冲击加载下金属材料的塑性变形是物理学、力学与材料学等多个学科领域共同关注的基础科学问题,相关研究在航天航空、汽车工业以及武器研制等领域具有重要的应用价值。从根源上来看,材料的塑性变形是微介观尺度位错等缺陷被外加载荷激活并随时空演化的结果。冲击加载下材料的塑性变形是一个超快动力学过程,变形过程不仅涉及位错等缺陷的大量生成与演化,还涉及应力的急剧增加与松弛。要深入认识这样一个超快动力学过程,需要与之匹配的高时空分辨诊断技术。而受限于微介观动态原位诊断测试技术的不足,目前还无法对高应变率条件下位错演化行为进行动态原位观测。当前,以激光干涉技术所获取的样品界面宏观速度波剖面仍是高应变率条件下材料动态响应特性研究中最为重要的实验基础。宏观速度波剖面集中反映了冲击波传播过程中多种机制作用下缺陷演化的综合效应。通过对不同加载条件下典型波结构特征进行分析,结合理论建模,即可一定程度上获得宏观变形特征底层机理的认识。从晶体学出发建立的晶体塑性模型能够有效将微介观变形机理与材料宏观力学响应关联起来。在应用晶体塑性模型定量描述宏观变形特征的基础上,则可进一步深入认识宏观变形特征的物理本质。因此,动态晶体塑性模型研究已成为冲击加载下变形机理研究的主要内容之一。尽管人们已经针对冲击加载问题提出了一系列晶体塑性模型,但现有的模型仍然存在不足,不足之处主要体现在对冲击加载下塑性变形机制考虑不全面或者对塑性变形机制描述不合理,从而无法系统描述全过程速度波剖面的演化规律,进而限制了人们深入认识冲击加载下宏观变形特征的物理本质。在现有模型的基础上,本论文针对冲击加载下典型FCC与BCC金属建立了统一的基于位错的本构模型,该模型能够较为合理地描述全过程速度波剖面的演化规律。在此基础上,应用该模型对冲击加载下典型FCC金属与BCC金属的动态响应特性进行了研究,并从位错集体演化行为揭示了典型宏观变形特征的底层机理。相关研究对深入认识强动载荷下材料的变形机理以及辅助设计精密物理实验具有重要的参考意义。本论文的主要结论与创新点如下:1.基于量纲分析方法,结合动态变形的物理图像,获得了强动载荷下位错增殖这一复杂动力学过程的基本控制方程,建立起了位错增殖速率与关键物理量与参数之间的定量关联;在此基础上,全面考虑热激活均匀位错均匀成核、俘获与湮灭、位错运动、饱和位错密度等位错演化行为以及孪晶变形机制,在热弹-粘塑性理论框架下建立了适用于冲击加载下典型FCC金属与BCC金属的本构模型;该模型可以较为准确地描述冲击加载下典型FCC金属与BCC金属全过程速度波剖面的演化规律,特别是典型波结构特征随加载压力或环境温度的演化规律。2.在应用上述模型定量描述宏观波剖面演化规律的基础上,通过对典型波结构特征进行分析,包括Hugoniot弹性极限、塑性前沿以及“准弹性”卸载与再加载等,本论文进一步揭示了冲击加载下典型动态响应特性的物理本质,包括动态屈服应力的温度效应、应变率关于加载压力的幂律特征以及“准弹性”弹塑性转变行为等。a)动态屈服应力的温度效应研究方面。我们首先在前人工作的基础上从连续介质层面指出,弹性前驱波阵面上的力学响应主要受塑性冲击波阵面上的塑性松弛行为影响,从而将表征动态屈服应力的Hugoniot弹性极限的演化行为与塑性前沿的塑性变形关联起来,并进一步揭示了典型FCC与BCC金属动态屈服应力温度效应的物理本质:对于FCC金属,通过数值分析指出,由于偏应力随冲击波传播显著衰减,宏观尺度FCC金属中位错运动的“相对论效应”仅在撞击面附近较为显著,在距离撞击面较远的区域,位错运动主要受声子拖曳机制控制,声子拖曳效应随温度升高而增强导致宏观尺度FCC金属的动态屈服应力发生“热硬化”。对于BCC金属,通过数值分析指出,BCC金属的动态屈服应力的温度效应由位错运动与位错生成两类机制共同决定。位错运动机制方面,在较低的温度下,Peierls力随温度升高显著衰减的温度效应抵消声子拖曳随温度升高而增大的温度效应导致大多数BCC金属的动态屈服应力呈现“热软化”现象;位错生成机制方面,针对高温下金属钒的动态屈服应力“热硬化”现象提出一种新的“热硬化”机制,即热激活均匀成核机制主导高温下BCC金属中位错生成导致林硬化机制随温度升高而显著增强,进而导致动态屈服应力在高温下发生“热硬化”。基于对金属钒的动态屈服应力“热硬化”现象的研究,应用同样的模型预测其他典型BCC金属的动态屈服应力在更高的温度下也将发生“热硬化”。b)应变率关于加载压力的幂律特征研究方面。对冲击波物理经典问题“Swegle-Grady四次幂律”进行研究,并给予其新的物理认识。首先,基于对近期大量实验结果的分析发现经典的四次幂律在105-107s-1应变率区间不适用;然后,通过理论分析证实应变率关于加载压力呈特定幂律关系的根源在于冲击加载下位错集体演化行为关于剪应力呈特定的幂律关系,具体来讲,位错密度关于剪应力呈二次幂律关系以及位错速度关于剪应力呈线性关系共同导致应变率关于加载压力的三次幂律关系出现,而位错运动的“相对论效应”将导致三次幂律逐渐趋近于二次幂律。c)“准弹性”弹塑性转变行为研究方面。从位错亚结构演化层面对预冲击压缩材料的“准弹性”弹塑性转变行为给予更加物理的解释。通过理论模拟指出,对于预冲击压缩材料,弹性卸载波或者弹性再加载波作用下,位错俘获主导位错亚结构演化使得可动位错持续转变为不可动位错,进而导致临界分切应力发生渐进硬化,体现在宏观速度波剖面上即为“准弹性”现象。