强冲击下金属材料动态损伤与破坏的分子动力学模拟研究进展

王嘉楠，伍 鲍，何安民，吴凤超，王 裴，吴恒安

（1. 中国科学技术大学近代力学系，中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽 合肥 230027；2. 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094；3. 中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621999）

随着科学技术的高速发展，无论是在基础工程还是国防应用中，材料的服役环境都变得更加复杂，如高温高压、强磁场、化学环境等[1]，因而材料在这些极端环境中的力学性质和力学响应也受到了很多的关注。强冲击作为前沿科学与国防工程中常见的材料服役环境，广泛存在于惯性约束聚变、冲击波物理以及超高速碰撞等问题研究中[2]，因此研究强冲击加载下金属材料的动态损伤与破坏行为及机理具有重要的科学意义与应用价值。

强冲击加载环境往往伴随着高温、高压、高应变率，金属材料在这样的环境下的破坏方式很大程度上依赖于材料内部和表界面处的微结构，如晶界、孔洞、杂质、表面缺陷等[3]。同时，材料的破坏过程往往伴随着相变、层裂、复杂破碎、破碎物质输运及混合等重要科学问题[4]，因此强冲击作用下的金属材料动态损伤破坏行为也成为冲击物理领域关注的重点。金属材料在强冲击下的动态响应过程具有历时短、速度高等特点，尤其对于材料内部及表界面微结构的演化过程，其空间和时间尺度都很小，为精细测量带来极大的困难。为此，研究人员发展了一系列测量技术。对于材料内部损伤破坏过程，可以采用X 射线照相[5–7]、质子照相[8]、同步辐射三维成像[6]、回收样品的金相分析[9]等直接测量手段，也可以通过测量样品自由面速度-时间历程间接获得材料破坏过程信息[9–11]。而对于表界面处的复杂破碎以及后续的破碎物质输运及混合过程，可以采用Asay 膜技术[12–14]、压电探针[15–16]、X 射线照相[17]、多普勒测速[18–19]、高速摄影[20–21]、全息成像[22]等多种测试技术联合观测。丰富的测量手段有助于人们深入认识金属材料在强冲击作用下的动态响应行为，如金属近自由面的复杂破碎过程[23]、微层裂[24–25]、微喷射[26]、破碎颗粒输运及混合[27]等。

尽管实验手段取得了长足的进步，然而仍然有很多无法观测的现象以及实验难以解决的物理机制问题。分子动力学模拟作为一种随计算机高速发展的强力的模拟工具，以其在微观模拟方面的独特优势而广泛应用于物理机理分析中。在金属材料的冲击塑性、冲击相变、动态破碎等过程[23,25, 27]的研究中，通过分子动力学模拟，可以解读实验现象，剖析相应的物理机制，并可针对单一因素对实验现象的影响进行分析，为理论建模提供坚实的基础。本文结合课题组的相关工作，详细介绍金属材料在强冲击作用下的动态损伤与破坏的分子动力学模拟进展，主要分为以下3个方面：（1）冲击加载下金属材料内部的微观结构演化，以及材料初始内部结构对该过程的影响，如晶界、初始孔洞、氦泡等；（2）金属表界面处的缺陷结构对冲击响应过程的影响以及相应的演化规律；（3）复杂加载条件下金属材料的响应和破坏过程。

1 冲击加载下金属材料内部动态损伤与破坏

强冲击作用下金属材料内部微结构的演化决定了材料的宏观力学行为，包括弹塑性转变、熔化和空穴形成等，材料内部的固有缺陷，如晶界、孔洞、杂质等也同样影响着材料的动力学响应，本节将从材料内部的微观结构出发，介绍具有不同初始结构的金属材料在强冲击作用下的动力学响应以及微结构演化特点。

