金属断裂问题在破片毁伤、空间防护、深地油气开采等军事和民用方面均有涉及，在这些应用环境中材料不可避免会遭受强动载荷的作用。同其他延性金属相比，镍钛（NiTi）合金在动态损伤断裂方面具有某些共性特征，但其独特的形状记忆效应和超弹性效应，使得当前对NiTi在高应变率下的相变和塑性形变行为的认识还存在争议。尤其材料内部在高温高压高应变率等极端条件下存在层裂、绝热剪切带等多重失效模式，迫切需要弄清这些模式之间的耦合效应，进而揭示动态延性断裂的本质，为NiTi合金特殊组件在极端环境下的安全设计和应用提供理论依据和技术支撑。
鉴于此背景，西南大学王放教授团队采用分子动力学方法重现了纳米晶NiTi柱壳的內爆加载过程，阐明了多层层裂和剪切局域化的相互作用关系，进一步澄清了晶粒尺寸对NiTi合金微孔洞形核、塑性变形及相变行为的影响。研究结果揭示了多层层裂的形成及贯穿机制，有助于进一步加深对动态延性断裂的物理力学认识。相关成果以“Formation mechanism of multiple spallation and its penetration induced by shear locailziation in NiTi alloy under implosion loading”为题发表于极端条件下物质与辐射领域国际著名期刊Matter and Radiation at Extremes并被评选为“Featured Article”。
图1 (a)內爆加载下的微孔洞演化和(b)多层层裂的形成
图2 在内爆作用下NiTi柱壳内部的微孔洞分布
研究表明：在內爆加载下，微孔洞数量变化表现为明显的双峰趋势：微孔洞数量在16.5 ps首先达到峰值，此时大量孔洞聚集在反射冲击波和卸载稀释波相互作用的区域，形成第一个层裂面。之后，微孔洞数量在21.5 ps时再次达到峰值，众多单个微孔洞形核于内部区域（首个层裂面和柱壳内表面之间）。同初始孔洞形核方式相比，这些孔洞呈现板条状分布，并且与径向方向成一定角度。进一步发现：微孔洞数量在达到第一个峰值后，新的孔洞才会在内部区域开始形核，从而导致第二个孔洞峰值的出现。这些结果表明：在內爆加载作用下，NiTi柱壳内部出现两次孔洞形核现象并形成多个层裂面。
图3 晶粒尺寸为50 nm时，NiTi柱壳内部的剪切应变演化
从剪切应变分布云图看：在加载初始（5 ps），冲击波还没有传播到内部自由表面，这时剪切应变主要集中在晶界处。其原因在于针对多晶结构，晶界具有协调变形的作用。当相邻两个晶粒之间受到剪切作用时，会发生晶界滑动等塑性变形，从而导致剪切应变的局部集中。当冲击波到达内表面时（8.5 ps），内表面开始向内收缩，内部区域出现剪切应变聚集区。随后，一些呈现带状并且承载高应变的区域从内表面萌生并朝着外表面生长。与14.5 ps相比，内部区域在16.5 ps时分布了更多的剪切变形带，它们为即将到来的第二次层裂孕育形核条件。当时间达到17 ps，属于第二个层裂面的微孔洞开始形核。
图4 内部区域在21.5 ps时的孔洞与剪切变形带分布
通过对21.5 ps时微孔洞和剪切变形带的分布特征观察，研究发现：内部区域所有微孔洞全部形核于高剪切应变的区域，主要表现为一部分孔洞形核发生在初始晶界上，而其他孔洞则在位于晶粒内部的剪切应变区上形核。这种现象表明：与首次层裂面相比，二次层裂面的形成很可能与剪切变形带密切相关。
图5 晶粒尺寸为50 nm时，NiTi柱壳内部的温度演化
对于延性金属，高应变率下形成的剪切变形带通常伴随局部绝热温升，从而导致层裂强度的下降。从温度云图看，对于整个过程来说，剪切应变较高的晶界一直保持着比其他区域更高的温度。首次层裂时，在拉应力作用下，层裂区的温度并没有显著上升，反而在孔洞形核前有所下降。之后，形核所释放的能量才导致孔洞周围温度上升。对于二次层裂，在剪切变形带的区域发现了局部温升现象。重要的是，材料内部区域在孔洞形核之前（16.5 ps），高温区就已经存在。通过对高剪切应变区域与高温区域进行比较，可以认为剪切变形带萌芽伴随着局部温度的升高。因此，邻近剪切变形带的部分区域将发生材料软化，导致层裂强度降低。
图6 层裂强度的晶粒尺寸效应
对于首次层裂，随着平均晶粒尺寸的减少，在10 nm时，层裂强度将发生从反Hall-Petch向Hall-Petch关系的转变。当晶粒尺寸较大时（>10 nm），晶粒尺寸的增加导致晶界含量的减少，因此无法提供足够的形核位置，孔洞形核以沿晶/穿晶共存的方式发生，进而产生较高的层裂强度。当晶粒尺寸低于10 nm，大量晶界的引入会诱导超弹性效应，提高层裂强度，进而表现出Hall-Petch关系。
