梯度纳米晶高熵合金的冲击波响应与层裂行为：微观结构设计对抗极端冲击的机制解析

针对纳米晶材料在极端冲击载荷下力学行为不明的问题，研究人员通过分子动力学模拟（MD）研究了均质/梯度纳米晶CoCrFeMnNi高熵合金（H-HEA/G-HEA）的冲击波传播与层裂特性。发现G-HEA因梯度晶粒结构展现出更优的层裂强度，揭示了晶界无序结构含量主导的孔洞成核机制，为高熵合金（HEA）在抗冲击应用中的微观结构设计提供了理论依据。

　　

在材料科学领域，极端冲击环境下的材料失效一直是制约航空航天、国防装备发展的瓶颈。传统金属如铁、铜在高速冲击下表现不佳，而新兴的CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）虽展现出优于传统金属的层裂强度，但其纳米晶结构的冲击响应机制仍不明确。尤其当晶粒尺寸缩小至纳米级（<100 nm）时，材料虽获得高强度，却往往牺牲延展性。梯度纳米晶（GNG）结构的提出为解决这一矛盾提供了新思路，但其在动态冲击载荷下的行为尚未系统研究。

为回答这些问题，中国的研究团队通过分子动力学模拟（MD）对比研究了均质纳米晶（H-HEA）与梯度纳米晶（G-HEA）CoCrFeMnNi高熵合金的冲击响应。研究发现，两类材料均出现弹性-塑性双波分离现象，且随晶粒尺寸减小而减弱。H-HEA的层裂强度随晶粒减小呈先降后升趋势，而G-HEA始终优于H-HEA，证实梯度结构具有固有抗冲击优势。微观分析表明，层裂强度与孔洞成核能力密切相关，后者由晶界（GB）无序结构含量主导。纳米晶结构中孔洞优先在晶界成核，其生长和合并导致沿晶断裂。此外，冲击载荷还诱发堆垛层错、变形孪晶及相变等塑性机制。

关键技术方法
研究采用分子动力学模拟（MD）构建不同晶粒尺寸的H-HEA和G-HEA模型，利用Voronoi方法通过Atomsk软件生成结构，设定CoCrFeMnNi HEA晶格参数a=3.595 ?。通过分析粒子速度剖面、波速-晶粒尺寸关系及微观结构演化，揭示冲击波传播与层裂机制。

研究结果

1. Shock wave response：大晶粒H-HEA的波前粒子速度上升时间更长，双波分离现象显著，而小晶粒中该现象减弱。
2. Spallation behavior：H-HEA层裂强度在晶粒减小至12 nm时出现拐点，G-HEA因梯度结构抑制孔洞成核而始终更优。
3. Plastic deformation：冲击载荷下出现FCC→HCP/BCC相变，且小晶粒中位错滑移主导的塑性变形更活跃。

结论与意义
该研究首次系统揭示了梯度纳米晶HEA在冲击载荷下的微观机制，证明GNG结构通过优化晶界特性与塑性变形路径，实现强度-韧性的协同提升。成果不仅为HEA在极端环境（如超高速撞击、爆炸防护）的应用提供设计依据，也为多尺度材料模拟方法的发展提供了范例。论文发表于《Extreme Mechanics Letters》，凸显其在力学与材料交叉领域的前沿价值。