AD95陶瓷的层裂强度及冲击压缩损伤机理研究

采用激光位移干涉测试技术测量了AD95 陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面或样品/窗口界面粒子速度剖面, 确定了层裂强度及其与加载应力的变化关系, 在此基础上讨论了冲击压缩损伤程度与加载应力的关系. 研究结果表明: AD95陶瓷发生冲击压缩损伤的阈值应力约为3.7 GPa, 小于其雨贡纽弹性极限(HEL, 约5.47 GPa); 小于阈值应力不发生冲击压缩损伤, 层裂强度随加载应力的增加逐渐增大; 大于阈值应力冲击压缩损伤快速发展, 层裂强度迅速降低; 在HEL附近层裂强度降低到零, 丧失了抗拉能力, 表明材料发生了严重的冲击压缩损伤.     

平板冲击下氧化铝陶瓷弹性前驱波衰减的细观机理

利用一级轻气炮开展了不同厚度氧化铝陶瓷样品的平板冲击压缩实验,并借助激光速度干涉仪(VISAR)测试了样品的自由面速度历程.根据自由面速度历程确定了不同厚度氧化铝陶瓷样品的Hugoniot弹性极限值,结果显示,冲击压缩下氧化铝陶瓷中存在弹性前驱波衰减现象.进一步基于氧化铝陶瓷的细观结构扫描电镜(HEL)图像,分析了氧化铝陶瓷的细观结构特征,构建了含晶相、玻璃相等细观特征的力学模型.数值模拟冲击压缩加载下氧化铝陶瓷细观结构的力学响应过程,从细观层次上分析了弹性前驱波衰减现象的产生机理,指出冲击压力低于HEL时材料的细观损伤引起的能量耗散以及前驱波在细观结构晶界处反射和透射引起的能量分散过程是其产生的主要原因.     

蓝宝石动态损伤的时间演化特性

采用时间分辨的高温计技术和Doppler Probe System(DPS)系统,本文测量了冲击压缩下蓝宝石的光谱辐亮度历史和粒子速度波剖面,并对其隐含的动态损伤的时间演化特征进行了研究.当冲击压力为~52GPa时,r切蓝宝石的光辐亮度值随时间呈线性增长,而高达58GPa时,则呈现出两段不同的线性增长特征,并且后者增长速率明显高于前者,表现出急剧增长行为.结合蓝宝石的粒子速度历史剖面结果可得,在整个观测时间内,光辐射观察区域并未受到来自飞片自由面或样品边侧的稀疏波干扰,仅受到冲击压缩波作用.这表明实测光辐射信号仅与蓝宝石在冲击压缩下的动态变形有关.将光辐亮度历史变化特征与固体材料的失效破坏理论结合分析,蓝宝石中可能发生了剪切带的贯穿失效现象.进一步的压力和晶向相关性研究结果显示,此失效破坏现象出现的弛豫时间随压力的升高而变短,并且r切蓝宝石比m切样品更长.本文对理解蓝宝石动态损伤机理具有指导意义.     

蓝宝石动态损伤的时间演化特性

采用时间分辨的高温计技术和Doppler Probe System (DPS)系统,本文测量了冲击压缩下蓝宝石的光谱辐亮度历史和粒子速度波剖面,并对其隐含的动态损伤的时间演化特征进行了研究。当冲击压力为~52GPa时,r切蓝宝石的光辐亮度值随时间呈线性增长,而高达58GPa时,则呈现出两段不同的线性增长特征,并且后者增长速率明显高于前者,表现出急剧增长行为。结合蓝宝石的粒子速度历史剖面结果可得,在整个观测时间内,光辐射观察区域并未受到来自飞片自由面或样品边侧的稀疏波干扰,仅受到冲击压缩波作用。这表明实测光辐射信号仅与蓝宝石在冲击压缩下的动态变形有关。将光辐亮度历史变化特征与固体材料的失效破坏理论结合分析,蓝宝石中可能发生了剪切带的贯穿失效现象。进一步的压力和晶向相关性研究结果显示,此失效破坏现象出现的弛豫时间随压力的升高而变短,并且r切蓝宝石比m切样品更长。本文对理解蓝宝石动态损伤机理具有指导意义。     