1.1 强冲击加载下单晶材料的动力学响应及微结构演化

完美的单晶金属材料在体相内不存在初始微缺陷，当冲击载荷大于其弹性极限时，波后晶格的完整性遭到破坏，产生初始微缺陷。利用分子动力学模拟技术，可以很好地探索单晶金属材料的动力学响应，分析内部微结构生成与演化。大量的分子动力学模拟研究表明，冲击波加载下金属的内部微结构会发生变化，表现为冲击塑性[28–29]、冲击相变[30]等，进而影响材料性质。这些模拟结果同样也展示了分子动力学模拟在研究强冲击下材料性质方面的重要性。

在冲击加载下，冲击波在金属材料内部传播，到达自由面后发生反射，反射的稀疏波与加载波相互作用，产生拉应力区，金属在拉应力的作用下发生断裂破碎，也就是层裂现象。Soulard[31]基于分子动力学模拟对衰减冲击波加载下金属铜的响应进行了分析，发现无论是处于冲击熔化还是卸载熔化的加载状态，样品都会发生层裂，且熔化速度足够慢时，可以得到固态的层裂片。Luo等[32]以单晶铜为研究对象，分析了冲击波形对其动态破碎过程的影响，模拟中采用飞片加载方式，通过控制样品与飞片的厚度比来控制加载波形，研究表明：在相同的加载速度下，厚度比越高，波形越接近衰减冲击波，材料的层裂强度越高，损伤破碎区域越小。Xiang等[33]研究了波形对层裂过程的影响，采用斜波加载方式进行模拟，分析了加载波的上升时间对层裂片状态的影响，结果表明，更短的上升时间会使层裂片处于液体状态，而更长的上升时间则会使层裂片处于固体状态。孔洞成核过程同样会受到加载波上升时间的影响，上升时间越短，孔洞分布范围越大。

图1 传统层裂和微层裂破碎过程[34]Fig. 1 Damage processes of classical spallation and micro-spallation[34]

当冲击波速度较低时，金属材料在冲击加载下仍然保持着固体状态，其损伤行为与传统层裂过程一致；当冲击速度不断升高时，金属材料会发生卸载熔化甚至冲击熔化，此时材料的损伤破碎行为与传统层裂过程存在差异，该破碎过程被称为微层裂。Xiang等[34]针对不同冲击速度下单晶铅的层裂行为，比较了微层裂过程与传统层裂过程的异同。模拟中发现，无论是传统层裂还是微层裂，金属材料的破碎都会经历孔洞成核、生长以及孔洞合并过程。不同的是，对于传统层裂而言，孔洞的成核位点较少，而微层裂过程中孔洞成核位点较多且较分散，小孔洞的合并贯通使样品发生破碎。同时，当材料内部孔洞数量达到最大值时，微层裂过程的孔洞数量随空间的分布更接近幂率分布。图1展示了微层裂和传统层裂破碎过程的区别。通过对比分析表面和层裂内部区域的热力学演化路径，可以解释二者存在差异的原因。对于强度更低的金属锡，Liao 等[35]对其层裂和微层裂过程进行了分析探讨，发现微层裂过程中孔洞成核数目相比于传统层裂更多，分布也更集中，体积分布也符合幂率分布。以上关于微层裂的研究中，金属样品大多处于卸载熔化状态，当冲击速度继续增加时，样品会发生冲击熔化现象。Shao 等[36–38]以单晶铝为例，探究其在不同冲击速度加载下的损伤模式，加载的冲击波为衰减冲击波。对于冲击未熔化的样品，在拉伸波的作用下，经历了孔洞成核—生长—合并过程，进而发生破坏并形成层裂片，从自由面速度曲线上可以观测到清晰的层裂信号。对于冲击熔化样品，首先观测到从自由面喷射出的原子及其团簇，随后孔洞在近自由面附近成核生长，最终形成大面积的破碎区域，从自由面速度曲线上只能观测自由面速度峰值的衰减过程，未见典型层裂信号。图2 显示了冲击熔化时样品的破碎过程（其中U为势能）。后续他们继续探究了不同损伤破碎模式下层裂强度的变化规律，通过建模分析，研究了层裂片厚度、损伤深度以及孔洞尺寸等特征。

