Large-scale molecular dynamics (MD) simulations were carried out to investigate the shock-induced evolution of microstructure in Fe-based systems comprising single-crystal and layered Cu/Fe alloys with a distribution of interfaces. The shock compression of pure single-crystal Fe oriented along [110] above a threshold pressure results in a BCC (α) → HCP (ɛ) phase transformation behavior that generates a distribution of ε phase variants in the phase transformed region of the microstructure behind the shock front. The propagation of the release wave through a phase transformed ε phase causes a reverse ɛ → α phase transformation and renders a distribution of twins for the [110] oriented Fe that serve as void nucleation sites during spall failure. The simulations reveal that the α → ɛ → α transformation-induced twinning for shock loading along the [110] direction is due to a dominant ɛ phase variant formed during compression that rotates on the arrival of the release wave followed by a reverse phase transformation to twins in the α phase. The modifications in the evolution of the ɛ phase variants and twins in Fe behavior are also studied for Cu–Fe layered microstructures due to the shock wave interactions with the Cu/Fe interfaces using a newly constructed Cu–Fe alloy potential. The MD simulations suggest that interfaces affect the observed variants during shock compression and, hence, distributions of twins during shock release that affects the void nucleation stresses in the Fe phase of Cu/Fe microstructures.

1.
R. F.
Zhang
,
J.
Wang
,
I. J.
Beyerlein
,
A.
Misra
, and
T. C.
Germann
,
Acta Mater.
60
,
2855
(
2012
).
2.
N.
Li
,
M.
Nastasi
, and
A.
Misra
,
Int. J. Plast.
32–33
,
1
(
2012
).
3.
W.
Han
,
M. J.
Demkowicz
,
N. A.
Mara
,
E.
Fu
,
S.
Sinha
,
A. D.
Rollett
,
Y.
Wang
,
J. S.
Carpenter
,
I. J.
Beyerlein
, and
A.
Misra
,
Adv. Mater.
25
,
6975
(
2013
).
4.
W. Z.
Han
,
E. K.
Cerreta
,
N. A.
Mara
,
I. J.
Beyerlein
,
J. S.
Carpenter
,
S. J.
Zheng
,
C. P.
Trujillo
,
P. O.
Dickerson
, and
A.
Misra
,
Acta Mater.
63
,
150
(
2014
).
5.
B. M.
Clemens
,
H.
Kung
, and
S. A.
Barnett
,
MRS Bull.
24
,
20
(
1999
).
6.
S. J.
Zinkle
and
J. T.
Busby
,
Mater. Today
12
,
12
(
2009
).
7.
Y.
Chen
,
Y.
Liu
,
C.
Sun
,
K. Y.
Yu
,
M.
Song
,
H.
Wang
, and
X.
Zhang
,
Acta Mater.
60
,
6312
(
2012
).
8.
Y.
Chen
,
E.
Fu
,
K.
Yu
,
M.
Song
,
Y.
Liu
,
Y.
Wang
,
H.
Wang
, and
X.
Zhang
,
J. Mater. Res.
30
,
1300
(
2015
).
9.
R. F.
Zhang
,
T. C.
Germann
,
J.
Wang
,
X.-Y.
Liu
, and
I. J.
Beyerlein
,
Scr. Mater.
68
,
114
(
2013
).
10.
L. F.
Zeng
,
R.
Gao
,
Q. F.
Fang
,
X. P.
Wang
,
Z. M.
Xie
,
S.
Miao
,
T.
Hao
, and
T.
Zhang
,
Acta Mater.
110
,
341
(
2016
).
11.
L.
Lu
,
C.
Huang
,
W.
Pi
,
H.
Xiang
,
F.
Gao
,
T.
Fu
, and
X.
Peng
,
Comput. Mater. Sci.
143
,
63
(
2018
).
12.
J.
Zhou
,
R. S.
Averback
, and
P.
Bellon
,
Acta Mater.
73
,
116
(
2014
).
13.
S. J.
Fensin
,
E. K.
Walker
,
E. K.
Cerreta
,
C. P.
Trujillo
,
D. T.
Martinez
, and
G. T.
Gray
,
J. Appl. Phys.
118
,
235305
(
2015
).
14.
J.
Chen
,
S. N.
Mathaudhu
,
N.
Thadhani
, and
A. M.
Dongare
,
Materialia
5
,
100192
(
2019
).