烧结钕铁硼的层裂强度及断裂机理

利用一级气体炮对烧结钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁材料进行平板撞击实验,实现一维应变下的层裂;采用激光干涉测速技术,测量样品自由面粒子速度历史,确定了冲击压缩后层裂强度与加载应力的关系。结果表明:加载应力在0.375～2.512 GPa范围内时,层裂强度随着加载应力的增加先增加后减小,存在一个阈值,当加载应力超过该阈值时,材料发生压缩损伤,层裂强度随之减小。通过扫描电子显微镜观察样品断口形貌,发现在冲击载荷下烧结钕铁硼出现明显的穿晶断裂。     

给定压力下纯铁材料的冲击相变与层裂特性研究

采用VISAR测量样品自由面速度剖面和回收样品观测分析联合技术,开展等厚对称碰撞实验,结合文献中的实验结果,研究了冲击加载压力大于纯铁材料冲击相变阈值约2~5 GPa和大于冲击相变阈值约10 GPa两种压力状态下纯铁材料的加卸载历程及各相区的变化,并从应力波相互作用的角度,指出了冲击加载压力略大于纯铁材料相变阈值约2 GPa时,等厚对称碰撞样品"反常"二次层裂与冲击相变及逆相变的关联机制。     

无氧铜的准等熵压缩性

 利用递变冲击阻抗材料叠合而成的组合飞片，在二级轻气炮上对无氧铜进行了准等熵压缩性测量，加载时间约达1 μs。用激光速度干涉仪连续记录了不同厚度处无氧铜样品自由面速度随时间的变化过程，并通过拉格朗日波分析技术计算得到40 GPa下的准等熵的应力-应变曲线。结果表明：在低应力区，无氧铜的准等熵压缩线位于冲击绝热线之上；到32 GPa以上，准等熵压缩线才回落到冲击绝热线之下。这个现象与Barker、Chhabildas等对铝与钨的实测现象是一致的，它表明：在低应力区，材料的冲击强化效应与加载速率密切相关。     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.     

AF-1410钢冲击响应研究

利用φ100的一级轻气炮作为加载手段，采取飞片对称碰撞法研究了AFI-410钢在冲击载荷下的动态响应。在实验中，用激光干涉测速仪(VISAR)测量样品自由面速度剖面，并用PZT陶瓷片测量弹性先驱波速度。由VISAR测量的自由面速度历史曲线如图1所示，图中Ⅰ～Ⅵ代表不同撞击速度下样品自由面速度历史图像。塑性冲击波速度与波后粒子速度关系为Cpl=4．45 1．477up(km/s)，拟合曲线如图2所示。同时，根据自由面速度历史反映的层裂信息，得到Hugoniot弹性屈服极限约在2．74GPa，层裂强度约4．67GPa。     

磁驱动飞片加载下纯铁的冲击相变和层裂特性

使用磁驱动装置CQ-4发射紫铜飞片对纯铁样品进行一维平面应变加载,采用高精度激光位移干涉仪(DPS)记录飞片和样品的自由面速度历史。结果显示,当纯铁样品在加、卸载过程中有αε相变发生时,样品的层裂强度达到3.4GPa,比已报道的未发生相变的纯铁的层裂强度(1.2~1.9GPa)有明显提高,其原因可能是纯铁材料在经历αε可逆相变时,内部晶格产生了大量的位错。通过分析样品的自由面速度历史,判断出样品发生了自由面浅表层裂现象。在对飞片和样品中的应力波系进行分析时,若只考虑塑性波和相变波在界面的反射稀疏波与飞片传入样品靶中的稀疏波之间的相互作用,将无法解释实验观测到的自由面浅表层裂现象,因此该现象可能与纯铁样品在逆相变过程中产生稀疏冲击波有关。     