图2 冲击熔化时样品的破碎过程[36]Fig. 2 Damage process of sample under shock melting[36]

1.2 强冲击加载下多晶材料的动力学响应及微结构演化

在实际工业生产中，大多数金属材料以多晶的形式存在，多种类型的晶界同时存在于材料中会影响其冲击响应特性，因此研究多晶材料的冲击行为和机理具有重要意义。Bringae 等[39]研究了纳米多晶铜在强冲击作用下的力学行为及其微观机理，发现金属多晶铜在强冲击作用下具有丰富的力学行为，如位错、孪晶等，并且具有冲击硬化特性。影响材料性质的主要微力学机理是位错塑性和晶界滑移，通过分析晶界处的位错行为，发现强化效应也符合材料晶粒细化强化的特点。Luo 等[40]对不同加载方向下理想六方柱状纳米多晶铜的冲击响应进行了细致的分析，模拟结果表明：样品的冲击响应表现出很强的各向异性，垂直晶界方向加载时，应力梯度会导致晶界滑移，沿着晶界方向加载时，晶界滑移程度变得最低而层裂强度变得最高。同时他们还发现，垂直晶界方向加载时，材料的破坏完全存在于晶粒之间，而沿着晶界方向加载时，晶粒内部也会发生破坏现象。对于更一般的情况，晶粒随机分布的纳米多晶铜，Dongare 等[41]基于分子动力学模拟对其延性断裂过程的微力学机理进行了分析，通过对比不同冲击速度下多晶铜的响应，发现孔洞会沿着晶界萌生，并且通过剪切无序的原子进一步生长。对于孔洞形成的两个过程，即孔洞成核和孔洞生长合并，对比单晶铜的孔洞形成过程可以发现，孔洞成核对材料的微观结构和冲击压力具有很强的依赖性，而孔洞生长则不受这些因素的影响。图3 显示了多晶铜内孔洞的成核以及后续长大合并过程。Mackenchery 等[42]对不同晶粒尺寸的多晶铜内部缺陷的动力学演化过程及相应的层裂强度进行了讨论，描述了缺陷的演化过程，分析了不同晶粒尺寸对多晶铜层裂强度的影响，结果表明：孪晶的密度影响其层裂强度，晶粒尺寸为6 和16 nm 的多晶铜在冲击过程中的孪晶密度更高，相应的层裂强度更高，更接近单晶铜的层裂强度。

图3 多晶铜内孔洞的成核以及后续长大合并过程[41]Fig. 3 Processes of void nucleation, growth and coalescence in polycrystalline copper[41]

除了传统的损伤破碎，当冲击强度继续升高时，多晶材料会发生卸载熔化甚至冲击熔化，此时多晶材料的破碎过程同样值得关注。Xiang 等[43]研究了纳米多晶铅在不同冲击强度下的层裂现象。对于传统的层裂过程，如前所述，孔洞成核发生在晶界处；而对于卸载熔化样品，熔化和成核过程都发生在晶界处；对于冲击熔化样品，孔洞成核则均匀地发生在拉伸区，同时自由面附近有液态颗粒喷出。图4 给出了不同冲击强度下样品的加载和卸载路径。模拟中还发现，在相同的冲击强度下多晶铅的峰值层裂

图4 不同冲击强度下样品的加载和卸载路径[43]Fig. 4 Loading and unloading paths of samples under different shockstrengths[43]

强度低于单晶铅，而这种差异随着冲击强度的增加逐渐减小。Liao 等[44]基于纳米多晶铝的加载模型继续探讨了微结构和热力学效应对层裂现象的影响，结果表明热力学的耗散促进了孔洞成核，降低了层裂强度。

1.3 内部初始缺陷对冲击加载下金属材料动力学现象的影响

在国防工业中，特别是核武器领域，材料长期存放时，其内部可能会产生孔洞、气泡等缺陷结构，这些结构将对材料性能产生不确定性影响，弄清这些缺陷结构对材料的影响至关重要。为此，初始含孔洞、气泡等结构的金属在强冲击作用下的动态响应过程得到了广泛关注。

