)。同时,通过对冲击Hugoniot曲线(图2),如压力-体积、压力-粒子速度和波速-粒子速度等曲线的计算模拟结果和实验值的比较验证了势函数的可靠性。

  

  图1.纳米多晶碳化硅试样参数。不同晶粒尺寸模型对应(a)原子规模,(b)原子能量和试样密度和(c)晶界与内晶粒比例分数。

  

  图2.冲击Hugoniot曲线的模拟值与实验值比较(a)P-V曲线,(b)P-Up曲线以及(c)Us-Up曲线。

  基于此,研究者发现随着冲击粒子速度的增加纳米多晶碳化硅相继出现弹性、塑性及相变行为。其中,以变形孪晶为主的塑性变形(图3)和从闪锌矿结构(原子配位数为4)到岩盐结构(原子配位数为6)转变的固固相(图4)。通过对孪晶比例的统计分析(图5),结果显示:通常情况随着晶粒尺寸的减小,产生孪晶变形的晶粒比例降低。孪晶晶粒的比例变化表明触发变形孪晶所需的临界应力的变化,孪晶晶粒的比例分数较低意味着所需更高的临界应力。

  因此,孪晶所需的临界应力随着晶粒尺寸的减小而增加,类似于典型的Hall-Petch关系,但是在晶粒尺寸在6至12nm区间呈现细微的反常现象。冲击相变中,晶粒尺寸的影响主要体现在单一强冲击相变波加载情况下,存在临界晶粒尺寸(约为10nm),高于该临界晶粒尺寸时,晶粒尺寸对相变的影响较小,但低于临界晶粒尺寸时,随着晶粒尺寸的减小相变转化比例较显著降低,即小纳米晶粒尺寸阻碍了相变的转化(图6)。

  

  图3. 冲击荷载下不同晶粒尺寸碳化硅多晶体的变形孪晶。

  

  图4. 冲击压缩引起的结构相变,原子配位数从4到6的转变对应闪锌矿结构到岩盐结构的转变

  

  图5. 冲击荷载下纳米多晶碳化硅中不同变形响应(弹性、孪晶和转动)晶粒比例的统计

  

  图6. 不同冲击粒子速度下各不同配位数原子比例分数随晶粒尺寸的变化。

  层裂破坏中,研究者发现随着冲击粒子速度的增加,层裂破坏形式从经典脆性层裂到微层裂的破坏模式转变,且层裂模式受到冲击压缩阶段的变形与损伤密切相关。其中冲击压缩低于相变压力时,倾向于经典脆性层裂(图7、图8),而当强冲击产生结构相变时,由于大量的压缩损伤和冲击高温的共同作用诱发了微层裂的破坏模式。

  

  图7. 冲击粒子速度为1 km/s时晶粒尺寸为10 nm的纳米多晶碳化硅的经典层裂演化(a)应力场演化,(b)形核与层裂演化,(c)形核瞬间,以及(d)层裂过程的应力波剖面演化。

  

  图8. 冲击粒子速度为1 km/s时晶粒尺寸为10 nm的纳米多晶碳化硅的层裂过程的密度场、应力场以及温度场演化。

  文中还重点分析了在不同冲击强度下纳米晶粒尺度对层裂强度的影响,指出在超高应变率下层裂形核应力与材料极限动态抗拉强度差异显著(图9)且呈现不同的晶粒尺寸关联性。在相对低的冲击压力幅值(弹性Hugonio极限附近)引起的层裂破坏中,层裂形核应力随着晶粒尺寸的降低,依次呈现反Hall-Petch关系和典型Hall-Petch关系,对应的临界晶粒尺寸为10 nm(图9)。随着冲击压力幅值的增加,层裂形核应力与晶粒尺寸的反Hall-Petch关系在增强,而典型Hall-Petch关系消失。

  

  图9. 冲击粒子速度为1 km/s情况下(a)层裂形核应力与极限动态抗拉强度随晶粒尺寸的变化,(b)对应的粒子速度时程曲线

  上述工作系统研究了高应变率下小纳米晶粒尺寸碳化硅陶瓷的冲击压缩和层裂破坏行为,揭示了晶粒尺寸对纳米陶瓷动态物理和力学特性的影响规律,为极端条件下材料的动态物理力学特性等相关领域的研究提供了有益的参考。据了解,姚小虎教授及李旺辉博士在极端条件下碳化硅的变形损伤与破坏研究课题研究中累计在《Acta Materialia》期刊发表3篇,另外两篇的论文链接如下。该系列工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金、青年科学基金项目、博士后创新人才支持计划等的支持。

  参考文献:

  https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.08.036

  https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.035

  *感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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