磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题,目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术,冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4,开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究,讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容,并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.      

动高压加载下锆基金属玻璃强度测量

为了研究Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉金属玻璃的高压强度特性,进行了平靶冲击实验。采用反向碰撞方式,运用DISAR技术测量金属玻璃样品/LiF窗口界面粒子速度剖面,分析粒子速度剖面获得了37~66GPa压力范围锆基金属玻璃的屈服强度和剪切模量。实验结果表明,在上述压力范围金属玻璃的屈服强度和剪切模量均显示出一定程度的压力硬化效应,分析表明金属玻璃冲击加载波阵面剪应力衰减并非由损伤/破坏或温度软化等因素导致。     

基于晶体塑性理论研究铝材料高压高应变率下的强度特性

为了了解金属材料在极端加载下复杂动态响应过程中的多种机制和效应，重点针对Al材料在高压、高应变率加载下的塑性变形机制，在经典晶体塑性模型的基础上，对其中的非线性弹性、位错动力学和硬化形式进行改进，建立适用于高压、高应变率加载下的热弹-黏塑性晶体塑性模型。该模型可以较好地描述单晶铝和多晶铝材料屈服强度随压力的变化过程，相比宏观模型，用该模型还获得了多晶Al材料在冲击加载下的织构演化规律，揭示了织构择优取向行为和压力的关系。     

动载荷下材料的屈服强度变化

描述了冲击加载和准等熵加载下获得材料动态屈服强度的方法,并以钨合金材料为研究对象,通过VISAR测试技术测量了钨合金材料在冲击加载下的屈服强度随压力的变化,并把实验结果与文献报道的准等熵加载下的材料强度变化的实测结果进行了比较。结果表明,准等熵加载下材料的屈服强度明显高于冲击加载下的材料屈服强度,并认为这主要是由于两种加载方式下材料的温升效应不同所造成的。     

TiH2含量对Al/PTFE动态力学性能和撞击感度的影响

采用混合压制烧结法制备了4种不同TiH₂含量的铝/氢化钛/聚四氟乙烯(Al/TiH₂/PTFE)试件，并基于分离式霍普金森杆和落锤冲击实验，对反应材料的动态压缩力学性能、撞击感度及反应特性进行了研究。实验结果表明，4种材料均存在应变硬化和应变率硬化效应，随加载应变率的提高，材料屈服强度和硬化模量增大。相同加载应变率下，材料屈服强度随TiH₂含量的增加而增高，材料压缩强度则先增高后降低，TiH₂质量分数为5%时材料压缩强度达到最大值166.4 MPa，比Al/PTFE强度提高6.8%。在一定含量范围内(小于5%)，加入TiH₂有助于提高Al/PTFE材料撞击感度和能量释放水平，而TiH₂质量分数大于10%时，材料撞击感度和反应剧烈程度则逐渐降低。与Al/PTFE相比，含TiH₂试件反应火光周围有明显的火星喷溅现象，且此现象TiH₂含量越高越显著。     

单轴载荷下X80钢的包申格效应研究

本文通过单轴拉伸和压缩试验研究了X80管线钢的包申格效应(BE)。采用正向与反向加载方法研究材料变形历史特性。测定了X80钢的简单拉伸试验曲线,其应力-应变关系表明,该材料具有理想弹塑性特点。为了得到X80钢的BE,在不同预变形下对几个试件分别进行加载,并当给定的预应变值分别达到0.63%,0.67%,0.95%,1.27%和1.55%时就卸载。随后再进行反向加载实验,并记录应力应变曲线。该钢材反向加载时出现加工硬化,且屈服强度比正向加载时要低。正反向加载之间的屈服强度差值随着预应变增加而增大;当预应变超过0.95%时,反向屈服强度达到恒量。实验表明,X80钢的反向加载特性可用Remberg-Osgood关系拟合。最后给出了屈服强度降和预塑性应变之间的经验公式。     

轴向拉伸下氮化钛纳米杆变形机制及力学性能的分子动力学研究

本文使用分子动力学软件包lammps并采用第二近邻改进型嵌入原子法(2NN MEAM)模拟了单晶氮化钛纳米杆的轴向拉伸破坏过程,分析了分别沿[100]、[111]晶向的不同截面尺寸、不同拉伸应变率、不同温度下的氮化钛纳米杆的力学性能,详细描述了氮化钛纳米杆拉伸变形过程。研究发现, 拉伸晶向、截面尺寸、拉伸应变率及温度均会对TiN纳米杆的拉伸变形过程及屈服强度、弹性模量等力学性能产生不同程度的影响。 沿[100]晶向的拉伸,截面尺寸越大,屈服强度越低;而沿[111]晶向,截面尺寸越大,屈服强度越大。应变率越大,屈服强度及屈服应变越大,但对于弹性模量几乎无影响。温度越高,材料的屈服强度、屈服应变及弹性模量越小,断裂应变越大。不同拉伸条件下的氮化钛纳米杆的拉伸过程均包括弹性变形、塑性变形与断裂阶段。[100]晶向的弹性模量都要高于[111]晶向。     