针对孔洞对材料性质的影响，Dávila 等[45]在初始模型中预设了单个孔洞，探究其在冲击加载过程中的动力学过程，通过模拟发现，激波诱导下的孔洞塌缩过程伴随着位错发射现象，形成的位错环包裹着孔洞，并使其周围区域产生硬化现象。Zhu 等[46]发现当冲击波沿着不同晶向加载时，位错的发射会产生差异，表现为孔洞周围塑性变形的各向异性。图5 展示了不同冲击加载方向和强度下位错形成的位置差异。Cui 等[47]在研究含孔洞金属铁在冲击加载下的响应时发现，孔洞会对相变过程产生影响，降低相转换的压力阈值，并加速成核速度，致使新的相态更容易产生。Deng 等[48]在初始样品中预置了两个孔洞，探究了两者在冲击作用下复杂的演化过程，分析了孔洞塌缩过程中位错的演化进程，发现在冲击加载强度相同的情况下，两个孔洞中心的连线与冲击加载方向成60°时，孔洞之间更容易发生贯通现象。

图5 不同冲击加载方向和强度下位错形成的位置差异[46]Fig. 5 Differences in the position of dislocations under different shock loading directions and strengths[46]

当金属材料内部缺陷分布呈现一定规律时，其冲击响应规律对于材料的应用也具有重要的指导作用。Zhao 等[49–50]细致地研究了具有不同初始孔洞结构的金属铜在强冲击下的响应规律。材料的微观结构影响着材料的弹塑性转换、孔洞塌缩以及局部微喷射流过程，其中孔洞的分布和长宽比起到主要作用，孔洞边界和尺寸的影响则相对较小。而高压雨贡纽曲线受孔洞等微观结构的影响较小。图6 显示了不同初始结构在冲击加载下内部射流的形态。局部射流的产生是由速度梯度、局部孔洞的汇聚作用等共同导致的，对于不同结构，其微力学机理是一致的。

除了孔洞，气泡也是金属材料中常见的初始缺陷，在核反应堆材料、辐照损伤的探索中占据重要的地位。Wang 等[51]在金属铝样品中预置了氦泡和孔洞两种初始缺陷，通过模拟样品在冲击加载下的动力学过程，发现无论是氦泡还是孔洞，其引发材料的破坏机制是一致的，都是由剪切位错环发射引起的，且位错成核位置基本一致，只是氦泡内压会促进剪切位错环的发射过程。Shao 等[52]将氦泡和孔洞预置在层裂面附近，探究其对层裂过程和层裂强度的影响，发现层裂面附近的氦泡或孔洞对层裂过程影响的差异较小，当冲击速度较小时，两者都会影响孔洞成核过程并降低层裂强度。基于以上的数值模拟结果，Li 等[53]进一步详细地探究了初始内部含氦泡的金属铜的冲击响应过程。对于具有足够大尺寸和初始压力的氦泡，其周围在未经冲击时就会产生棱柱形位错环，虽然氦泡的初始压力会阻碍其周围的塑性形变，但棱柱形位错环会部分释放，并产生新的剪切位错环和棱柱位错环。而在强冲击作用下，氦泡的初始压力虽然也会一定程度上阻碍射流产生，但是由于气泡的存在会诱导局部熔化，气泡内部最终会形成射流并击破氦泡使其分散到铜内部。图7 显示了不同初始内部结构的样品的响应过程。近自由面附近的氦泡在冲击加载下破碎，并在表面形成铜氦喷射物，相应的性质也与氦泡的尺寸有关。

图6 不同初始结构在冲击加载下形成的内部射流形态[50]Fig. 6 Shape of the internal jet under shock loading with different initial structures[50]

