鐵沖擊相變的晶向效應(yīng)?

李俊吳強 于繼東 譚葉 姚松林 薛桃 金柯

(中國工程物理研究院流體物理研究所,沖擊波物理與爆轟物理實驗室,綿陽 621900)

鐵沖擊相變的晶向效應(yīng)?

李俊?吳強 于繼東 譚葉 姚松林 薛桃 金柯

(中國工程物理研究院流體物理研究所,沖擊波物理與爆轟物理實驗室,綿陽 621900)

(2017年1月2日收到;2017年4月12日收到修改稿)

采用基于火炮加載的三樣品精細波剖面對比測量,研究了晶向效應(yīng)對鐵彈-塑性轉(zhuǎn)變及體心立方結(jié)構(gòu)(bcc,α相)至六角密排結(jié)構(gòu)(hcp,ε相)相變特性的影響.觀測到單晶鐵異常的彈-塑性轉(zhuǎn)變行為,這與基于位錯密度描述的黏塑性本構(gòu)模型計算結(jié)果相符,對應(yīng)的Hugoniot彈性極限δHEL均大于6 GPa,且具有晶向相關(guān)性,即δ111HEL＞δ110HEL＞δ100HEL;系統(tǒng)獲取了相變起始壓力PPT晶向相關(guān)性的實驗數(shù)據(jù),[100],[110]和[111]晶向的PPT實測值分別為13.89±0.57 GPa,14.53±0.53 GPa,16.05±0.67 GPa,其變化規(guī)律與非平衡分子動力學(xué)計算結(jié)果相符.上述結(jié)果揭示出沖擊壓縮下單晶鐵存在塑性與相變微觀機理的強耦合,為完善用于沖擊實驗描述的相場動力學(xué)模型提供了重要的實驗支撐.

相變,彈-塑性轉(zhuǎn)變,晶向效應(yīng),鐵

1 引 言

作為地球內(nèi)、外核的主要成分和工業(yè)領(lǐng)域重要的應(yīng)用材料,鐵在高溫高壓下呈現(xiàn)出多種物相結(jié)構(gòu),包括α相(體心立方,bcc),γ相(面心立方,fcc), ε相(六角密排,hcp),以及一些可能存在但尚未確定的相結(jié)構(gòu)[1].因此,鐵在高溫高壓下的物性和相結(jié)構(gòu)特性(包括物態(tài)方程、固-液熔化、固-固相變等)一直是高壓物理領(lǐng)域的研究熱點,不僅有助于深化我們對地球、天體物理的認識,而且有助于推動材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、高壓物理等學(xué)科的發(fā)展.鐵從體心立方結(jié)構(gòu)至六角密排結(jié)構(gòu)的相變行為是研究最早、最廣泛的例子.自1956年Minshall等[2,3]首次在沖擊壓縮條件下發(fā)現(xiàn)鐵多型相變,開辟沖擊相變研究的新方向以來,人們已開展了大量相關(guān)的實驗研究和理論探索,獲取了相結(jié)構(gòu)、相變序列和相界等信息[4-6],還觀測到與動力學(xué)有關(guān)的非平衡相變特征[7-24].但是由于缺乏更為系統(tǒng)、深入的實驗診斷和數(shù)值模擬能力,對相變動力學(xué)微觀物理機理及影響因素(如初始溫度、壓力幅度、加載速率、單晶晶向等如何影響相變波剖面細觀特征及轉(zhuǎn)變速率)僅有一些初步的認識,且仍然存在爭議.其中,鐵沖擊相變的晶向效應(yīng)是近年來人們關(guān)注較多且有待澄清的基本科學(xué)問題之一.

