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钽单晶动态冲击实验中的各向异性与应变定位
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介绍 bcc 金属中的变形机制，特别是在动态范围内，表现出异常的复杂性，这使得它们在高可靠性应用中的使用变得复杂。我们采用新颖的高速圆柱体冲击实验来探索高速加载下单晶样品的塑性各向异性。与多晶样品相比，bcc 钽单晶表现出异常高的变形局部化和强的塑性各向异性。在一定的冲击速度范围内，对几个冲击方向 [[100]，[110]，[111] 和 [149]] 进行了表征，以检验与方向相关的机械行为与应变率的关系。此外，在恢复的圆柱体中看到的各向异性和局部塑性应变表现出强烈的轴向对称性，这种对称性根据晶格取向而不同，观察到二、三、四重对称。我们提出一个简单的晶体学论点，基于施密德定律，来理解观察到的对称性。这些试验首次探索了单晶取向在泰勒冲击试验中的作用，它们清楚地证明了结晶学在高应变率和温度变形区的重要性。 大多数金属在技术相关应用中使用时，是微观尺度上包含许多不同结晶取向区域的多晶聚集体。这些晶粒中的每一个都由单一的结晶特征组成，在变形过程中，类似于受到周围晶粒施加的复杂约束和边界条件的材料单晶。因此，准确理解单晶行为对于预测多晶的整体性质至关重要，多晶的整体性质由单个晶粒的集体行为产生。各种长度尺度的最新高保真计算方法（即分子动力学 (MD) 和晶体塑性 - 有限元 (CP-FE) 模型）明确解析单个晶粒，并使用晶粒尺度的材料属性来参数化和 / 或验证连续体尺度的模型。虽然钽单晶的力学行为和塑性各向异性在准静态区域中得到了很好的表征，但它们在较高应变速率下的动态行为却不太为人所知。 在本报告中，我们表明高速率单晶响应实质上更加各向异性，取决于晶体取向，比单晶上的准静态实验或多晶上的高速率实验所建议的要高。这些信息不仅对于建立一个基于物理的微观结构感知模型至关重要（该模型不需要对每个多晶微观结构和织构进行经验拟合），而且对于验证微观结构尺度的高速率行为的预测也是至关重要的。 泰勒圆柱形冲击试验提供了一种简单而稳健的方法，使单个试样在其整个长度上承受大范围的应变率。在这些众所周知的测试中，圆柱形射弹以 100 至 200 米 / 秒的速度射入刚性砧座。直径为 6.35 毫米、长度为 38.1 毫米的单晶钽射弹以各种速度射向刚性表面，实验采用洛斯阿拉莫斯国家实验室建立的气枪实验装置，以 146.1 米 / 秒的速度撞击的变形多晶钽弹呈现出特定的侧面和底部轮廓。 结果 钽是一种难熔的体心立方 (bcc) 金属，常用于核和弹道应用等极端环境。在这项工作中，对取向为 [100]、[110]、[111] 和 [149] 冲击方向的钽单晶进行了泰勒冲击实验。 不同冲击速度下的变形单晶样品呈现出独特特征，红色虚线（原文标识）表示撞击前样品的初始尺寸，变形射弹的侧面轮廓明显不同于多晶射弹的侧面轮廓。与表现出平滑和连续变形的多晶射弹相反，单晶表现出更多的局部变形，尤其是在较高的速度下。 不同冲击速度下，四个取向单晶射弹的变形足形存在显著差异：[100]、[110] 和 [111] 单晶在它们的碰撞表面分别表现出四、二和三重对称性（原文以白色虚线标识）。[100] 单晶的横截面显示了八个角，类似于八边形，且在圆柱体的底部上方形成了四个脊；[110] 单晶中，射弹底部主要沿一个方向 (长轴) 变形，而沿短轴变形很少；[111] 单晶显示明显的三重对称性和沿径向相对较大的变形，在 137.5 米 / 秒的速度下，底面开裂并向三个方向裂开。[100]、[110] 和 [111] 单晶中的足形对称性在较高的撞击速度下更为明显。在冲击面附近的变形单晶射弹中，[100]（150.6 米 / 秒）、[110]（137.5 米 / 秒）、[111]（137.5 米 / 秒）和 [149]（137.2 米 / 秒）单晶的射弹底部附近均观察到剪切带（原文以红色虚线标识）。 与 [110] 和 [149] 样品相比，[100] 和 [111] 单晶中呈现出清晰的径向条纹。为了理解变形单晶的足形对称性，计算了晶体滑移系及其施密德因子。施密德定律利用滑移方向和滑移面法向描述了施加应力 (σ) 和分解剪应力 (τ) 之间的关系，如下所示： τ = Mσ 其中 M 为 Schmid 因子，φ 为滑移方向与加载轴之间的夹角，χ 为滑移面法线与加载轴之间的夹角。对于每组滑动面和滑动方向，可得到对应的 M 值，单轴载荷下，M 值最大的滑移系统最受青睐。 以三种冲击速度冲击后，四个单晶取向的十二个变形足形显示出明确的对称性规律（原文白色虚线标识撞击后 [100]、[110] 和 [111] 单晶中脚轮廓的四、二和三重对称，红色虚线标识撞击前样品的初始尺寸）。 全局框架中的 [100]、[110] 和 [111] 单晶，以及在垂直于加载轴的平面 (底平面) 上投影的活动滑移面和滑移方向分析表明：[100] 单晶具有四个活性滑移面和滑移方向，[110] 单晶具有四个活性滑移面和两个滑移方向，[111] 单晶具有三个活性滑移面和滑移方向（黑色箭头表示具有最大施密德因子的滑动方向，每个滑动方向与两个滑动平面相关联），三者分别具有四个、两个和三个投影滑移方向，其最大 M 值与射弹的脚对称一致。 结论 这项工作显示了钽单晶动态响应中的强应变局部化和塑性各向异性。与多晶钽相比，单晶中的这些不均匀塑性变形要明显得多。在变形的足剖面中观察到的对称性与晶体学分析非常一致，晶体学分析表明钽单晶在高应变率和温度状态下的塑性变形由沿密集〈111〉方向的位错滑移所控制。对单晶动态变形行为（包括塑性局部化和各向异性）的更全面理解和预测能力，将需要具有精确的温度和应变率相关强度模型的晶体级模拟。 |
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