动态压缩下微介观物理新认识

动态压缩下材料的响应特性由于在国防科技、航空航天、能源环境等领域的应用需求而受到广泛关注。文章从传统的动态压缩实验研究方法出发,介绍了材料在平面冲击波作用下的宏观响应行为和规律性认识,并指出了传统研究方法对描述真实材料行为存在的不足以及开展微介观尺度实验物理研究的迫切需求。在该需求牵引下,简要介绍了动态X射线成像、衍射、散射等原位诊断技术,并总结了动态压缩下在塑性变形、冲击相变、层裂破坏等关键动力学过程中取得的微介观物理新认识。     

激光诱导2024铝合金表面动态应变检测

采用PVDF贴片传感器对脉冲激光作用下2024铝合金表面的动态应变进行了测量,分析了动态应变曲线的特性。结果表明,PVDF贴片传感器在动态应变测量中动态响应快,灵敏度高,可有效应用于脉冲激光诱导材料表面动态应变的实时测量。脉冲激光作用过程中,2024铝合金冲击光斑周围材料先受挤压,后压应变减小。脉冲激光作用结束后,2024铝合金冲击光斑周围材料表面粒子在卸载稀疏波和表面稀疏波的作用下不断往复运动,冲击光斑周围材料甚至受到了拉应变的作用。最后随着时间的推移,材料表面粒子的动态响应经反复震荡后逐渐衰弱形成最终的稳定状态。     

强激光加载铝材料动态损伤特性及其微介观结构观测

在神光-Ⅱ装置上利用强激光加载铝材料进行高应变率(高于106s-1)层裂实验,研究不同初始温度下高纯铝材料的动态损伤特性。采用任意反射面速度干涉仪测量样品自由面速度剖面,由自由面速度剖面计算纯铝样品层裂强度与屈服应力。结果表明:随着温度升高,材料层裂强度减小,屈服应力增大。对激光加载前后样品进行金相分析,观察不同初始温度下纯铝材料的微介观结构变化及其损伤特性。结果表明:随着温度升高,样品晶粒尺度缓慢增大,但在873K(近熔点)时晶粒尺度急剧增加;层裂面附近小孔洞数目较多,孔洞尺寸也较大,而远离层裂面处,孔洞数目相对较少,且尺寸也较小;材料的断裂方式随温度升高由沿晶断裂为主逐渐变为穿晶断裂为主。     

激光驱动材料动态压缩技术

激光驱动动态压缩实验是极端高压高密度研究的主要途径,在多个学科领域具有重要意义,包括地球行星科学,材料科学以及惯性约束聚变,有助于认识极端条件下的材料特性并拓展其在各学科的应用。近年来激光驱动压缩技术在激光装置、激光等离子体、制靶和诊断技术的同步提升下取得了突破性的进展,与其他极端条件实验平台相比,其斜波压缩、复杂路径、衰减冲击等新型加载路径得到快速发展,微介观诊断技术和宏观诊断技术相结合,具有明确的超高压、高温、高应变率以及高同步精度等技术特色。从激光驱动材料压缩的热力学路径、激光驱动的机制与特色、激光驱动实验技术、材料极端压缩物理进展等方面介绍激光驱动实验和理论方面的进展。     

晶体塑性有限元在材料动态响应研究中的应用进展

作为连续尺度上描述各向异性非均质材料弹塑性变形的重要模拟工具,晶体塑性有限元能够有效预测材料的宏观力学性能,在工程设计方面起着重要的作用。在实际工程应用中,许多晶体材料在高应力、高变形率、高温等极端条件下服役,此时各向异性非均匀的微介观结构演化是理解材料动态响应的关键,这给晶体塑性有限元带来了巨大的机遇和挑战。首先简要综述了晶体塑性有限元的原理和方法,然后着重介绍其在材料动态响应中的应用,最后展望其在材料动态响应模拟方面的发展方向。     

