单晶铁中晶体取向与载荷条件对微结构演变及空洞演化动力学的原子尺度研究

本研究通过分子动力学(MD)模拟，揭示了单晶铁(SC Fe)在不同晶体取向和单轴/双轴/三轴载荷条件下微结构演变与空洞演化动力学规律。研究发现晶体取向显著影响位错演化和空洞尺寸分布，而载荷条件决定空洞成核(Nucleation)与生长(Growth)的主导机制，为宏观断裂模型开发提供了纳米尺度机理支撑。

　　

在高速冲击、陨石撞击等极端工况下，材料的高应变率变形与断裂行为一直是力学与材料科学领域的核心挑战。传统宏观断裂模型难以捕捉纳米尺度的损伤起源，而实验手段又无法实时观测材料内部空洞的演化过程。单晶铁(SC Fe)作为典型体心立方(BCC)金属，其在高应变率下的微结构响应与空洞演化机制，对理解宏观断裂行为具有重要指导意义。

为揭示晶体取向与载荷条件的协同作用机制，研究人员采用分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟技术，基于浓度依赖的嵌入原子法(CD-EAM)势函数，系统研究了单晶铁在单轴、双轴和三轴载荷下的微结构演变与空洞动力学。通过压力-体积应变曲线、位错密度分析和空洞统计等方法，首次全面解析了晶体取向敏感性在不同载荷条件下的差异化表现。

关键技术方法
研究采用LAMMPS软件平台，使用CD-EAM势函数描述铁原子相互作用，模拟体系包含约200万个原子。通过工程应变率5×10⁹
s^-1
的加载条件，结合共同邻居分析(CNA)和位错提取算法(DXA)表征相变与位错演化，采用改进的网格计数法量化空洞体积分数。

压力-体积应变响应
三轴载荷下所有晶体取向表现出相似的压力阈值，而单轴/双轴载荷则呈现显著取向依赖性。[100]取向在单轴拉伸时达到最高峰值压力1.5GPa，表明其具有最优抗变形能力。

微结构演变
所有取向均观察到BCC→HCP/FCC相变，但相变程度受载荷条件调控。三轴载荷诱发均匀分布的位错网络，而单轴载荷下位错密度与取向强相关，[111]取向位错密度高达其他取向的3倍。

空洞演化动力学
单轴载荷主导空洞生长（贡献总空洞体积80%），三轴载荷促进空洞成核（数量增加300%）。[110]取向在双轴载荷下呈现独特的双峰空洞尺寸分布，表明取向影响空洞聚集行为。

研究结论
该研究首次建立晶体取向-载荷条件-损伤演化的定量关联：1）三轴载荷下材料响应呈现取向不敏感性，而单轴/双轴载荷显著受取向影响；2）位错演化与空洞分布对取向变化敏感度高于整体空洞体积分数；3）少数大尺寸空洞（<5%）贡献超过60%总损伤体积，这一发现为多尺度断裂模型参数校准提供了关键依据。

论文创新性在于通过原子尺度模拟揭示了宏观断裂的纳米级起源，特别是发现晶体取向通过调控位错运动影响空洞空间分布，而载荷条件决定损伤主导机制。这些发现对航天防护结构设计、激光加工参数优化等工程实践具有重要指导价值，为建立考虑晶体取向效应的多尺度本构模型奠定了理论基础。