位錯動力學在極端環境力學中的發展及應用

崔一南，柳占立，胡劍橋，劉鳳仙，莊 茁

（1. 清華大學航天航空學院應用力學實驗室，北京 100086；2. 中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室，北京 100190）

隨著現代科技的發展，越來越多的材料和結構需要在極端環境中服役。金屬材料在高應變率、高溫、高壓等極端條件下的力學行為與常態下有著顯著的區別，變形失效機理非常復雜，給材料在極端條件下服役時的性能評價和安全評估帶來了挑戰。在極端環境下，相關實驗研究往往需要巨大的經費投入，并且仍然顯著受限于時空分辨率，難以解耦復雜影響因素。近些年來，多尺度數值計算方法的迅猛發展為理解極端環境下材料與結構的變形失效機理提供了前所未有的機遇。

如圖1 所示，材料變形和破壞的內在多尺度物理過程可以借助不同時空尺度的計算方法加以研究。通常來說，計算的尺度越小，捕捉的物理過程越完備，但是也意味著更顯著的復雜性，其所能研究的時空尺度也就越小。目前廣泛采用的納觀尺度計算方法主要是分子動力學(Molecular dynamics，MD)模擬方法。該方法將原子看作質點，通過求解牛頓運動方程，獲得系統內所有原子的運動軌跡，基于對大量離散原子運動性質的統計平均得到宏觀意義上的物理量。這一方法能夠從最基本的原子尺度刻畫晶格遷移、缺陷演化等信息，通過大規模原子模擬，探尋材料變形的原子級機理[1-3]。該方法對于揭示缺陷形核及基本相互作用機制等提供了很多有價值的信息。……