15.
J.
Chen
,
S. N.
Mathaudhu
,
N.
Thadhani
, and
A. M.
Dongare
,
Sci. Rep.
10
,
208
(
2020
).
16.
S. J.
Fensin
,
E. K.
Cerreta
,
G. T.
Gray
 III
, and
S. M.
Valone
,
Sci. Rep.
4
,
5461
(
2015
).
17.
R. F.
Zhang
,
J.
Wang
,
I. J.
Beyerlein
, and
T. C.
Germann
,
Scr. Mater.
65
,
1022
(
2011
).
18.
J.
Wang
,
R. F.
Zhang
,
C. Z.
Zhou
,
I. J.
Beyerlein
, and
A.
Misra
,
Int. J. Plast.
53
,
40
(
2014
).
19.
R. F.
Zhang
,
T. C.
Germann
,
X.-Y.
Liu
,
J.
Wang
, and
I. J.
Beyerlein
,
Acta Mater.
79
,
74
(
2014
).
20.
N. A.
Mara
and
I. J.
Beyerlein
,
J. Mater. Sci.
49
,
6497
(
2014
).
21.
A.
Misra
,
J. P.
Hirth
, and
R. G.
Hoagland
,
Acta Mater.
53
,
4817
(
2005
).
22.
J.
Wang
and
A.
Misra
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
15
,
20
(
2011
).
23.
I. J.
Beyerlein
,
M. J.
Demkowicz
,
A.
Misra
, and
B. P.
Uberuaga
,
Prog. Mater. Sci.
74
,
125
(
2015
).
24.
N. A.
Mara
and
I. J.
Beyerlein
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
19
,
265
(
2015
).
25.
I. J.
Beyerlein
,
J. R.
Mayeur
,
R. J.
McCabe
,
S. J.
Zheng
,
J. S.
Carpenter
, and
N. A.
Mara
,
Acta Mater.
72
,
137
(
2014
).
26.
E.
Raeker
,
M.
Powers
, and
A.
Misra
,
Sci. Rep.
10
,
17775
(
2020
).
27.
S.
Mahajan
,
Phys. Status Solidi A
2
,
217
(
1970
).
28.
S.
Mahajan
and
A. F.
Bartlett
,
Acta Metall.
19
,
1111
(
1971
).
29.
J. W.
Christian
and
S.
Mahajan
,
Prog. Mater. Sci.
39
,
1
(
1995
).
30.
L. E.
Murr
,
M. A.
Meyers
,
C.-S.
Niou
,
Y. J.
Chen
,
S.
Pappu
, and
C.
Kennedy
,
Acta Mater.
45
,
157
(
1997
).
31.
L. M.
Hsiung
and
D. H.
Lassila
,
Acta Mater.
48
,
4851
(
2000
).
32.
L. E.
Murr
and
E. V.
Esquivel
,
J. Mater. Sci.
39
,
1153
(
2004
).
33.
J. N.
Florando
,
N. R.
Barton
,
B. S.
El-Dasher
,
J. M.
McNaney
, and
M.
Kumar
,
J. Appl. Phys.
113
,
083522
(
2013
).
34.
C. Q.
Chen
,
J. N.
Florando
,
M.
Kumar
,
K. T.
Ramesh
, and
K. J.
Hemker
,
Acta Mater.
69
,
114
(
2014
).
35.
J. N.
Florando
,
B. S.
El-Dasher
,
C.
Chen
,
D. C.
Swift
,
N. R.
Barton
,
J. M.
McNaney
,
K. T.
Ramesh
,
K. J.
Hemker
, and
M.
Kumar
,
AIP Adv.
6
,
045120
(
2016
).
36.
R. F.
Smith
,
J. H.
Eggert
,
D. C.
Swift
,
J.
Wang
,
T. S.
Duffy
,
D. G.
Braun
,
R. E.
Rudd
,
D. B.
Reisman
,
J.-P.
Davis
, M. D. Knudson, and G. W. Collins,
J. Appl. Phys.
114
,
223507
(
2013
).
37.
L. M.
Barker
and
R. E.
Hollenbach
,
J. Appl. Phys.
45
,
4872
(
1974
).
38.
J. C.
Crowhurst
,
B. W.
Reed
,
M. R.
Armstrong
,
H. B.
Radousky
,
J. A.
Carter
,
D. C.
Swift
,
J. M.
Zaug
,
R. W.
Minich
,
N. E.
Teslich
, and
M.