鐵的晶向效應(yīng)研究始于2002年Kadau等[14-16]的報道,他們利用百萬原子量級的非平衡分子動力學(xué)模擬(NEMD)研究不同晶向鐵在相變過程中雙波結(jié)構(gòu)的形成以及相變成核的微觀特征.研究發(fā)現(xiàn),相變壓力與單晶鐵的晶向密切相關(guān),即沿[100],[110],[111]晶向的相變閾值壓力分別為15,17,20 GPa;且不同晶向的相轉(zhuǎn)變路徑及機理也存在差異,即[100]晶向為有序轉(zhuǎn)變,高壓相為hcp結(jié)構(gòu),相變主導(dǎo)機理為相鄰原子的馬氏體轉(zhuǎn)變(母相與子相有固定的晶體取向關(guān)系),對應(yīng)渡越時間約為50 ps,而[110],[111]晶向的轉(zhuǎn)變則存在大量fcc亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),相轉(zhuǎn)變的渡越時間更長.后來,王昆等[17]、盧志鵬等[18]在計算中進一步考慮了塑性變形與相轉(zhuǎn)變過程的耦合,得到沿[001],[110]和[111]晶向的相變壓力分別為18.0,22.3,23.8 GPa,并認為Kadau等NEMD模擬中出現(xiàn)fcc亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)有可能是勢函數(shù)造成的一種假象.不難看出,上述理論計算預(yù)測了單晶鐵相變特性及其微觀機理的差異,但仍有認識分歧,需要實驗數(shù)據(jù)給予證實.但有關(guān)單晶鐵的沖擊實驗數(shù)據(jù)少有報道.2009年Jensen等[21]曾開展了沖擊加載下[100]晶向單晶鐵的相變動力學(xué)研究,實驗證實了單晶鐵與多晶鐵相變壓力閾值的差異,獲取[100]晶向鐵α→ε相變起始壓力為14.26 GPa,高于多晶鐵(實測值為12.89 GPa).同時,他們利用基于反向碰撞法(即樣品作為飛片直接撞擊窗口)的波剖面測量,觀測到α→ε相轉(zhuǎn)變的遲滯特征,且渡越時間隨碰撞壓力呈非線性變化趨勢,從碰撞壓力在相變壓力附近的百納秒量級降低至18—20 GPa壓力范圍的亞納秒量級.

由此可見,目前對于鐵沖擊相變的晶向效應(yīng)研究尚缺乏系統(tǒng)性、規(guī)律性的認識,塑性變形如何影響相變特性?不同晶向的動態(tài)響應(yīng)和相變機理是否存在差異(如[110]和[111]晶向的轉(zhuǎn)變是否涉及NEMD模擬預(yù)測的亞穩(wěn)態(tài)相)?針對這些問題還需開展更深入的研究工作.鑒于此,本文從單晶鐵的精細相變波剖面和相變起始壓力測量著手,將其作為甄別單晶鐵晶向效應(yīng)的第一步,系統(tǒng)地研究了[100],[110]和[111]晶向單晶鐵的彈-塑性轉(zhuǎn)變及相變動力學(xué)行為,為驗證單晶鐵沖擊相變的晶向相關(guān)性、分析相變微觀機理提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)支撐.

2 實驗方法

作為認識沖擊相變的重要實驗手段,精細波剖面測量可以提取相變壓力、轉(zhuǎn)變速率等重要信息.為此,單晶鐵沖擊實驗采用了基于三樣品對比法的波剖面測量,這種方法不僅可以保證實驗加載條件的一致性,以更清楚地區(qū)分晶向效應(yīng)的影響,而且可以有效地節(jié)約實驗發(fā)數(shù),提高實驗耗費比.

實驗裝置及測試系統(tǒng)如圖1所示,采用火炮加載方式(可控彈速范圍0.3—1.5 km/s)進行一維平面沖擊加載.實驗所用飛片和窗口均為z切藍寶石(Al2O3)單晶圓片,表面經(jīng)光學(xué)拋光處理;單晶鐵樣品由德國MaTeck公司提供,包括[100],[110]和[111]三個晶向,由分子束外延法生長,純度大于99.98%,樣品圓片采用高功率激光束切割而成,晶向角偏差小于0.5°,表面粗糙度小于30 nm.實驗中各部件的名義尺寸列于表1中,確保在有效觀測時間內(nèi)界面測量區(qū)域不受樣品邊側(cè)稀疏波和飛片后界面追趕稀疏波的影響.測試系統(tǒng)包括多普勒光探針(DPS)和全光纖式激光干涉速度測量儀(DISAR)兩部分,其中安裝于靶前端面的DPS用于直接測量飛片速度w和擊靶到達時刻t1,其速度測量相對不確定度小于0.5%.DISAR測試系統(tǒng)用于測量不同晶向單晶鐵樣品/z切Al2O3單晶窗口的界面速度歷史,即當(dāng)沖擊波到達樣品后端面時由于界面運動導(dǎo)致多普勒頻移的發(fā)生,入射激光(中心波長1550 nm)與反射激光發(fā)生頻域調(diào)制,解讀頻移信號即可得出樣品的粒子速度,測試系統(tǒng)的時間分辨率可達50 ps,空間分辨率約為100μm.