图7 初始加载速度为3 km/s 时不同初始内部结构的样品沿冲击方向的速度分布：(a)～(d)所对应的样品内部含半径r 为3 nm 的氦泡，(e)～(g)所对应的样品内部含半径r 为3 nm 的孔洞，(h)对应的样品内部含半径r 为1.5 nm 的氦泡[53]Fig. 7 Snapshots of velocity maps along the shock direction under the loading condition of 3 km/s: (a)–(d), (e)–(g), and (h) represent the He bubble with r = 3.0 nm, the void with r = 3.0 nm, and the He bubble with r = 1.5 nm in the initial samples, respectively[53]

他们还将初始含氦泡情况与初始含孔洞情况进行了对比，发现氦泡会降低喷射物形成的临界压力，增加喷射物的速度和质量。

近期，Zhou 等[54]探究了含随机氦泡的单晶铝的层裂过程及其微力学机理，分析了其层裂过程与纯单晶铝的区别，发现氦泡能明显降低固态铝的层裂强度，当铝熔化时该影响不明显。Flanagan 等[55]通过在金属铜近自由面附近放置不同形式的氦，探究了氦的浓度和形貌对强冲击加载下样品表面喷射物的影响，结果表明：相比于纯铜，氦的存在增加了喷射物的质量；以氦泡形式放置在自由面下方时，会导致激波与其相互作用并改变激波前沿形状，比以氦原子形式放置时产生更多的喷射物，喷射质量更高。

分子动力学模拟方法的快速发展使得大量关于冲击加载下金属材料内部动态损伤与破坏的工作得以开展，为弄清实验现象、解释相关机理提供了重要的支撑和指导，取得了很多重要突破。然而，在实验和现实应用中样品结构和使用环境更加复杂，是一个多物理尺度问题，现阶段分子动力学模拟仍面临着巨大挑战，需要对相关问题进行持续深入研究。

2 金属材料界面处的动力学破碎现象及其演化规律

除了金属材料内部的微观结构、缺陷会使样品在冲击加载时经历复杂的动态破碎过程外，当冲击波到达金属材料界面时，如果界面附近存在表面缺陷等复杂结构，冲击波也会与其相互作用，导致缺陷结构塌缩破碎、高速粒子飞出等一系列动力学过程，同时伴随微层裂、微喷射等破碎现象。由于局部产生高速、不确定状态的物质碎片，给实验测量、实际应用等造成极大的困难，因此需要对其动力学过程和物理机制开展进一步的研究。

金属材料表面缺陷在与冲击波相互作用时会导致界面处发生复杂的动力学破碎过程。Wang 等[56]详细地研究了三角波加载下含缺陷金属铅的近自由面动力学破碎现象。当三角波到达表面缺陷底部（正弦沟槽）时，一系列稀疏波会从表面发生反射，表面附近的粒子获得很高的速度，因沟槽具有对称性，粒子垂直方向的速度是对称的，而粒子水平方向的速度沿着冲击方向，使得粒子从金属样品表面以较高速度喷出，这也是典型的微喷射现象。然而，由于三角波存在衰减特性，当反射稀疏波与三角波相互作用时，在自由面下产生很大的拉应力，导致自由面下的层裂现象发生，后续在稀疏波和三角波的不断作用下，样品近自由面附近发生逐级破碎，最终使样品基体完全破碎。图8 显示了样品的动力学破碎过程（vx和vz分别为x和z方向的粒子速度），很好地解释了实验上观测到的近自由面破碎现象[57]，为其提供了重要的机理分析和模拟证明。