Kumar
,
J. Appl. Phys.
115
,
113506
(
2014
).
39.
G. V.
Garkushin
,
N. S.
Naumova
,
S. A.
Atroshenko
, and
S. V.
Razorenov
,
Tech. Phys.
61
,
84
(
2016
).
40.
H.
Hwang
,
E.
Galtier
,
H.
Cynn
,
I.
Eom
,
S. H.
Chun
,
Y.
Bang
,
G. C.
Hwang
,
J.
Choi
,
T.
Kim
,
M.
Kong
,
S.
Kwon
,
K.
Kang
,
H. J.
Lee
,
C.
Park
,
J. I.
Lee
,
Y.
Lee
,
W.
Yang
,
S.-H.
Shim
,
T.
Vogt
,
S.
Kim
,
J.
Park
,
S.
Kim
,
D.
Nam
,
J. H.
Lee
,
H.
Hyun
,
M.
Kim
,
T.-Y.
Koo
,
C.-C.
Kao
,
T.
Sekine
, and
Y.
Lee
,
Sci. Adv.
6
,
eaaz5132
(
2020
).
41.
J.
Hawreliak
,
J. D.
Colvin
,
J. H.
Eggert
,
D. H.
Kalantar
,
H. E.
Lorenzana
,
J. S.
Stölken
,
H. M.
Davies
,
T. C.
Germann
,
B. L.
Holian
,
K.
Kadau
,
P. S.
Lomdahl
,
A.
Higginbotham
,
K.
Rosolankova
,
J.
Sheppard
, and
J. S.
Wark
,
Phys. Rev. B
74
,
184107
(
2006
).
42.
D. H.
Kalantar
,
J. F.
Belak
,
G. W.
Collins
,
J. D.
Colvin
,
H. M.
Davies
,
J. H.
Eggert
,
T. C.
Germann
,
J.
Hawreliak
,
B. L.
Holian
,
K.
Kadau
,
P. S.
Lomdahl
,
H. E.
Lorenzana
,
M. A.
Meyers
,
K.
Rosolankova
,
M. S.
Schneider
,
J.
Sheppard
,
J. S.
Stölken
, and
J. S.
Wark
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
075502
(
2005
).
43.
L. M.
Dougherty
,
G. T.
Gray Iii
,
E. K.
Cerreta
,
R. J.
McCabe
,
R. D.
Field
, and
J. F.
Bingert
,
Scr. Mater.
60
,
772
(
2009
).
44.
S. J.
Wang
,
M. L.
Sui
,
Y. T.
Chen
,
Q. H.
Lu
,
E.
Ma
,
X. Y.
Pei
,
Q. Z.
Li
, and
H. B.
Hu
,
Sci. Rep.
3
,
1086
(
2013
).
45.
T. d.
Rességuier
and
M.
Hallouin
,
J. Appl. Phys.
84
,
1932
(
1998
).
46.
C. S.
Smith
,
Trans. Met. Soc. AIME
212
,
4296557
(
1958
), available at https://www.osti.gov/biblio/4296557-metallographic-studies-metals-after-explosive-shock.
47.
48.
A.
Dewaele
,
C.
Denoual
,
S.
Anzellini
,
F.
Occelli
,
M.
Mezouar
,
P.
Cordier
,
S.
Merkel
,
M.
Véron
, and
E.
Rausch
,
Phys. Rev. B
91
, 174105 (
2015
).
49.
F. M.
Wang
and
R.
Ingalls
,
Phys. Rev. B
57
,
5647
(
1998
).
50.
C. S.
Yadav
,
G.
Seyfarth
,
P.
Pedrazzini
,
H.
Wilhelm
,
R.
Černý
, and
D.
Jaccard
,
Phys. Rev. B
88
,
054110
(
2013
).
51.
K.
Wang
,
J.
Chen
,
X.
Zhang
, and
W.
Zhu
,
J. Appl. Phys.
122
,
105107
(
2017
).
52.
J.
Chen
,
E. N.
Hahn
,
A. M.
Dongare
, and
S. J.
Fensin
,
J. Appl. Phys.
126
,
165902
(
2019
).
53.
Y.
Mishin
,
M. J.
Mehl
,
D. A.
Papaconstantopoulos
,
A. F.
Voter
, and
J. D.
Kress
,
Phys. Rev. B
63
,
224106
(
2001
).