表1 實驗各部件的名義尺寸Table 1.The nominal sizes of the experimental parts.

圖1 單晶鐵沖擊實驗裝置及測試框圖Fig.1.Experimental assembly and in-situ diagnostic of single crystal iron under shock compression.

圖2 沖擊相變測量原理 (a)相變波剖面示意圖;(b)波系相互作用分析Fig.2.Shock Hugoniot measurement for the shockinduced phase transformation：(a)Schematic of wave pro fi le;(b)interaction analysis for shock wave.

對于發(fā)生沖擊相變時的多波而言,Hugoniot狀態(tài)的確定需要考慮波系的相互作用.圖2(a)為典型的沖擊相變波剖面,包含彈性前驅(qū)波(PEL波)、塑性波(P1波)和相變波(P2波),其中PEL波波速大于P1波,P1波波速大于P2波.PEL波與P1波的相互作用過程如圖2(b)所示,根據(jù)波的傳播特性(設(shè)定傳播方向從左向右),首先右行的PEL波到達樣品/窗口界面后(t2時刻),會反射回一個左行的稀疏波(波速為c1)并與隨后的P1波迎面相遇,造成P1波強度略微下降.與此同時,又再次反射回一個右行的稀疏波(波速為c2),其傳至界面后繼續(xù)反射,以此反復(fù)形成復(fù)雜波系.根據(jù)文獻[9,10],不考慮PEL波引起的熵增變化,反射波作為彈性波處理,在實驗室坐標(biāo)系下可得P1波波速US1為

式中uEL為PEL波界面粒子速度,t1為擊靶時刻,h為樣品厚度,Δh為界面在時間內(nèi)移動的距離.通常情況下,沖擊相變發(fā)生時彈性波的壓力幅值會遠小于塑性波,且彈-塑性轉(zhuǎn)變過程極快,即 (1)式中由此可將PEL波波速cl,P1波波速US1和P2波波速US2寫為

式中uP1為P1波界面粒子速度,t2,t3和t′3分別為PEL波、P1波和P2波到達時刻.再利用Rankine-Hugoniot方程,可得

式中ρ0為樣品初始密度,下標(biāo)HEL表示Hugoniot彈性極限,下標(biāo)PT表示相變點,PPT為相變起始壓力.特別需要指出的是,由于波系相互作用,相變發(fā)生時會伴有母相殘余,使實測波剖面中P1波與P2波之間的上升沿發(fā)生展寬,對于平衡相變過程(即uP1穩(wěn)定)可采用切線法確定t′3,而對于非平衡相變過程,這樣的處理會帶來較大偏差.

3 結(jié)果與討論

在中國工程物理研究院流體物理研究所的37 mm口徑火炮上,進行2發(fā)單晶鐵(含多晶鐵)的三樣品對比實驗.圖3是典型的實驗結(jié)果,可見擊靶前飛片的運動速度為一個恒定值(871 m/s),確保了加載狀態(tài)的穩(wěn)定.實測界面速度剖面的精細特征均記錄完備,其中PEL波展現(xiàn)出極高的粒子速度幅值及松弛特性,P1波則反映出與動力學(xué)相關(guān)的速度回跳特征,在后續(xù)章節(jié)中我們將做進一步分析和討論.利用(3)式和(4)式獲取的單晶鐵Hugoniot彈性極限和相變起始壓力實測值列于表2中,在所有實驗壓力范圍內(nèi)z切Al2O3單晶窗口均為彈性響應(yīng)且具有良好沖擊透明性,1550 nm波長對應(yīng)的速度折射率修正因子為1.744[25].

圖3 鐵的多樣品比對實驗結(jié)果 (a)飛片擊靶速度;(b)Fe/Al2O3界面速度剖面Fig.3.One-shot experimental results for contrasting three-independent iron samples：(a)Impact velocity for fl yer; (b)shock-wave pro fi les from all Fe/Al2O3interfaces.

表2 單晶鐵沖擊Hugoniot實驗結(jié)果Table 2.Shock Hugoniot data of single-crystal iron.

