Физика

Molecular dynamics simulation of shock wave propagation in pure aluminum and aluminum with $\theta'$ precipitates

[Молекулярно-динамическое моделирование распространения ударной волны в чистом алюминии и алюминии с выделениями $\theta'$ фазы]

P. A. Bezborodova, A. E. Mayer, V. S. Krasnikov

Chelyabinsk State University, Chelyabinsk, Russia

Аннотация: В настоящее время молекулярно-динамическое (МД) моделирование плодотворно используется для выявления атомистических деталей ударно-волнового (УВ) нагружения различных материалов, включая металлические сплавы. В части сплавов большинство МД исследований посвящено твёрдым растворам и концентрированным сплавам с однородной наноструктурой. Хотя дисперсионное упрочнение является преобладающей стратегией для разбавленных сплавов, дисперсионно-упрочнённые сплавы в настоящее время недостаточно описаны с помощью МД моделирования УВ нагружения. Мы делаем первый шаг в этом направлении, проводя сравнительное исследование распространения УВ в чистом алюминиевом монокристалле без дислокаций и в алюминии с выделениями $\theta '$ фазы в качестве основной упрочняющей фазы в сплавах Al-Cu. Мы рассматриваем одну скорость частицы $1000$ м/с за фронтом УВ, одно направление удара $[100]$, один диаметр фазового выделения $5$ нм и одну начальную температуру $300$ К. Показано, что выделения $\theta '$ фазы провоцируют более легкое зарождение дислокаций и пустот из-за собственных растягивающих и сдвиговых напряжений, локализованных в их окрестностях. Это гетерогенное зарождение увеличивает плотность дислокаций и скорость пластической релаксации, что приводит к более слабому упругому предвестнику. Кроме того, упругий предвестник в алюминии с фазовыми выделениями обнаруживает явное затухание в отличие от случая чистого алюминия, где гомогенная нуклеация как начало пластичности поддерживает амплитуду упругого предвестника на определённом постоянном уровне. С другой стороны, более лёгкое зарождение пустот при растяжении в отражённой волне разрежения не снижает откольную прочность сплава Al-Cu, которая, напротив, примерно на $4\%$ выше, чем в чистом алюминии. Сдерживание роста пустот выделениями $\theta'$ фазы перевешивает более лёгкое зарождение пустот и приводит к увеличению откольной прочности.

Ключевые слова: алюминий, сплав алюминия с медью, выделения $\theta'$ фазы, ударная волна, откольное разрушение, зарождение дислокаций, зарождение и рост пустот, пластичность и разрушение, молекулярная динамика.

УДК: 539.3

Поступила в редакцию: 20.10.2024
Исправленный вариант: 15.02.2025

Язык публикации: английский

DOI: 10.47475/2500-0101-2025-10-3-580-594