35 GPa斜波加载下RDX单晶炸药的动力学行为

利用磁驱动斜波加载10 MA装置和激光干涉测速技术,开展了35 GPa压力下(100)晶向RDX单晶炸药的斜波压缩实验,获得了RDX单晶/LiF单晶窗口界面速度数据。实验结果显示,速度波剖面表现为明显的三波结构,由低到高依次对应弹性波、塑性波和相变波,α-γ相变的起始压力为3.1 GPa。结合修正的多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对RDX单晶炸药的斜波压缩过程开展一维流体动力学数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致。     

铁冲击相变的晶向效应

采用基于火炮加载的三样品精细波剖面对比测量,研究了晶向效应对铁弹-塑性转变及体心立方结构(bcc,α相)至六角密排结构(hcp,ε相)相变特性的影响.观测到单晶铁异常的弹-塑性转变行为,这与基于位错密度描述的黏塑性本构模型计算结果相符,对应的Hugoniot弹性极限δ_(HEL)均大于6 GPa,且具有晶向相关性,即δ(111)/(HEL)δ(110)/(HEL)δ(100)/(HEL);系统获取了相变起始压力P_(PT)晶向相关性的实验数据,[100],[110]和[111]晶向的PPT实测值分别为13.89±0.57 GPa,14.53±0.53 GPa,16.05±0.67 GPa,其变化规律与非平衡分子动力学计算结果相符.上述结果揭示出冲击压缩下单晶铁存在塑性与相变微观机理的强耦合,为完善用于冲击实验描述的相场动力学模型提供了重要的实验支撑.     

FeMnNi合金冲击相变与卸载逆相变历程研究

采用VISAR测试技术,将正向加载和逆向加载实验相结合,研究了不同加载压力下FeMnNi合金的冲击相变和卸载逆相变历程.结果表明:冲击加载压力与冲击相变阈值之差小于逆相变阈值时,即0＜σp-σt＜σn,FeMnNi合金发生α→ε相变,加载段呈现弹性波、塑性波和相变波三波结构,塑性波在自由面反射稀疏波使FeMnNi合金完...     

RDX单晶炸药的冲击-斜波加载实验研究

基于磁驱动加载装置CQ-4,完成了冲击-斜波复杂加载实验设计,开展了RDX单晶(210)、(100)两个晶向在不同加载压力下的冲击-斜波压缩实验,获得了RDX单晶样品与LiF窗口界面的速度历史曲线和纵波声速。实验结果显示:速度波剖面可分为冲击压缩、斜波压缩和卸载3部分;当冲击压力较高时,冲击压缩段中不再出现弹塑性转变以及4 GPa附近相变的速度特征波形;当冲击压力较低时,在冲击压缩段观测到了弹-黏塑性波形。     

铁的冲击相变机制的分子动力学研究

 用分子动力学方法模拟计算了在冲击波加载条件下,单晶铁中的结构相变（由体心立方结构α相到六角密排结构ε相）,相互作用势采用铁的嵌入式原子势（EAM）,单晶铁样品的尺寸为28.7 nm×22.9 nm×22.9 nm,总原子数为1.28×10⁶个。通过推动一个运动活塞对静止靶的作用来产生冲击压缩,加载方向沿单晶铁的[100]晶向。通过对原子位置的追踪,揭示了铁的冲击相变机制,计算结果表明相变机制包括两步：首先是在{011}面上的原子受到沿〈100〉晶向的压缩,使{011}面转化成正六角形密排面;然后是在{011}面上原子沿〈0-11〉晶向的滑移,完成由bcc结构到hcp结构的相变。同时发现滑移面只出现在与冲击波加载方向平行的(011)和(0-11)面上。     

冲击加载下FeMnNi合金相变和层裂特性实验研究(英文)

采用激光速度干涉仪(VISAR)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)联合测试技术,利用等厚对称加载和逆向加载实验,研究了Fe MnNi合金的冲击相变和层裂行为。结果发现:加载压力大于6.5 GPa时,Fe MnNi合金样品发生α→ε相变;中心稀疏波的卸载作用使内压力降至4~5 GPa时,Fe MnNi合金样品发生ε→α逆相变,并伴有卸载稀疏冲击波形成。分析Fe MnNi合金样品中塑性波、相变波、稀疏波和稀疏冲击波的传播作用过程,发现加载压力大于其相变应力时,等厚对称加载下Fe MnNi合金存在产生层裂行为的物理机制。     

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.     