3.1 彈-塑性轉(zhuǎn)變與動態(tài)屈服

圖4所示為實測波剖面中不同晶向單晶鐵及多晶鐵的彈性前驅(qū)波部分,其中x軸已作歸一化處理(為時間t與樣品厚度h的比值).從圖中不難看出,與多晶鐵不同的是,在單晶鐵中可以觀測到明顯的彈性波傳播以及彈-塑性轉(zhuǎn)變的應(yīng)力松弛現(xiàn)象,即彈性前驅(qū)波的加載應(yīng)力先很快上升到暫穩(wěn)態(tài),然后逐漸松弛至準(zhǔn)平衡態(tài).上述現(xiàn)象在Jensen等[21]的[100]晶向單晶鐵波剖面中并沒有觀測到,但是在高強度脆性晶體材料(如氯化鉀、硫化鎘)實驗中曾有類似報道,并使沖擊條件下相變和塑性的相互作用變得更為復(fù)雜.同時,單晶鐵的彈性響應(yīng)表現(xiàn)為各向異性,PEL波的粒子速度幅值為[100]晶向最大,[110]晶向次之,[111]晶向最小;結(jié)合樣品厚度和到達時刻確定的波速則是[111]晶向最大,[110]晶向次之,[100]晶向最小;由此獲取三個晶向單晶鐵的Hugoniot彈性極限δHEL均大于6 GPa(表2).可見,單晶鐵在沖擊加載下有較高的屈服強度,遠大于多晶鐵(實驗值約1.3 GPa),接近于理論計算的極限.這一觀點也能夠得到Hawreliak等[26]的動態(tài)X射線衍射實驗數(shù)據(jù)的佐證,他們觀測到[001]晶向單晶鐵在沖擊壓力5.4 GPa時晶格響應(yīng)仍為單一軸向壓縮,僅有(001)bcc晶面發(fā)生了約4.1%的縮短,與我們的波剖面測量結(jié)果是符合的.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)單晶鐵速度剖面比較(彈-塑性轉(zhuǎn)變部分)Fig.4.(color online)Comparison of the wave pro fi les in single crystal iron(part of elastic-plastic deformation).

進一步對單晶鐵彈-塑性轉(zhuǎn)變的物理機理進行分析,圖5所示為不同晶向單晶鐵彈性前驅(qū)波的數(shù)值模擬結(jié)果.計算采用了文獻[27,28]中提出的位錯密度描述的黏塑性本構(gòu)模型,不同晶向的沖擊加載則選用同一輸入?yún)?shù),通過旋轉(zhuǎn)剛度矩陣實現(xiàn).圖中除[111]晶向的粒子速度幅值略有差異之外,三個晶向彈性前驅(qū)波的實測值與模擬結(jié)果在波速及回跳特征上符合較好.結(jié)果表明,針對三個不同晶向,剛度矩陣在加載方向(計算中為x軸)的分量存在關(guān)系即三個晶向彈性前驅(qū)波波速也與之對應(yīng),實驗與計算曲線均合理地體現(xiàn)了各向異性特征.不同晶向速度回跳的差異反映出彈-塑性轉(zhuǎn)變應(yīng)力松弛的晶向相關(guān)性,其應(yīng)力松弛的強度會受彈性模型和Schmid因子共同影響,即同一厚度下彈性模量越大,位錯演化的耗散能越大,應(yīng)力松弛越快;同時Schmid因子越大,滑移系越易于啟動.以[100]和[110]晶向為例,雖然沿加載方向的Schmid因子相同,但[110]晶向的彈性模量更大,使其應(yīng)力松弛更強,則對應(yīng)的Hugoniot彈性極限拐點更低.

圖5 不同晶向單晶鐵彈性波實驗與數(shù)值模擬的比較(a)[100]晶向;(b)[110]晶向;(c)[111]晶向Fig.5.Comparison of the experimental results and the numerical simulation results for the elastic wave in single crystal iron：(a)[100]orientation;(b)[110] orientation;(c)[111]orientation.