对于高速度、高压力加载下的动力学现象，冲击条件一直是重要的影响因素。Shao 等[58]模拟分析了表面含沟槽的金属铝在不同冲击压力下表界面处的塌缩破坏现象及其对后续动力学过程的影响，介绍了不同冲击压力导致的沟槽附近的部分熔化、卸载熔化以及冲击熔化等物理过程，解释了熔化导致的微喷质量增加（图9 显示了典型的卸载熔化时微射流的形成过程，图中用中心对称参数表征粒子所处的晶体结构状态，大于32（红色）表示粒子处于无定形状态，小于4（蓝色）表示粒子处于fcc 晶体结构，其余表示粒子处于塑性变形状态），发现表面沟槽与不同强度冲击波的相互作用导致的局部物质状态并不会影响喷射物的最大速度，而不同的熔化状态只会影响射流尾部物质的运动状态。Wu 等[59]在上述工作的基础上进一步论述了加载波形对微喷射动力学过程的影响，并选择熔点较低的金属锡，通过对比三角波和方波两种不同的加载条件，分析了表面含沟槽的金属锡的卸载熔化过程对微喷物质质量的影响，结果表明波形对微喷射流过程有着重要的影响。

除了冲击加载条件，材料表面形貌也是影响其动力学响应的重要因素。Li 等[60]通过建立不同样貌的初始缺陷结构，研究了沟槽角度和初始形状对射流产生及射流性质的影响。分析表明，对于三角形沟槽，射流的最大喷射速度与自由面速度之比随着沟槽角度的增加而减小，而喷射系数则在中间某个角度达到最大值。图10 显示了不同沟槽角度下微喷射流的物质来源[60]。圆柱形沟槽和矩形沟槽都可以看作一系列三角形沟槽的组合，产生的射流也可以看作三角形沟槽产生射流的叠加。此外，晶体结构以及缺陷形状的不确定性都可能导致射流偏转。

图8 三角波加载下含沟槽金属表面动力学破碎过程[56]Fig. 8 Dynamic fracture process of grooved metal surface under unsupported wave loading[56]

图9 卸载熔化时表面微射流产生[58]Fig. 9 Micro-jet formation with release melting[58]

图10 不同沟槽角度下微喷射流的物质来源[60]Fig. 10 Micro-jets and their sources of different half angles[60]

如果沟槽表面在冲击过程中发生复杂的相变过程，则会进一步影响射流的产生。Durand 等[61]探究了相变过程在其中产生的作用，分析了正弦形和三角形两种表面沟槽对微喷射产生过程的影响，结果表明：正弦形沟槽表面由于固-固相变的存在延缓了射流的进一步发展，而三角形沟槽由于波与斜面的相互作用使得局部具有较高温度从而使金属熔化并产生液态射流，该过程也会影响后续射流的破碎过程。

对于表面含缺陷的金属在冲击加载下的性质研究，除了上述所探讨的冲击波与缺陷相互作用导致的基体破碎、微喷射流等现象，很多模拟工作还关注了后续射流的破碎、输运以及混合等问题。Durand 等[62–64]研究了微喷射流破碎的不同阶段及其特征，分析了破碎后团簇的空间分布规律。He等[65–67]分析了冲击强度和沟槽尺寸等因素的影响，详细地展示了不同尺寸的喷射颗粒的分布形式差异。关于微喷射流破碎现象的研究可以参考王裴等[27]的综述。对于破碎颗粒的输运和混合现象，Wu 等[68]针对惰性气体下微喷射流的破碎混合等问题，探讨了不同密度的惰性气体对射流破碎以及破碎后粒子输运过程的影响。分子动力学模拟结果表明，在气动阻力的作用下，微射流出现显著的减速，射流前端的颗粒流也受到抑制。反过来，气体受微喷物质压缩，内部产生透射激波。与此同时，微射流在内部速度梯度的作用下逐步破碎，并与气体发生混合。通过对比不同环境气体中的物质空间密度分布，得到了气粒混合层厚度和密度随气体密度的变化规律。Wu 等[69]则进一步关注了金属材料在可反应气体中的动力学破碎和输运过程及性质。通过分子动力学模拟发现，金属射流和环境氧的快速反应导致射流-气体混合区温度迅速上升，产生更强的气体激波，随后射流在高温高压气体环境中被减速。当喷射颗粒在可反应气体中输运时，化学反应产生的高温环境导致更多原子从颗粒表面蒸发，形成更小的碎片和更多的原子级粒子。该模拟工作也为实验观测提供了全新的视角[70–71]。对于表面含缺陷的样品在强冲击载荷作用下的基体破碎、微喷射流的产生以及真空环境下的破碎过程，相关的分子动力学模拟工作已经取得了重要的突破，很好地解释了实验中观测到的现象，然而对于含气环境下的输运和混合问题，包含颗粒的气动破碎、化学反应等复杂过程，仍然具有极大的挑战性，需要开展后续相关工作。