加载应力幅值对高纯铜动态损伤演化特性研究

研究了加载应力幅值对延性金属高纯无氧铜动态损伤演化特性的影响. 层裂实验在一级轻气炮上开展, 利用不同的飞片击靶速度实现不同加载应力幅值(2.5 GPa, 2.75 GPa和3.75 GPa), 采用DISAR位移干涉诊断技术测量样品自由面的速度剖面, 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试软回收的样品截面. 结果显示: 随着加载应力幅值的升高, 层裂强度几乎没有变化, 但自由面速度剖面上Pull back信号后的回跳速率和幅值显著增大, 损伤演化速率显著升高.进一步分析表明: 延性金属动态损伤演化过程中微孔洞成核对加载应力幅值单一因素不敏感, 但加载应力幅值是微孔洞长大和聚集的主导因素之一.     

超高应变率载荷下铜材料层裂特性研究

超高应变率载荷下材料层裂特性研究对理解极端条件下材料动态破坏特性具有重要意义.利用双温模型结合分子动力学模拟研究分析了超高应变率载荷下铜材料的层裂特性,发现当应变率在10~9s~(-1)—10~(10)s~(-1)内时,铜材料层裂强度在19 GPa附近波动.而当材料发生冲击熔化时,铜的层裂强度下降到14.89 GPa.利用飞秒激光对铜样品靶进行冲击加载,并利用啁啾脉冲频谱干涉技术开展超快诊断,通过单发次实验测量获得了样品靶的自由面粒子速度演化历史,结果未见表征样品层裂的速度回跳和速度周期性振荡信号.结合冲击动力学理论得到样品自由面附近最大加载压强为8.18 GPa,小于超高应变率载荷下铜材料的层裂强度.此外,对回收样品扫描分析发现,铜样品未发生层裂且飞秒激光引起的冲击波对样品表面结构产生了很大影响.     

无钴合金钢的冲击响应实验研究

 利用一级轻气炮作为加载手段,研究了无钴合金钢在3~20 GPa压力区间的冲击响应特性。用激光干涉测速——VISAR记录了双波结构的自由面速度剖面,并利用常压下的弹性纵波速度近似替代低压冲击下的弹性先驱波速度,确定了无钴合金钢的Hugoniot关系。根据自由面速度反映的层裂信息,给出了无钴合金钢的Hugoniot弹性极限、层裂强度以及层裂片厚度等动态力学参数。     

冲击加载下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金属玻璃的塑性行为

进行了10—27 GPa应力范围内Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉金属玻璃的平面冲击实验以研究其高压-高应变率加载下的塑性行为.由样品自由面粒子速度剖面的分析获得了冲击加载过程的轴向应力,并通过轴向应力与静水压线的比较获得剪应力.实验结果表明,尽管存在明显的松弛效应,但Zr基金属玻璃的Hugoniot弹性极限随着冲击应力的增加而增加.然而,塑性波阵面上的剪应力则显示先硬化而后软化现象,而且软化的幅度随冲击应力的增加而增加.冲击加载下Zr基金属玻璃的上述剪应力变化特征与分子动力学模拟结果比较一致,但与压剪实验结果和一维应力冲击实验结果明显不同.     

陶瓷材料在压剪联合冲击加载下动态响应的实验研究

 应用57 mm压剪炮和双磁场IMPS粒子测试系统对95%的Al₂O₃陶瓷材料在压剪联合加载条件下的力学行为进行了实验研究，测量得到了材料内部压缩波（P波）、剪切波（S波）的加载、卸载和传播规律。对剪切波的衰减随载荷的变化进行了研究，初步得到95% Al₂O₃陶瓷材料在压剪联合载荷冲击下发生损伤的纵向应力阀值是4.86 GPa。     