圖6為實測單晶鐵彈性前驅(qū)波的波速-粒子速度關(guān)系.對于[100]晶向,彈性前驅(qū)波實測值與Jensen等[21]報道中的理論預(yù)測線完全符合,而在文獻[21]實測波剖面中未能觀測到彈性前驅(qū)波的原因可能與VISAR測量精度及數(shù)據(jù)處理方法有關(guān).對于[110]晶向和[111]晶向,實測數(shù)據(jù)與Kadau等[14-16]NEMD模擬中低壓區(qū)彈性壓縮曲線是符合的,且三個晶向彈性響應(yīng)的基本變化規(guī)律也與之一致,從大到小順序依次為[111]晶向、[110]晶向、[100]晶向.綜上所述,我們通過波剖面測量首次觀測到單晶鐵中異于多晶鐵的高強度動態(tài)屈服現(xiàn)象,極大的δHEL會不可避免地帶來沖擊相變與塑性的微觀機理耦合,因而在NEMD計算中如何考慮和準(zhǔn)確反映這一特征,是正確預(yù)測和理解鐵α→ε相變過程中是否存在亞穩(wěn)態(tài)fcc相以及晶向相關(guān)性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題之一.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)實測單晶鐵彈性波波速-粒子速度Fig.6.(color online)Plots of the measured elastic wave velocity vs.the particle velocity for single crystal iron.

3.2 沖擊相變與晶向效應(yīng)

圖7為實測波剖面中不同晶向單晶鐵及多晶鐵的塑性波部分,包括P1波和P2波.與彈性前驅(qū)波相似,單晶鐵的相轉(zhuǎn)變過程也表現(xiàn)出顯著的晶向相關(guān)性,對應(yīng)α→ ε相變起始點的粒子速度為[111]晶向最大,[110]晶向次之,[100]晶向最小,由此得到的相變起始壓力-粒子速度(PPT-up)關(guān)系如圖8所示.可見,實驗測得[100]晶向單晶鐵和多晶鐵的PPT值分別為13.89±0.57 GPa和13.30±0.37 GPa,與文獻[21]的實驗結(jié)果(14.26± 0.14 GPa和12.89±0.15 GPa)相符;[110]晶向和[111]晶向的PPT實測值則為14.53±0.53 GPa和16.05±0.67 GPa,由此反映了單晶鐵沖擊相變的晶向相關(guān)性,其變化規(guī)律也與Kadau等[14-16]及王昆等[17]的NEMD計算結(jié)果相符合,但實測值更低.

此外,圖7中P1至P2波的轉(zhuǎn)變均有顯著的速度回跳特征,反映了相變動力學(xué)效應(yīng)(主導(dǎo)因素為相變動力學(xué)系數(shù))對波剖面演化的影響.從其微觀機理來看,相變過程中成核點處新相的生長將伴隨對周圍亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域的卸載作用,即成核點的生長抑制周圍潛在成核點的生長,在相場模型中卸載作用的強弱由動力學(xué)系數(shù)決定,相同相變驅(qū)動力作用下,相邊界速度越快(動力學(xué)系數(shù)越大),卸載作用越強,成核點生長對周圍亞穩(wěn)區(qū)域的卸載作用將帶來成核密度及分布的變化.根據(jù)Smith等[22]的研究,可基于相變過程粒子速度的回跳獲取α→ε相轉(zhuǎn)變速率圖9為相變起始壓力隨相轉(zhuǎn)變速率的變化.可以清楚地看到,多晶鐵的實驗結(jié)果與Barker等[29]的沖擊實驗數(shù)據(jù)一致,均滿足線性變化關(guān)系σα→ε=10.8+0.55ln單晶鐵的實驗結(jié)果則明顯高于多晶鐵,且具有晶向相關(guān)性,即

圖7 (網(wǎng)刊彩色)單晶鐵速度剖面比較(相變部分)Fig.7.(color online)Comparison of the wave pro fi les in single crystal iron(part of phase transformation).

圖8 (網(wǎng)刊彩色)實測單晶鐵相變壓力-粒子速度Fig.8.(color online)Plots of the measured phasetransition onset pressure vs.the particle velocity for single crystal iron.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)相變起始壓力隨相轉(zhuǎn)變速率的變化Fig.9.(color online)Plots of the onset pressure of phase transition vs.the strain-rate associated with the phase transition for single crystal iron.

4 結(jié) 論

本文開展了沖擊載荷下單晶鐵α→ ε相變特性研究,通過精細波剖面測量獲取了晶向效應(yīng)([100],[110]和[111]晶向)對塑性和相變特性影響的直接實驗數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論.

1)首次觀測到單晶鐵異于多晶鐵的高強度屈服行為,這與基于連續(xù)位錯動力學(xué)模型的數(shù)值模擬結(jié)果相符,獲取單晶鐵的Hugoniot彈性極限均大于6 GPa且具有晶向相關(guān)性,即上述結(jié)果為認識單晶鐵塑性響應(yīng)與沖擊相變微觀機理的耦合提供了基礎(chǔ)實驗依據(jù),因而在NEMD計算中對其進行正確描述有助于回答鐵bcc到hcp結(jié)構(gòu)相變起源以及亞穩(wěn)態(tài)fcc相的爭論.