高温SHPB冲击实验技术及其应用

 为研究高温下材料的动态力学性能,研制了一套适用于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）高温冲击实验的温控系统。利用该温控系统和Φ100 mm常规SHPB装置,对混凝土在高温下的动态力学性能进行了实验研究,实验温度分别为20、200、400、600、800和1 000 ℃。结果表明：由管式实时加热装置和箱式预加热炉组成的温控系统操作方便,实验效率高,试件组装方法简便可行;热传导导致的试件温度分布不均匀和压杆局部温升对实验结果产生的影响可以忽略,实验技术可靠;高温下混凝土动态力学性能的温度效应十分明显,相同冲击速率下,随温度升高,平均应变率逐渐增大,动态应力-应变曲线逐渐表现出塑性特性,动态抗压强度随温度升高先增大后减小,动态峰值应变随温度升高不断增大。     

超高应变率拉伸破碎铝的粒子尺寸测量

材料在超高应变率下发生的动态拉伸破碎是冲击波物理领域的一个重要内容,受诊断技术限制,粒子尺寸直接测量的数据非常有限。基于脉冲激光同轴全息技术,建立了一套材料超高应变率破坏状态和破碎粒子诊断的高精度联合测量系统,利用该系统,成功开展了107～108/s超高应变率范围内铝的动态破碎粒子在位测量,获得了粒子尺寸分布数据。     

基于位错动力学方法的动态塑性变形研究

金属材料的动态塑性变形行为是一个多尺度的瞬变动力学过程,是物理学、力学以及材料科学等学科的交汇点,相关研究对工程应用具有重要的指导意义。动态载荷作用下,微观层面单个缺陷行为与介观层面缺陷群的集体演化行为交织在一起,导致金属材料呈现复杂的宏观力学现象。已有研究表明,金属材料的动态塑性变形与准静态变形存在显著差异,并且受到诸多内部及外部因素的影响。近几十年来,人们发展了位错动力学方法研究金属材料的动态塑性变形。但是由于动态变形问题的复杂性,对动态塑性变形的认识仍然存在不足。本文从计算方法和变形理论两个方面对该领域国内外发展历史及重要进展进行了回顾,以期为动态塑性变形研究提供有益的参考。     

环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性

为系统地研究环氧树脂玻璃钢在静、动态拉伸载荷作用下的力学性能，采用材料测试系统和分离式霍普金森拉杆对材料进行拉伸试验，获得0.001～0.1 s^-1及1 128～1 840 s^-1应变率下的应力-应变曲线和相应的力学参数。结果表明，动态加载下环氧树脂玻璃钢的应变率增强效应较为明显。为此，引入动态增强因子描述环氧树脂玻璃钢在高应变率下力学性能的增强。采用扫描电镜对损伤断面进行观测，发现动态加载下纤维束平整断裂，而非静态加载下纤维拔出失效。相较于静态加载，动态拉伸载荷作用下玻璃钢的基体-纤维界面断裂韧度更高。基于环氧树脂玻璃钢在动态拉伸下的力学响应，引入宏观损伤累积量，建立一种考虑损伤的非线性拉伸本构模型。拟合结果表明，该模型整体上可以反映环氧树脂玻璃钢在动态拉伸载荷作用下的力学响应。     

聚氯乙烯弹性体动态拉伸力学性能实验研究

为研究软质高分子聚合物材料的静、动态拉伸力学性能,利用Instron-5943万能材料试验机和改进型分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置对聚氯乙烯(PVC)弹性体材料进行了静、动态拉伸实验,得到了该材料在应变率为0.1 s~(-1)及400～1 850 s~(-1)下的应力-应变曲线。动态拉伸实验过程中,联合波形图分析和高速摄像方法对试样连接方式和胶黏剂进行了优选,通过脉冲整形器延缓入射波上升沿以实现恒应变率加载,调整入射杆与吸收杆间空隙解决了入射波基线偏离问题。结果表明:PVC弹性体在准静态(0.1 s~(-1))拉伸载荷下具有明显的线弹性特征,在动态(400～1 850 s~(-1))拉伸载荷下具有一定的黏性特征。构建了朱-王-唐(ZWT)非线性黏弹性本构模型以表征PVC弹性体材料的黏弹性力学特征,实验与模型拟合结果较吻合。     