斜波压缩下RDX单晶的动力学特性

利用小型脉冲功率装置CQ-4,实现了RDX单晶(210),(100)两种晶向15 GPa内的斜波压缩加载.利用激光干涉测速技术,实验获得了RDX单晶样品与LiF界面的速度历史曲线.速度曲线表现出明显的三波结构,表明出现了弹塑性转变和a-g相变.分别计算了两种晶向的应力屈服极限和屈服强度,不同晶向的RDX单晶的屈服极限表现出明显的差别.并对斜波加载下的a-g相变特征进行了分析,两种晶向的相转变起始压力基本相同, a-g相变起始压力在3.5—4.0 GPa之间,相变起始压力至5 GPa内均为相转变区, 5—15 GPa为稳定新相.     

预应力对多晶铁冲击行为影响的微观模拟研究

冲击加载铁动力学响应是当前冲击波领域金属材料塑性和相变行为研究最为关注的焦点之一.本文采用分子动力学模拟方法开展预应力作用下冲击加载多晶铁的动力学行为研究.模拟结果表明,随着预应力的增加,导致弹塑转变应力(Hugoniot弹性极限)和冲击波速度提高,符合已有的理论分析结果.微观晶体结构表征则发现较大的预应力导致剪应力大于屈服应力,塑性弛豫时间缩短,加快多晶铁α→ε相转变.进一步通过与平面及柱壳纯铁冲击加载获得的自由面速度剖面对比分析,证实了模拟结果.     

单晶铁沿[101]晶向冲击过程中面心立方相的形成机制

铁的冲击相变过程是科研工作者们关注的热点领域之一.铁沿[100]晶向冲击时会发生体心立方相到密排六方相的转变;而沿[101]晶向冲击时,相变产物除了密排六方相之外还出现一定量的面心立方相.人们已经明确了体心立方到密排六方相的转变机制,然而对于面心立方相的形成机制问题至今还在探索.本文通过分子动力学方法模拟了体心立方单晶铁沿[101]晶向的冲击过程,模拟结果显示体心立方相将转变为高压密排结构(密排六方相和面心立方相);并分析了面心立方相的形成机制:在冲击过程中,单晶铁沿[101]和101]晶向突然收缩,同时沿[010]晶向突然扩张,从而导致体心立方到面心立方相的转变.此外,本文进一步研究了不同应力状态下单晶铁的相变机制,发现沿[101]晶向单轴压缩以及沿[101]和[101]晶向双轴压缩时铁将发生体心立方到面心立方相的转变;而沿[101]和[010]晶向双轴以及三轴压缩时将会发生体心立方到密排六方相的转变.最后进一步计算了三个相的吉布斯自由能随压力的变化,并对冲击模拟结果进行了能量分析,给出了沿[101]晶向冲击条件下高压密排相产生的原因.     

铁冲击相变的分子动力学研究

用分子动力学方法模拟了单晶铁(Fe)在一定初始温度下冲击相变(α相→ε相)的微观过程，结果显示温度会导致冲击相变压力阈值降低.基于此微观过程，对加卸载波系的传播规律进行了相应计算和分析，结果表明在卸载过程中逆相变波(ε相→α相)相对于波前以当地纵波声速传播，而相对波后以亚声速传播，这可由卸载压力-密度曲线给出相应解释；计算了不同初态的卸载压力-密度状态曲线，并给出了逆相变带的分布，其分布规律显示了卸载过程逆相变的滞后现象. 关键词： 分子动力学 多体势 冲击波 相变     

冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构). 关键词： 相变 分子动力学 冲击波 纳米孔洞     

晶界对纳米多晶铝中冲击波阵面结构影响的分子动力学研究

用分子动力学方法研究了纳米多晶铝在冲击加载下的冲击波阵面结构及塑性变形机理.模拟研究结果表明:在弹性先驱波之后,是晶界间滑移和变形主导了前期的塑性变形机理;然后是不全位错在界面上成核和向晶粒内传播,然后在晶粒内形成堆垛层错、孪晶和全位错的过程主导了后期的塑性变形机理.冲击波阵面扫过之后留下的结构特征是堆垛层错和孪晶留在晶粒内,大部分全位错则湮灭于对面晶界.这个由两阶段塑性变形过程导致的时序性塑性波阵面结构是过去未见报道过的. 关键词： 晶界 塑性变形 冲击波阵面 分子动力学     

冲击波在纳米金属铜中传播的分子动力学模拟

使用分子动力学方法模拟了冲击波在纳米金属铜中的传播,模拟样品由Voronoi方法得到.结果显示纳米金属铜在冲击加载下呈现多次屈服的现象,并发现冲击波具有多波结构.由于设计样品时选择了晶粒取向,晶界滑移和位错在冲击波波形上被区分开.冲击波波阵面由弹性变形区、晶界滑移主导的塑性变形区和位错主导的塑性变形区组成.样品中弹性波前沿扰动较小,而位错主导的塑性波前沿扰动较大,造成后者的主要原因是波阵面上沿冲击方向不同取向晶粒的不同屈服行为.     