2)獲取[100]晶向、[110]晶向和[111]晶向的相變起始壓力分別為13.89,14.53,16.05 GPa,其晶向相關(guān)性變化規(guī)律與NEMD計算結(jié)果符合,但實測值更低.同時,基于波剖面中相變波的速度回跳得到的單晶鐵α→ε相轉(zhuǎn)變速率高于多晶鐵且具有晶向相關(guān)性,反映了相變動力學(xué)主導(dǎo)因素(即相變動力學(xué)系數(shù))對波剖面演化的影響.上述結(jié)果為發(fā)展和完善用于沖擊實驗描述的相場動力學(xué)模型[30]提供了重要的實驗支撐.

[1]Saxena S K,Shen G,Lazor P 1993 Science 260 1312

[2]Minshall S 1955 J.Appl.Phys.26 463

[3]Bancraft D,Peterson E L,Minshall S 1956 J.Appl.Phys.27 291

[4]Saxena S K,Dubrovinsky L S,H?ggkvist P,Cerenius Y,Shen G,Mao H K 1995 Science 269 1703

[5]Belonoshko A B,Dorogokupets P I,Johansson B,Saxena S K,Ko?i L 2008 Phys.Rev.B 78 104107

[6]Tateno S,Hirose K,Ohishi Y,Tatsumi Y 2010 Science 330 359

[7]Crowhurst J C,Reed B W,Armstrong M R,Radousky H B,Carter J A,Swift D C,Zaug J M,Minich R W, Teslich N E,Kumer M 2014 J.Appl.Phys.115 113506

[8]Ma Y Z,Selvi E,Levitas V I,Hashemi J 2006 J.Phys.Condens.Matter 18 1075

[9]Johnson P C,Stein B A,Davis R S 1962 J.Appl.Phys.33 557

[10]Zaretsky E B 2009 J.Appl.Phys.106 023510

[11]Merkel S,Liermann H P,Miyagi L 2013 Acta.Materialia 61 5144

[12]Lu Z P,Zhu W J,Liu S J,Lu T C,Chen X R 2009 Acta Phys.Sin.58 2083(in Chinese)[盧志鵬,祝文軍,劉紹軍,盧鐵城,陳向榮2009物理學(xué)報58 2083]

[13]Shao J L,He A M,Qin C S,Wang P 2009 Acta Phys. Sin.58 5610(in Chinese)[邵建立,何安民,秦承森,王裴2009物理學(xué)報58 5610]

[14]Kadau K,Germann T C,Lomdahl P S,Holian B L 2002 Science 296 1681

[15]Kadau K,Germann T C,Lomdahl P S,Holian B L 2005 Phys.Rev.B 72 064210

[16]Kadau K,Germann T C,Lomdahl P S,Albers R C, Wark J S,Higginbotham A,Holian B L 2007 Phys.Rev. Lett.98 135701

[17]Wang K,Xiao S F,Deng H Q,Zhu W J,Hu W Y 2014 Int.J.Plast.59 180

[18]Lu Z P,Zhu W J,Lu T C,Wang W Q 2014 Modelling Simul.Sci.Eng.22 025007

[19]Ma W,Zhu W J,Zhang Y L,Jing F Q 2011 Acta Phys. Sin.60 066404(in Chinese)[馬文,祝文軍,張亞林,經(jīng)福謙2011物理學(xué)報60 066404]

[20]Shao J L,Qin C S,Wang P 2009 Acta Phys.Sin.58 1936(in Chinese)[邵建立,秦承森,王裴 2009物理學(xué)報58 1936]

[21]Jensen B J,Gray III G T,Hixson R S 2009 J.Appl. Phys.105 103502

[22]Smith R F,Eggert J H,Swift D C,Wang J,Du ff y T S,Braun D G,Rudd R E,Reisman D B,Davis J P, Knudson M D,Collins G W 2013 J.Appl.Phys.114 223507