基于原位X射线衍射技术的动态晶格响应测量方法研究

获取动态压缩条件下结构演化过程是冲击相变及其动力学机理研究最为关注的基础问题之一.对此,基于激光驱动瞬态X射线衍射技术,通过系列实验的物理状态关联和抽运-探测时序控制,实现了静态与动态晶格衍射信号的同时获取,消除了不同实验的装置结构和样品差异带来的测量误差,建立了一种基于原位X射线衍射技术的动态晶格响应测量方法.利用上述实验方法,成功实现了激光冲击加载下[111]单晶铁晶格压缩过程的原位测量,获取弹性及塑性响应的晶格压缩度与宏观雨贡纽测量结果完全符合,从晶格层面证实了超快激光加载下的高屈服强度(雨贡纽弹性极限值大于6 GPa),以及可能与晶向效应或加载率效应相关的相变迟滞现象(至终态压力23.9 GPa仍为体心立方结构),相关物理机制仍有待进一步研究.上述测量方法的建立为后续开展相变动力学机理研究提供了可行的技术途径和重要的参考价值.     

高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程

采用?74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。     

平面冲击波压缩下氧化铝陶瓷的动态强度

 简述了一维应变压缩条件下的材料动态强度表征,指出了静水压力和高应变率效应的强度影响。基于Drucker-Prager屈服准则,提出了Hugoniot弹性极限表征的修正形式。进行了氧化铝陶瓷平板撞击实验,采用VISAR测试了氧化铝陶瓷样品的自由面质点速度历程,讨论了氧化铝陶瓷动态压缩强度的测定和存在的问题,对实验现象进行了一定的探讨。结果表明,材料动态强度的表征与实验测定之间存在相当大的差距。     

Critical measurements for validation of constitutive equations under shock and impact loading conditions

Interpretation of the data often requires numerical simulations of the experiments and comparisons with the data. However, determination of an appropriate set of values for parameters in constitutive equations valid under shock and high strain rate loading remains one of the most difficult tasks for material model developers. Most researchers employ experimental data obtained under idealized stress/strain states in the model parameter calibration scheme. Since the dynamic response of materials is very complex, especially the failure response, the generality of the model parameters is highly questionable. For example, the fracturing of ceramic materials involves nucleation, propagation, and coalescence of microcracks under shock and impact. The dynamic deformation processes in ceramics include dynamic pore collapse, dislocation generation, twinning, and microcracking. When shocked above the Hugoniot elastic limit, the ceramic deformation becomes inelastic; therefore, the constitutive model formulation should consider modeling the effects of these various processes on the degradation of strength and stiffness of ceramic. This paper presents a brief summary of diagnostic measurements and modeling techniques associated with validation and verification of ceramic constitutive/damage models under high strain rate, shock, and penetration loading applications.     

孪晶对Be材料冲击加-卸载动力学影响的数值模拟研究

在高压、高应变率加载条件下,孪晶变形对材料的塑性变形具有重要的贡献,而目前孪晶对金属材料的动态屈服强度、冲击响应等的影响还没有被充分揭示.为此,本文考虑孪晶变形和晶粒碎化,针对铍(Be)材料在高应变率加载下的动态力学响应发展了含孪晶的热弹-黏塑性晶体塑性模型.经过和实验结果的对比,发现该模型可以更准确地预测Be材料在动态加载下,尤其是高压动态加载下的屈服强度.进一步,基于该塑性模型研究了Be材料在冲击加载下的准弹性卸载行为,结果表明剪切波速随着压力和剪应变的变化而发生变化是材料产生准弹性卸载现象的主要原因.此外,研究了冲击波卸载过程中Be材料孪晶的演化过程,发现Be材料卸载过程中也伴随着孪晶的产生.     