激光诱导AZ31B镁合金薄板动态响应实验研究

为分析在激光冲击波作用下AZ31B镁合金薄板背面的动态响应,采用聚偏氟乙烯贴片传感器与数字示波器对强激光诱导的冲击波进行测量,得到压电波形,结合冲击波的传播特性,对弹塑性双波的传播规律进行了研究。结果表明:激光诱导的材料动态响应是快速的;压电波形图反映出的弹性前驱波与塑性加载波传播到靶材背面的时间与理论时间相符;弹性前驱波能量小引发的波形振幅较小,紧随着的塑性加载波能量大并引起较大振幅波动,弹塑性双波卸载过程与紧接着的加载过程导致了压电信号的波动振幅提高。     

FeMnNi合金高压加卸载历程测量和相变层裂分析

 采用VISAR和X光联合测试技术,利用等厚对称和逆向碰撞法测量了FeMnNi合金高压加卸载历程和相变层裂信息。加载过程中,FeMnNi合金样品发生α→ε相转变,相变波速大于塑性波速,在撞击面上相变波与塑性波合并成单一相变波;卸载过程中,FeMnNi合金样品可能发生了逆相变,形成了除合并相变波在自由面反射中心稀疏波R以外的两道卸载波S1和S2。等厚对称高压加载下,FeMnNi合金样品发生了二次层裂。分析中心稀疏波R、卸载波S1和S2在样品中的传播作用过程,发现样品发生冲击相变和卸载逆转变是导致其等厚对称高压加载下发生二次层裂行为的主要原因。     

铈低压冲击相变数值模拟研究

对金属铈低压冲击γ→α相变进行了数值模拟研究.冲击加载实验的速度剖面结果表明,铈的低压相变过程中两相之间的转换较为光滑,无明显间断,其相变过程存在动态因素.通过分析金属铈低压冲击加载和卸载下的典型物理过程,对材料本构关系、Hugoniot关系和相变与逆相变过程进行了理论研究.获取了铈低压相变前后的本构关系及状态方程,并建立了非平衡相变理论模型.数值计算结果与平面冲击实验符合较好,表明该相变动态模型能够较好地描述铈的低压冲击加载和卸载过程.     

单晶Cu冲击加载及卸载下塑性行为的微观模拟

使用分子动力学方法对室温下单晶铜沿［001］和［111］方向冲击加载及卸载下的塑性行为进行了模拟,得到了Hugoniot关系以及冲击熔化压力,与实验基本符合. 加载过程中,较高的初始温度有利于位错的形核与发展. 通过对冲击波在自由表面卸载过程的模拟和分析发现：卸载过程呈现“准弹性卸载行为”;沿［001］方向卸载后大量不全位错环与堆积层错消失,而沿［111］方向卸载后只有少量层错消失,部分层错甚至会发展扩大. 关键词： 分子动力学 冲击波 塑性     

诊断LiF单晶弹性变形的瞬态X射线衍射

利用瞬态X射线衍射技术对LiF单晶沿晶向[100]方向冲击加载的晶格变形进行了诊断研究。实验在神光Ⅱ装置的球形靶上进行,北四路激光驱动Cu靶获得的类He线作为X射线背光源,第九路为加载光源,对大小为7mm×7mm、厚300μm的受激光加载的LiF单晶衍射,实验获得了LiF单晶晶面(200)压缩和未压缩状态的衍射信号。实验结果表明:LiF单晶在激光沿[100]方向冲击加载下,晶格发生了弹性变形,(200)晶面间距变小,衍射线上移,晶格压缩量为11%;该瞬态X射线衍射技术可用于冲击加载下的微观动态响应特性测量。     

α-锆的低压动态力学特性

锆在常态为六角密堆（Hexagonal close-packed，hcp）结构（α相），在高压下转变成六方结构（ω相），温度升高时（1136K以上）转变为体心立方（Body-centered-cubic，bcc）结构（β相），更高温度（2123K）下熔化。锆在较低压力下发生α→β相变，材料强度影响不可忽略，研究表明材料在屈服后发生相变，会对已有的塑性流动起增强作用。本构关系对于研究锆在冲击加载下相变前后、相变期间的物理和力学性质的变化，理解锆的基本动力学特性是必不可少的。