激光驱动X光背光照相技术在金属靶微层裂研究中的应用探索

利用神光Ⅱ装置发射强激光一方面对铝靶进行烧蚀加载,另一方面驱动铜背光靶发射X光对铝靶微层裂产物进行针孔背光照相,结果获得了可忽略动态模糊的高清晰照片,标准丝阵检验表明分辨率优于40 m。铝靶微层裂产物照片清晰显示,靶破碎存在不同分区, 这直观揭示了靶破碎的不同机制。实验成功验证了激光驱动X光背光照相技术在金属靶微层裂研究中存在重要的应用前景。     

飞秒激光驱动超高应变率加载下铝材料的层裂特性

层裂损伤是材料动态损伤破坏研究中最重要的问题之一,其损伤特性和机制随加载应变率不同表现出明显的阶段性规律。超高应变率条件下材料层裂损伤特性、规律和机制研究已成为极端条件下材料动态响应研究的重要内容,在工程应用和基础研究领域均有重要意义。采用飞秒激光驱动冲击加载技术开展了超高应变率条件下铝材料的层裂损伤实验研究,利用啁啾频域干涉超快诊断方法对铝材料的层裂损伤过程进行了诊断,分析并获得了在109 s-1应变率条件下铝材料的层裂强度约为7 GPa,结合前人的研究数据,解读了铝材料层裂强度随应变率的变化规律。     

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.     

脉冲激光产生层裂的一维和二维数值计算

 通过简化的物理分析，将脉冲激光加载简化为一定的力学边界条件，考虑了材料内部的损伤演化，采用含损伤的热粘塑性本构模型模拟了铝合金材料的层裂。由于脉冲激光产生的压力脉冲较短，随后的卸载波将使得靶中传播的冲击波压力幅值下降。一维和二维计算得到的层裂片厚度与已有的实验数据符合很好。通过计算，得到了脉冲激光发生层裂时的应变率。     

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.     

AF1410钢的层裂断裂特性研究

 利用一级轻气炮作为加载手段,对AF1410钢的层裂特性进行了研究,获得了AF1410钢的Hugoniot关系、塑性应变率、层裂强度以及层裂片厚度等动态力学参数。对回收的AF1410钢样品进行了断口分析和金相分析,从宏、微观角度分析了AF1410钢在不同应变率下的断裂特性。     

高应变率下TC4及TC9钛合金的动态断裂

 报导了由短脉冲激光引起的应力波加载及电炮驱动Mylar膜平面飞片碰撞TC4、TC9钛合金靶的实验及数值计算研究结果。由回收靶样品的金相分析表明：在电炮驱动飞片碰撞及由激光引起的应力波加载所造成的应变率分别在10⁶ s^-1左右及10⁷ s^-1以上两种情形下，TC4、TC9钛合金的层裂特性都是以微孔洞的成核、增长、汇合为特征的韧性断裂。运用一维流体弹塑性动力学程序进行数值研究表明：成核增长NAG模型在一定程度上可以用来描述高应变率下TC4、TC9钛合金的损伤破坏特性。     

氮化硅陶瓷层裂强度的研究

 用一级轻气炮冲击加载装置，对氮化硅陶瓷进行了冲击性能实验研究。发展了一种新的方法用于研究层裂特性，即通过在样品中埋设电磁粒子速度计来记录氮化硅陶瓷内部的层裂特性。该方法不同于常用的VISAR激光干涉法和锰铜计法，记录的是样品内部粒子速度的变化特征，位于层裂面后方的粒子速度计能清晰地表征材料的层裂特性。通过实验，得到了密度为3.12 g/cm³的氮化硅陶瓷的层裂强度为0.73 GPa，和Nahme等得到的强度较为接近，对称碰撞得到的裂片厚度与该次实验的飞片厚度相当。实验表明，电磁粒子速度计的方法可以用于研究非磁屏蔽材料的层裂特性。由于采用多个计进行记录，还得到了材料在弹性区内（1.8~3.6 GPa）的Hugoniot冲击绝热线。     