对于二次层裂，层裂强度的变化也会存在转折点，这时临界晶粒尺寸变为8 nm。晶粒尺寸为5 nm时，孔洞仍然在初始晶界上形核。晶粒中没有形成剪切变形带，高剪切应变的原子都聚集在晶界附近。这种行为与50 nm模型完全不同，这是因为在较小的晶粒尺寸下，晶界滑动是主要的变形机制。对于10 nm，尽管一些剪切变形带在晶粒内部形成，但是几乎没有孔洞在晶粒内部形核。变形带上的剪切应变没有晶界上的高，晶界滑动仍然是塑性变形的主导机制，因此孔洞依然是沿晶形核的方式。但在10 nm模型中，二次形核的孔洞沿着晶界呈条状分布，与5 nm模型中零散分布的形式并不相同。当晶粒尺寸增大到30 nm，甚至更高时，发现有越来越多的孔洞在晶粒内部形核。这是因为在大晶粒尺寸下，晶界滑动失去对变形的主导作用，晶粒内部形成的大量剪切变形带缓解了晶界带来的剪切应变集中。进一步通过PTM分析发现：在大晶粒尺寸下（尤其30 nm和50 nm），剪切变形带的萌芽和生长会导致晶粒内的原子局部无序化，从而产生新的晶界，这时晶粒尺寸减小，形成晶粒细化现象。
图7 晶粒尺寸为50 nm时，材料内部的温度状态演化
温度状态演化结果表明：孔洞开始形核时（14.5 ps），材料中没有温度超过熔点的区域。当微孔洞数量达到第一个峰值（16.5 ps），材料内部出现一些红色区域的高温区，这可以解释为剪切局域化导致的温升效应。之后，那些高温区向内延伸，直至二次层裂面。可见，高温有利于该区域的孔洞形核，随后导致两个层裂面之间的贯穿。
论文第一作者为西南大学硕士生吴限晔，中国工程物理研究院裴晓阳研究员、北京应用物理和计算数学研究所向美珍研究员和西南大学材料与能源学院王放教授为共同通讯作者，合作作者包括中国工程物理研究院张豪博士、西南科技大学杨鑫副教授、北京大学王进博士等。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和中国工程物理研究院项目的资助。
近年来，西南大学王放教授团队在延性金属冲击响应方面开展了系列研究工作，建立了初始微结构同动态损伤失效行为的关联关系，揭示了材料在高温高压高应变率下的微观变形损伤机理，并发表了系列代表性论文：Journal of Materials Science & Technology, 2021, 77: 90–99; Engineering Fracture Mechanics, 2022, 276: 108921; Vacuum, 2023, 207: 111679; Materials Today Communications, 2024, 40: 109625; Acta Mechanica Sinica, 2025, 41(3): 124177等。
原文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0235705
相关延伸链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.041
https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2021.104185
https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2022.108921
https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111679
https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.107515
https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.109625
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.024113
https://doi.org/10.1007/s10409-024-24177-x
审核：力学家
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