54.
N.
Gunkelmann
,
E. M.
Bringa
,
K.
Kang
,
G. J.
Ackland
,
C. J.
Ruestes
, and
H. M.
Urbassek
,
Phys. Rev. B
86
,
144111
(
2012
).
55.
G.
Bonny
,
R. C.
Pasianot
,
N.
Castin
, and
L.
Malerba
,
Philos. Mag.
89
,
3531
(
2009
).
56.
G.
Kurdjumow
and
G.
Sachs
,
Z. Phys.
64
,
325
(
1930
).
57.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
58.
M. I.
Mendelev
,
S.
Han
,
D. J.
Srolovitz
,
G. J.
Ackland
,
D. Y.
Sun
, and
M.
Asta
,
Philos. Mag.
83
,
3977
(
2003
).
59.
F.
Ercolessi
,
M.
Parrinello
, and
E.
Tosatti
,
Philos. Mag. A
58
,
213
(
1988
).
60.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
61.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
62.
R.
Hultgren
,
P. D.
Desai
,
D. T.
Hawkins
,
M.
Gleiser
, and
K. K.
Kelley
,
Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys
(American Society for Metals (ASM), Metals Park, OH,
1973
).
63.
I. V.
Nikolaenko
and
M. A.
Turchanin
,
Metall. Mater. Trans. B
28
,
1119
1130
(
1997
).
64.
C. L.
Kelchner
,
S. J.
Plimpton
, and
J. C.
Hamilton
,
Phys. Rev. B
58
,
11085
(
1998
).
65.
J. D.
Honeycutt
and
H. C.
Andersen
,
J. Phys. Chem.
91
,
4950
(
1987
).
66.
H.
Tsuzuki
,
P. S.
Branicio
, and
J. P.
Rino
,
Comput. Phys. Commun.
177
,
518
(
2007
).
67.
A.
Stukowski
,
V. V.
Bulatov
, and
A.
Arsenlis
,
Model. Simul. Mater. Sci. Eng.
20
, 085007 (
2012
).
68.
A.
Stukowski
and
K.
Albe
,
Model. Simul. Mater. Sci. Eng.
18
, 085001 (
2010
).
69.
A.
Stukowski
,
J. Mater.
66
,
399
407
(
2014
).
70.
K.
Mackenchery
,
R. R.
Valisetty
,
R. R.
Namburu
,
A.
Stukowski
,
A. M.
Rajendran
, and
A. M.
Dongare
,
J. Appl. Phys.
119
,
044301
(
2016
).
71.
G.
Agarwal
,
R. R.
Valisetty
,
R. R.
Namburu
,
A. M.
Rajendran
, and
A. M.
Dongare
,
Sci. Rep.
7
,
12376
(
2017
).
72.
J.
Chen
,
M. A.
Tschopp
, and
A. M.
Dongare
,
J. Mater. Sci.
53
,
5745
(
2018
).
73.
G.
Agarwal
and
A. M.
Dongare
,
J. Appl. Phys.
119
,
145901
(
2016
).
74.
J.
Chen
,
M. A.
Tschopp
, and
A. M.
Dongare
,
J. Appl. Phys.
122
,
225901
(
2017
).
75.
P. M.
Larsen
,
S.
Schmidt
, and
J.
Schiøtz
,
Model. Simul. Mater. Sci. Eng.
24
,
055007
(
2016
).
76.
N. R.
Barton
and
P. R.
Dawson
,
Metall. Mater. Trans. A
32
,
1967
1975
(
2001
).
77.
A.
Stukowski
,
Model. Simul. Mater. Sci. Eng.
18
,
015012
(
2010
).
78.
V.
Livescu
,
J. F.
Bingert
, and
T. A.
Mason
,
Mater. Sci. Eng. A
556
,
155
(
2012
).
79.
R. E.
Rudd
,
Philos. Mag.
89
,
3133
3161
(
2009
).
80.
T.
de Rességuier
and
M.
Hallouin
,
Phys. Rev. B
77
,
174107
(
2008
).
81.
G.
Righi
,
C. J.
Ruestes
,
C. V.
Stan
,
S. J.
Ali
,
R. E.
Rudd
,
M.
Kawasaki
,
H.-S.
Park
, and
M. A.
Meyers
,
Acta Mater.
215
,
117072
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.