单轴应变：本构关系——它的内容、方法和意义

论述了单轴应变加载下固体中偏应力的基本含义和偏应力在本构关系研究中的意义。指出了加载-卸载波剖面测量在本构关系研究中的重要作用。建立了测量金属材料在平面冲击压缩下的剪切模量的基本方法,对表征固体材料弹性特性的剪切模量在冲击压缩状态下的物理含义做出了解释。根据剪切模量的一般性定义,建立了描写受冲击材料的准弹性-塑性卸载特性的有效剪切模量与纵波声速和横渡声速的关系。通过同时测量受冲击材料中的追赶稀疏波速度和波后粒子速度,获得了LY12铝在20～110GPa冲击压力和无氧铜在41～104GPa冲击压力下的声速和剪切模量,以及从冲击压缩状态卸载时沿着准弹性卸载路径的声速和有效剪切模量。 对目前广泛使用的描写单轴应变下固体材料的加载-卸载响应特性的SCG本构模型进行了分析,指出该本构关系的局限性,认为这种本构关系原则上不能用来描写受冲击材料的卸载过程。根据LY12铝和无氧铜的实验研究结果,对SCG本构关系中的剪切模量方程进行修正,讨论了修正的物理含义。修正后的方程与实验测量结果符合很好,在此基础上提出新的加载本构方程。 根据铝和铜沿着准弹性卸载路径的声速测量结果,提出了描写受冲击压缩固体的准弹性卸载的有效剪切模量方程和相应的屈服强度方程。建立了单轴应变下包含加载-卸载过程的新的本构方程。根据本文的实验测量结果,给出了铝合金和无氧铜卸载本构方程的解析形式,确定了相关参数。 依据文中提出的加载本构和卸载本构方程,对实验测量的6发LY12铝的波剖面、美国5发6061-T6铝合金的加载-卸载波剖面及冲击波衰减数据,进行了数值模拟计算和预测。计算中采用与本文测量相同的卸载本构参数,计算结果与实验结果符合很好,再现了这些波剖面的准弹性-塑性卸载行为和冲击波衰减行为。对3发无氧铜波剖面的计算模拟,也获得了令人满意的结果。 最后,从现象学出发,对发生在冲击波阵面内的弹-塑性屈服过程进行了分析,对固相区冲击波后材料的状态不在屈服面上的原因进行解释。     

金属铍的压缩变形行为

利用材料试验机及Hopkinson杆装置系统开展热等静压金属铍在不同温度下的静动态压缩力学行为研究,获得了温度、应变率对金属铍屈服强度和加工硬化行为的影响规律。结果表明:金属铍在压缩应力状态下呈现出良好的塑性,同时其力学性能具有显著的应变率敏感性与热软化效应,屈服强度和流动应力随应变率提高呈明显增大趋势,随着温度升高逐渐降低。同时,室温下其加工硬化行为随着应变增大表现为分段硬化特征,随温度升高则趋于理想塑性。最后,采用修正的Johnson-Cook本构模型对实验结果进行了拟合,模型计算结果与实验结果吻合较好。     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。     

钽和LY12铝的高压声速测量

应用两种不同的实验装置钽飞片/LY12铝缓冲层/LiF窗口和钽飞片/LiF窗口,采用逆向碰撞法测量了钽在110~131 GPa冲击压力下的纵波声速。实测的钽的声速结果与文献\[5\]报道的数据有较好的一致性。研究结果表明,作为缓冲层的LY12铝与LiF窗口的阻抗比较接近,使用缓冲层对钽的声速测量结果没有明显影响。实验测量同时获得了LY12铝在110 GPa和131 GPa冲击压力下的纵波声速。结合文献\[4\]的数据表明LY12铝在125～150 GPa冲击压力范围内,纵波声速随冲击压力的增加逐渐降低至体波声速。     

High-pressure strength of aluminum under quasi-isentropic loading

Under shock loading, metals typically increase in strength with shock pressure initially but at higher stresses will eventually soften due to thermal effects. Under isentropic loading, thermal effects are minimized, so strength should rise to much higher levels. To date, though, study of strength under isentropic loading has been minimal. Here, we report new experimental results for magnetic ramp loading and impact by layered impactors in which the strength of 6061-T6 aluminum is measured under quasi-isentropic loading to stresses as high as 55 GPa. Strength is inferred from measured velocity histories using Lagrangian analysis of the loading and unloading responses; strength is related to the difference of these two responses. A simplified method to infer strength directly from a single velocity history is also presented. Measured strengths are consistent with shock loading and instability growth results to about 30 GPa but are somewhat higher than shock data for higher stresses. The current results also agree reasonably well with the Steinberg–Guinan strength model. Significant relaxation is observed as the peak stress is reached due to rate dependence and perhaps other mechanisms; accounting for this rate dependence is necessary for a valid comparison with other results.     