D6A、921和45钢的动态破坏与低压冲击特性

 通过对称碰撞研究了D6A、921和45钢的动态损伤与破坏行为。利用自由面速度的双波结构，结合材料在常压下的弹性纵波声速，确定了三种钢的低压Hugoniot关系，同时给出了三种钢的弹性Hugoniot屈服极限以及层裂强度。但是发现，屈服极限和层裂强度的材料分散性明显，在其影响下，层裂强度对加载幅度以及应变率的依赖性得不到体现，从而在其不确定度范围内，可将层裂强度看成一个常数。提出了一个唯象的损伤演化方程，在此基础上，对实验结果进行了部分数值模拟，数值模拟给出的层裂强度远大于近似解析模型的计算结果，两者之间的差异有待进一步研究。     

93钨合金断裂特性研究

 用一级压缩气体炮加载技术与锰铜压阻传感技术结合，实验研究了93钨合金的层裂特性。实时测量实验证明，断裂强度与拉抻应变速率相关，也与合金元素、材料制备工艺相关。软回收样品内部损伤的金相和扫描电镜分析表明，93钨合金的层裂是以钨晶粒破裂为主的脆性断裂，损伤度也与拉伸应变速率相关。     

脉冲激光引起金属靶板层裂的阈值条件

本文考虑单脉冲激光作用于金属靶引起的应力波单次反射导致层裂的阈值条件,包括激光通量与应力波强度的定标关系、应力波传播时的衰减、入射波与反射波相互作用以及不同层裂判据的比较。本文结果指出,对于一定的激光通量和靶板厚度,只有一定范围内的激光脉宽才能造成层裂,最低激光通量则对应于最佳激光脉宽。本文的方法和结论也适合于飞片撞击造成的层裂现象。     

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%。     

Dynamic and fractal properties of SP-28 steel under high-speed loading conditions

Using an interferometric method to record the velocity of the free surface of a target subjected to two-dimensional shock loading, it is shown experimentally that the decrease in the compression pulse amplitude is due to the nonstationary nature of mesoscale processes — the amplitude decrease is progressively larger for higher rates of change of the variance of the mesoparticle velocity. It is shown theoretically that the loading rate influences the spallation strength of a material in a planar collision only if the variance of the particle velocity is nonzero. A fractal analysis of the spallation surfaces of steel samples is performed by quantitative fractography methods. An expression relating the fractal dimension of the spallation fracture surface and the variance of the mesoparticle velocity is derived. For typical values of the load pulse parameters for which back-side spallation occurs the fractal dimension agrees satisfactorily with the fractal dimensions for triadic Koch islands. Zh. Tekh. Fiz. 68, 43–49 (October 1998)     

强激光使铝靶层裂的模拟实验研究

 激光引起的冲击波可能使得靶材料层裂断裂，这个现象取决于光束的功率密度、脉冲持续时间、靶的厚度和靶材料的性能参数。用气炮驱动的平板撞击实验和概念模拟分析了极短持续时间的三角形压缩应力击波在LY-12铝靶中的传播衰减和层裂强度的时间相关性，根据气炮模拟实验结果，估计了厚度小于2 mm的LY-12铝靶产生层裂所需的激光功率密度和能量密度的阈值条件。     

强激光辐照下纳米铜动态拉伸型断裂的数值模拟

 基于强激光辐照加载下纳米铜的层裂实验,采用含逾渗软化函数的损伤度函数模型对实验结果进行了数值模拟研究。强激光加载条件被简化为高斯分布脉冲压力施加在镍合金基体的前表面上。数值计算结果显示：损伤演化明显地改变了试样中波传播特性,无论是对微损伤还是完全层裂的试样,计算都较好地再现了实测自由面速度剖面,表明了含逾渗软化函数的损伤度函数模型在强激光加载条件下纳米铜层裂问题分析中具有较好适用性。     

层错四面体对单晶铜层裂行为影响的分子动力学研究

层错四面体是一种典型的三维空位型缺陷,广泛存在于受辐照后的面心立方金属材料中,对材料的力学性能有显著的影响.目前,关于层错四面体对辐照材料层裂行为的影响还缺乏深入系统的研究.本文使用分子动力学方法模拟了含有层错四面体的单晶铜在不同冲击速度下的层裂行为,对整个冲击过程中的自由表面速度及微结构演化等进行了深入的分析.研究发现,层错四面体在冲击波作用下会发生坍塌,并进一步诱导材料产生位错、层错等缺陷.在中低速度加载下,层错四面体坍塌引起的缺陷快速向周围扩展,为孔洞提供了更宽的形核区域,促进了孔洞的异质成核,造成材料层裂强度大幅度减小.当冲击速度较高时,层错四面体坍塌导致的局部缺陷对材料的层裂强度不再有明显影响.     