Soda lime玻璃材料中失效波形成和传播研究

 为了研究冲击载荷作用下Soda lime玻璃材料中失效波的形成和传播,通过轻气炮加载平板撞击实验,采用双螺旋锰铜压阻传感器,在一发实验中同时测量4种不同厚度试件背面与有机玻璃背板间界面处的纵向应力时程曲线,根据测量结果得到试件中失效波的传播轨迹。通过改变碰撞速度,对不同加载条件下的失效波形成和传播规律进行了研究,结果表明,Soda lime玻璃材料在冲击作用下产生失效波所需的延迟时间随冲击载荷的增加而减小,失效波传播速度随冲击载荷的增加而增加。最后采用弹性微裂纹统计模型描述冲击载荷作用下Soda lime玻璃的破坏机制,并将模型嵌入LS-DYNA有限元程序中,模拟试件在不同加载条件下的平板碰撞,所得横向应力和自由面粒子速度曲线均可用于表征失效波破坏现象。根据数值模拟结果分析失效波的传播轨迹,与实验测量结果符合较好。     

高纯铝层裂的自由面速度剖面特征分析

 采用任意反射面激光干涉测速（VISAR）系统,对高纯铝（纯度为99.999%）材料开展了层裂实验研究,获得了未完全层裂和完全层裂样品的自由面速度剖面。基于实验测量中观察到的层裂回跳（Pullback）信号的脉冲宽度、速度幅值差异以及回跳信号上升过程中的两次速度斜率变化特征,详细讨论了高纯铝材料从出现损伤到完全断裂的过程中波剖面演化的行为特征。结合“软回收”样品的细观分析,指出这些自由面速度变化特征可能与材料中应力波的能量释放速率以及材料中晶粒的断裂行为密切相关。研究结果可以为延性金属损伤断裂的演化过程提供有意义的认识。     

基于单孔洞近似的高纯铝部分层裂实验的数值模拟研究

基于单孔洞近似,对不同撞击速度下高纯铝的部分层裂实验进行了数值模拟研究,讨论了微孔洞长大对波传播的影响及其在自由面速度波剖面上的表现. 通过分析微孔洞周围的应力场变化,认识到实测自由面速度波剖面出现"回跳"特征并不能说明材料发生完全层裂,其直接原因是样品内部微孔洞长大所引起的局部卸载效应. 将计算得到的自由面速度波剖面和微孔洞相对体积与实验结果进行了对比分析,发现两者均符合很好,表明采用单孔洞增长来近似描述部分层裂样品中随机损伤发展及其对波传播的影响是可行的. 关键词： 层裂 孔洞增长 自由面速度波剖面 微孔洞相对体积     

金属Bi的卸载熔化实验研究

在火炮上利用金属铋(Bi)直接撞击单晶LiF窗口, 开展了金属Bi反向碰撞的冲击加载-卸载实验研究, 实验采用激光位移干涉测试系统, 获得了金属Bi在11—16 GPa压力范围内完整的卸载粒子速度剖面. 实验结果结合特征线方法计算表明, 金属Bi经冲击加载进入体心立方相, 并在11—16 GPa冲击压力作用下发生了卸载熔化, 界面粒子速度剖面的卸载拐点, 对应着金属Bi经冲击加载后发生的卸载熔化, 而这一结论同Cox的理论计算及一维流体力学程序计算结果基本一致. 本文报道的金属Bi卸载波剖面解读技术, 对于认识冲击加载下其他相似材料相变具有实用价值.     

钽在冲击载荷下的动态力学特性

 在对称碰撞实验中,用VISAR测试系统记录了自由面粒子速度剖面。结合材料常压弹性纵波声速的测量,利用冲击加载的双波结构,测量了钽在30 GPa以内的冲击波速度,给出了线性相关性非常好的D-u_p 关系,并与高压下的测量结果作了比较。同时对由自由面粒子速度剖面来计算层裂强度的模型进行了讨论,发现模型差异对钽的层裂强度的影响超过30%。