[23]Yaakobi B,Boehly T R,Meyerhofer D D,Collins T J 2005 Phys.Rev.Lett.95 075501

[24]Kalantar D H,Belak J F,Collins G W,Colvin J D,Davis H M,E ff ert J H,Germann T C,Hawreliak J,Holian B L,Kadau K,Lomdahl P S,Lorenzana H E,Meyers M A,Rosolankova K,Schneider M S,Sheppard J,St?lken J S,Wark J S 2005 Phys.Rev.Lett.95 075502

[25]Cao X X,Li J B,Li J,Li X H,Xu L,Wang Y,Zhu W J, Meng C M,Zhou X M 2014 J.Appl.Phys.116 093516

[26]Hawreliak J A,El-Dasher B,Lorenzana H 2011 Phys. Rev.B 83 144114

[27]Krasnikov V S,Mayer A E,Yalovets P A 2011 Int.J. Plast.27 1294

[28]Mayer A E,Khishchenko K V,Levashov P R,Mayer P N 2013 J.Appl.Phys.113 193508

[29]Barker L M,Hollenbach R E 1974 J.Appl.Phys.45 4872

[30]Yu J D,Wang W Q,Wu Q 2012 Phys.Rev.Lett.109 115701

PACS:62.50.Ef,61.50.Ks,64.70.kd DOI:10.7498/aps.66.146201

Orientation e ff ect of alpha-to-epsilon phase transformation in single-crystal iron?

Li Jun?Wu Qiang Yu Ji-Dong Tan Ye Yao Song-Lin Xue Tao Jin Ke
(Laboratory for Shock Wave Detonation Physics Research,Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900,China)

2 January 2017;revised manuscript

12 April 2017)

The dynamic response of iron,especially the phase transformation from the ambient body-centered-cubic(bcc) α-phase to the hexagonal-closed packed(hcp)ε-phase,has been studied extensively in the last 60 years due to its importance in industry and its role as a main constituent of Earth.Recently,this topic has attracted a lot of attention in the aspects of the kinetic characteristics and mechanism of the shock-induced α? ε phase transition,including orientation-,temperature-,time-and strain rate-dependences.But only a few data have been published on the crystal orientation e ff ect.The systematic experimental results to identify the predictions of the non-equilibrium molecular dynamics(NEMD)simulation are still lacking.For this reason,we study the shock responses of the[100],[110]and [111]orientated iron single crystals by using a three-independent-sample method in one shot.Unlike previously reported [001]single-crystal iron,a clear three-wave structure consisting of a PELwave(elastic wave),a P1wave(plastic wave) and a P2wave(phase transition wave)is observed in the measured wave pro fi les for all single-crystal iron samples. The elastic-plastic transition process is in accordance with the numerical simulation of dislocation-based constitutive model for visco-plastic deformation.It is found that the values of Hugoniot elastic limit δHEL(δ111HEL＞δ110HEL＞δ100HEL) are greater than 6 GPa and dependent on the initial crystal orientation.Such a high yield strength is consistent with the nanosecond X-ray di ff raction of[001]single-crystal iron where the uniaxial compression of the lattice has been observed at a shock pressure of about 5.4 GPa.Moreover,the onset pressures PPTfor the α→ε phase transition are obtained to be 13.89±0.57 GPa,14.53±0.53 GPa and 16.05±0.67 GPa along the[100],[110],and[111]directions, respectively.Based on these results,it is concluded that the crystal orientation e ff ect of PPTis consistent with the reported NEMD calculations.However,the measured values are lower.In addition,the transition strain-ratio of singlecrystal iron is found to be higher than that of polycrystalline iron,re fl ecting the in fl uence of the transformation kinetics (i.e.,transformation kinetics coefficient)on the wave pro fi le evolution.Our observations indicate that the strong coupling between plasticity and phase transition in single crystal iron might be a key point for understanding the origin of the phase transition and also for ending the controversy of metastable γ-phase.The fi ne multi-wave pro fi les also provide an important experimental reference for improving the phase field modeling of shock-induced phase transition.

phase transformation,elastic-plastic deformation,orientation dependence,single-crystal iron

:62.50.Ef,61.50.Ks,64.70.kd

10.7498/aps.66.146201

?國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：11602251,11302202)和科學(xué)挑戰(zhàn)專項(批準(zhǔn)號：TZ2016001)資助的課題.

?通信作者.E-mail：lijun102@caep.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11602251, 11302202)and the Science Challenge Project,China(Grant No.TZ2016001).

?Corresponding author.E-mail：lijun102@caep.cn