Spallative ablation of dielectrics by X-ray laser

A short laser pulse in wide range of wavelengths, from infrared to X-ray, disturbs electron–ion equilibrium and increases pressure in a heated layer. The case where the pulse duration τ _L is shorter than acoustic relaxation time t _s is considered in the paper. It is shown that this short pulse may cause thermomechanical phenomena such as spallative ablation regardless of wavelength. While the physics of electron–ion relaxation strongly depends on wavelength and various electron spectra of substances: there are spectra with an energy gap in semiconductors and dielectrics opposed to gapless continuous spectra in metals. The paper describes entire sequence of thermomechanical processes from expansion, nucleation, foaming, and nanostructuring to spallation with particular attention to spallation by X-ray pulse.     

强激光辐照下纯铝动力学响应和层裂的数值模拟

 采用改进的损伤度函数模型,该模型将材料损伤断裂看作为一种典型的逾渗过程,根据逾渗临界准则,采用应力松弛函数来描述损伤后期微损伤之间的连通效应,考虑了损伤对材料本构的影响,对纯铝在强激光辐照下的动态力学响应和层裂破实验进行了数值模拟。通过高斯分布激光脉冲压力加载,计算分析了激光与样品相互作用。计算结果表明：损伤演化明显地改变了材料力学响应以及样品中波传播特性,计算较精确地再现了实测自由面速度随时间的变化过程。根据计算结果分析了损伤演化过程,485 μm厚样品中损伤的分布主要集中在距离样品后界面100 μm 范围内,具有明显的损伤局部化特征,最大损伤值为11.2%。     

Microscopic spallation mechanisms induced by a pulse laser at the solid-state interface

This paper presents a study of the transient behavior of structural dynamics and the associated innovatory microscopic spallation mechanism at the solid-state interface, induced by an incident femtosecond pulse laser. By detailed structural dynamic analysis, using the technique of molecular dynamics simulation, the spallation mechanism at the solid–solid interface is observed. The occurrence of structural spallation is mainly characterized by extraordinary expansion dynamics and tensile stress that induces interior structural void defect coalescence, eventually leading to cracking. The microscopic phenomenon of moderate ductile fracturing at the solid–solid interface is identified. A high strain rate in the order of 10⁹ s^-1 is observed. Both aforementioned phenomena are analogous to the experimental results of metal-film spallation excited by a pulse laser. Moreover, it is also shown that the critical value of the stain rate is one of the dominant factors that influences the occurrence and mechanism of structural spallation. The results of simulations reveal that the thin-film structure is safe if the strain rate is below certain critical values. The critical damage threshold is evaluated and technical suggestions to avoid interfacial fracture are also presented. PACS 02.70.Ns; 42.62.-b; 64.60.Ht; 61.72.Cc; 64.60.-i     

钨合金的层裂强度研究

 用压缩空气炮做冲击加载装置研究一种钨合金的层裂特性,加载应力峰值为5~10 GPa,加载应力时间宽度为0.2~0.6 μs。实验用钨合金由粉末热压烧结制成,是一种均匀混合材料。它的成份重量百分比为W（90%）、Ni（6.8%）、Fe（2.7%）和Cr（0.5%）。由锰铜压阻计测量样品靶后界面应力历史表明,此种钨合金的层裂强度与拉伸应力率的平方根呈单调递增关系,与加载应力峰值无关。回收样品的金相分析结果表明,此钨合金的拉伸断裂主要发生在铁镍混合物部位,钨晶粒的穿晶断裂只占很小部分。断口上的“杯状”凹坑表明,它主要属延性断裂机制。