CoCrFeMnNi高熵合金冲击波响应与层裂强度的分子动力学研究

高熵合金未来有望应用于航空航天和深海探测等领域, 并且不可避免地会受到极端冲击载荷作用, 甚至会发生层裂. 本文采用分子动力学(MD)方法, 研究了CoCrFeMnNi单晶高熵合金冲击时的冲击波响应、层裂强度以及微观结构演化的取向相关性和冲击速度相关性. 模拟结果表明, 在沿[110]和[111]方向进行冲击时产生了弹塑性双波分离现象, 且随着冲击速度的增加呈现出先增强后减弱的变化趋势, 但在沿[100]方向冲击时未出现双波分离现象. 在冲击过程中, 大量无序结构产生且随冲击速度的增加而增加, 使得层裂强度随冲击速度的增加而减小. 此外, 层裂强度也具有取向相关性. 沿[100]方向冲击时产生了大量体心立方(BCC)中间相, 抑制了层错以及无序结构的产生, 使得[100]方向的层裂强度最高; 层裂初期微孔洞形核区域无序结构含量大小关系的转变, 使得[111]方向的层裂强度在冲击速度较低时(U_p≤0.9 km/s)大于[110]方向, 而在冲击速度较大时(U_p≥1.2 km/s)略小于[111]方向. 研究成果有望为 CoCrFeMnNi高熵合金在极端冲击条件下的应用提供理论支撑和数据积累.      

基于反向撞击法的JB-9014炸药Hugoniot关系测量

为了获得JB-9014未反应炸药的Hugoniot关系，在火炮加载平台上利用反向撞击技术对JB-9014炸药进行一维平面冲击实验。将JB-9014炸药样品作为飞片安装于弹托前表面，将镀膜氟化锂窗口作为装置靶。利用火炮加速弹托，使炸药样品以一定速度撞击镀膜氟化锂窗口，通过光子多普勒测速仪(photonic Doppler velocimetry，PDV)测量炸药样品击靶速度以及炸药/镀膜氟化锂窗口界面粒子速度。最终根据冲击波阵面守恒关系计算获得了JB-9014炸药冲击Hugoniot数据，采用正交回归直线拟合得到了炸药样品在3.1～8.2 GPa压力范围内的冲击Hugoniot关系:D_s=2.417+2.140u_s (D_s和u_s的单位均为km/s)。结果表明:该方法测试精度较高，响应时间快(小于5 ns)，同时该方法可以对炸药的反应情况进行检测，便于判断实验是否测得真实的未反应炸药冲击Hugoniot数据。     

Phase transition and dynamics of iron under ramp wave compression

The ramp wave compression experiments of iron with different thicknesses were performed on the magnetically driven ramp loading device CQ-4. Numerical simulations of this process were done with Hayes multi-phase equation of state (H-MEOS) and dynamic equations of phase transition. The calculated results of H-MEOS are in good agreement with those of shock phase transition, but are different from those under ramp wave compression. The reason for this is that the bulk modulus of the material in the Hayes model and the wave velocity are considered constant. Shock compression is a jump from the initial state to the final state, and the sound speed is related to the slope of the Rayleigh line. However, ramp compression is a continuous process, and the bulk modulus is no longer a constant but a function of pressure and temperature. Based on Murnaghan equation of state, the first-order correction of the bulk modulus on pressure in the Hayes model was carried out. The numerical results of the corrected H-MEOS agree well with those of pure iron in both ramp and shock compression phase transition experiments. The calculated results show that the relaxation time of iron is about 30 ns and the phase transition pressure is about 13 GPa. There are obvious differences between the isentropic and adiabatic process in terms of pressure–specific volume and temperature–pressure. The fluctuation of the sound speed after 13 GPa is caused by the phase transition.     

A physical model of the structure and attenuation of shock waves in metals

In this paper, a physical model of the structure and attenuation of shock waves in metals is presented. In order to establish the constitutive equations of materials under high velocity deformation and to study the structure of transition zone of shock wave, two independent approaches are involved. Firstly, the specific internal energy is decomposed into the elastic compression energy and elastic deformation energy, and the later is represented by an expansion to third-order terms in elastic strain and entropy, including the coupling effect of heat and mechanical energy. Secondly, a plastic relaxation function describing the behaviour of plastic flow under high temperature and high pressure is suggested from the viewpoint of dislocation dynamics. In addition, a group of ordinary differential equations has been built to determine the thermo-mechanical state variables in the transition zone of a steady shock wave and the thickness of the high pressure shock wave, and an analytical solution of the equations can be found provided that the entropy change across the shock is assumed to be negligible and Hugoniot compression modulus is used instead of the isentropic compression modulus. A quite approximate method for solving the attenuation of shock wave front has been proposed for the flat-plate symmetric impact problem.     

斜波压缩下HMX晶体的弹塑性行为

开展了（010）、（011）晶向HMX晶体的斜波压缩实验,获得了约15 GPa压力下的速度响应剖面。实验结果表明,HMX单晶存在明显弹塑性转变行为,且速度波形有下降趋势,这是材料的黏性效应导致,材料的弹性极限随着样品厚度增加而变化,不同晶向的材料动力学特性存在差异。结合Hobenemser-Prager黏弹塑性本构关系和三阶Birch-Murnaghan物态方程开展了HMX晶体斜波压缩物理过程的数值模拟,计算结果可以很好地描述HMX晶体的弹塑性转变这一物理过程。