钢纤维混凝土板在冲击与爆炸荷载下的K&C模型

钢纤维混凝土(Steel fiber reinforced concrete,SFRC)具有优异的延性、韧性及能量吸收能力,被广泛应用于各类防护结构。K&C模型已成为研究普通混凝土构件动力响应的常用材料模型,但仍无法准确表征SFRC的动力特性。为了提高K&C模型在冲击及爆炸荷载作用下预测SFRC板动力响应的能力,对K&C模型进行了改进:基于大量三轴压缩实验数据,建立了新的失效强度面参数模型;采用反复试验法,建立了新的损伤演化模型,并校准了拉、压损伤参数;基于大量高应变率下SFRC的单轴压缩实验数据,建立了新的受压动力增强因子模型。通过LS-DYNA显式有限元动力分析软件模拟了SFRC板的动力响应,模拟结果验证了上述改进的有效性与可靠性。     

The response of polymethyl methacrylate (PMMA) subjected to large strains,high strain rates,high pressures,a range in temperatures,and variations in the intermediate principal stress

This article presents the response of polymethyl methacrylate (PMMA) subjected to large strains, high strain rates, high pressures, a range in temperatures, and variations in the intermediate principal stress. Laboratory data from the literature, and new test data provided here, are used in the evaluation. The new data include uniaxial stress compression tests (at various strain rates and temperatures) and uniaxial stress tension tests (at low strain rates and ambient temperatures). The compression tests include experiments at ?ε= 13,000 s^?1, significantly extending the range of known strain rate data. The observed behavior of PMMA includes the following: it is brittle in compression at high rates, and brittle in tension at all rates; strength is dependent on the pressure, strain, strain rate, temperature, and the intermediate principal stress; the shear modulus increases as the pressure increases; and it is highly compressible. Also presented are novel, high velocity impact tests (using high-speed imaging) that provide insight into the initiation and evolution of damage. Lastly, computational constitutive models for pressure, strength, and failure are presented that provide responses that are in good agreement with the laboratory data. The models are used to compute several ballistic impact events for which experimental data are available.     

飞秒激光产生的X射线双光谱成像

在微介观诊断中往往因为空间限制,选择具有亮度高、单色性好、对比度强的特征谱线,而忽略了轫致辐射谱线。率先实验设计了特征谱线和轫致辐射谱线的双光谱诊断X射线光源的方法,在中国工程物理研究院“星光Ⅲ”激光装置飞秒激光束靶室上进行实验,激光功率密度大于1.6×1018 W/cm2,脉宽为30 fs,45°入射靶面。在入射靶前侧,设计了用于特征光谱成像的针孔成像光路,获得Cu纳米颗粒靶产生的特征X射线的焦斑图像,为76 μm,大于刃边方法测得半径为54 μm的焦斑。在靶后侧,设计了轫致辐射成像光路,利用PIX射线CCD获得2×5的圆形Ta组图像。实验表明,利用双光谱成像设计合理,适合微介观材料动态诊断,提高诊断效率。     

Three-dimensional textile structural composites under high strain rate compression: Z-transform and discrete frequency-domain analysis

Z-transform theory was applied to several three-dimensional (3D) textile structural composites, including an angle-interlock woven composite, a multilayer multi-axial warp knitted composite and a 4-step braided composite, to characterize their system dynamic behaviour in the frequency domain. More specifically, the analysis focused on the relationship between the compressive load and the system response under static (strain rate 0.001?s^?1) and impulsive (strain rate up to 2700?s^?1) strain along both the in-plane and out-of-plane directions, respectively. The high strain rate compressions were tested using a split Hopkinson pressure bar apparatus, and the input and output (the stress–strain curve) of the test specimen was obtained by recording the signals using a computer for further analysis. Z-transform was then used to analyze the dynamic response and stability of the composites of different preform structures and at various loading conditions. This is the first such attempt to study the compression behaviour of 3D textile structural composites at various strain rates in the frequency domain in order to reveal their mechanical behaviour and features of the materials from a new perspective.     

G50钢与G31钢动态力学性能的对比试验研究

采用拉伸、冲击、霍普金森杆压缩及所设计的爆轰加载试验方法,对比研究了G50钢与G31钢在准静态、动态及爆轰加载条件下的力学性能。试验结果表明:G50钢和G31钢在准静态、10^3 s^?1应变率下的动态力学性能相近;在爆轰加载条件下,G50钢和G31钢试样发生了近乎相同的破坏形态,说明在超高压及超高应变率条件下两种材料具有相近的屈服强度和抗拉强度。研究结果表明,G31钢与G50钢有相似的力学性能,在侵彻战斗部壳体方面可做进一步的应用尝试。