Molecular dynamics study on shock-induced spallation and damage evolution in nano-polycrystalline Ta: Internal grain size effect vs external shock intensity effect

散裂 材料科学 粒度 微晶 冲击响应谱 晶界 复合材料 冶金 微观结构 核物理学 中子 物理 经典力学 加速度
作者
Dun Wu,Yaxin Zhu,Minsheng Huang,Lv Zhao,Zhenhuan Li
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:130 (20) 被引量:5
标识
DOI:10.1063/5.0071129
摘要

As a typical body-centered cubic material, Ta has both high strength and high temperature resistance and is, thus, widely applied in the field of high-energy physics. In this work, the spallation behavior and its underlying physical mechanism of nano-polycrystalline Ta was systematically studied by non-equilibrium molecular dynamics simulations, with special attention to the internal grain size effect vs external shock intensity. The results reveal that the grain size effects on void evolution, spallation strength, and corresponding mechanical and thermodynamic responses are different under different shock intensities. Under the piston velocity of 0.75 km/s, when the grain size decreases from 30 to 2 nm, the spallation mechanism switches from intergranular fracture (d ≥ 10 nm) to cavitation failure (d ≤ 5 nm), and the correlation between spallation strength and grain size also switches from an inverse Hall–Petch to a Hall–Petch relation at a critical grain size dc ∼ 10–20 nm. As the piston velocity increases to 1.5 or 1.8 km/s, a failure mode transition from classical spallation to micro-spallation is observed, leading to a significantly weakened grain size effect on the spallation strength. Through thermodynamic analysis, melting is detected in the tensile region, which is responsible for the micro-spallation. These results can help to understand the effects of internal grain size and external shock intensity on the spallation behavior of Ta and make a leap in the design of shock-resistant materials.
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