3 复杂加载条件对金属材料动力学破碎的影响

随着实验探测手段的高速发展，以及对金属材料动力学破碎过程认识的不断深入，人们发现，无论是实验测量，还是工程应用，都存在着复杂的加载过程，这种复杂性不仅体现在多次冲击波的存在，还体现在冲击—卸载—再冲击的复杂加载过程。最新的实验表明，多次加载过程会对材料的性质产生新的影响[9–11,72–73]，不仅影响材料的动态破碎过程，也改变材料的微观结构演化。因此，解决复杂加载过程对实验和工程应用的影响成为重要的科学问题。

Wang 等[74]探究了金属铜在二次冲击加载下的动力学演化过程，建立了二次冲击加载下层裂损伤及再压缩模型，实现了对其宏观性质的统计；他们基于自由面速度曲线、波系分布、动态演化物理图像的分析，给出了动力学演化机制；同时，通过分析层裂区的温度和压力，首次得到了二次冲击加载时局部热力学的演化路径；基于微结构演化分析，还发现了熔化区域再结晶现象，并且最终在层裂损伤区发现了高密度位错残留（如图11 所示），为实验观测到的现象提供了有力的证明[9,72–73]。Wang 等[75]研究了金属铜位错诱导预熔化后的二次屈服现象，分析认为：首次屈服现象是由位错运动引起的，而二次屈服是由位错诱导的预熔化导致的；预熔化现象是由位错间相互作用引起的状态混乱而不是热点引起的，并且伴随着再结晶过程消失；预熔化有助于沿着滑移面滑动，与位错运动一起促进塑性流动。目前，对于复杂加载条件下金属材料动力学行为的分子动力学模拟研究仍相对较少，有待开展进一步的探索。

图11 层裂损伤区的微结构演化Fig. 11 Microstructure evolution of spall damaged region

4 总结与展望

随着计算能力的高速发展，金属材料在强冲击作用下的动态损伤破坏行为及其机理探究取得了一系列重要成果，无论是金属内部微结构的演化过程，还是表界面处动力学破碎演化规律，都为实验探索和工业应用提供了重要的指导，也越来越受到人们的重视。针对目前的研究现状，分子动力学模拟分析依然存在以下难点。

（1）金属材料动力学破碎现象的多尺度模拟。在实际应用中，材料的动力学响应问题是一个跨尺度多物理的动力学过程，现有的分子动力学模拟的时空尺度与实验及应用都存在很大的差别，如何降低分子动力学模拟中时空尺度的限制，有效地结合介观、宏观数值模拟方法，为基础物理模型建立提供帮助，仍然是关注的重点。

（2）气体环境下金属材料的响应、破碎和输运过程。具有复杂界面的金属材料在强冲击下的动力学破碎过程一直是核物理领域的重要问题。在实际应用中，材料所处环境大多为气体环境，而大多数分子动力学模拟结果仍停留在样品与真空环境的相互作用，因此探究金属材料在惰性气体、可反应气体中的响应、破碎以及输运等过程，对于理解前沿实验及应用等具有重要意义。

（3）复杂加载下金属材料的动力学破碎现象。飞速发展的先进诊断技术为探索材料动力学响应的新现象提供了有利的工具，实验过程中存在的复杂加载条件也由此被发现，加载—卸载—再加载等复杂加载路径会导致材料产生不同的响应，需要针对这些新现象和新问题开展分子动力学模拟，从而获得机理性理解和认识。

希望本文能为后续强冲击下金属材料的动力学破碎过程的相关数值模拟研究提供有益的参考。