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.      

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。     

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。     

超高速碰撞LY12铝靶产生等离子体的电子温度诊断

为了诊断超高速碰撞过程中产生等离子体的电子温度,进而研究不同碰撞速度、相同入射角度（弹道与靶板平面的夹角）下超高速碰撞产生瞬态等离子体在整个物理过程的电子温度随时间的演化规律,设计了适用于瞬态等离子体诊断的扫描Langmuir探针诊断系统。通过二级轻气炮加载LY12球形铝弹丸,运用设计的扫描Langmuir探针诊断系统分别进行了入射角度为30、不同碰撞速度下碰撞LY12铝靶产生等离子体的实验诊断。获得了整个物理过程在给定探针位置处等离子体的电子温度与碰撞速度的关系。     

受冲击LY-12铝塑性变形阻力的确定

应用锰铜压力计测定了36.43、59.38和111.28kbar下LY12铝的塑性变形阻力Y。获得的塑性变形阻力与冲击压力P的拟合曲线关系可以近似地表示为:Y=3.173-0.0003287P+0.0001352P~2(k bar)。这表明,在冲击压力作用下,LY12铝呈现非线性递增强化的特性。     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

预应力对LY12铝弹性前驱波的影响

通过过盈配合的热装配方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应力,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对弹性前驱波的影响。结果表明:当飞片均以500 m/s的速度撞击样品时,压缩预应变为0(无预应变)、964.5×10-6和1 886.0×10-6时,弹性前驱波幅值分别为87.56、95.24、121.03 m/s,压缩预应力(变)提高了LY12铝弹性前驱波幅值。结合实验的特点,探讨了对样品施加静态径向预应力的数值模拟方法,结果表明,上升沿(100 μs)较为缓慢的加载可以达到与准静态加载应力分布一样的结果。采用该数值模拟方法给出和验证了弹性前驱波随压缩预应力增加而上升的计算结果,与实验结果较为吻合。     

甲烷气体的冲击化学反应流研究

用二级轻气炮加载技术将W89Mo9Ni1Fe1飞片加速到约5.0km/s,撞击封装有接近常态的甲烷气体的LY12铝靶。利用六通道高温计和示波器记录到冲击压缩的甲烷气体的光辐射历史曲线,并获得甲烷气体的冲击波速度与温度。利用一维Euler方程与化学反应方程的全流场耦合,采用甲烷体系的13组元40反应步的化学反应模型,并用3阶WENO数值格式对空间进行离散。为避免刚性过强,化学反应源项用点隐方法处理。由此得到了甲烷的冲击反应流场和波后热力学参数。通过比较,数值结果与实验结果符合较好。最后,解释了甲烷用作电探针保护气体的物理机制。     

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

通过对球面飞片加载条件下的应力/应变状态分析表明采用施加径向应变方法可以近似模拟球面加载的受力过程. 采用过盈配合的热装配方法对平面样品施加了径向预应变,一维平面应变气炮实验结果显示初始预应力(变)明显降低了LY12铝层裂强度. 从空洞长大基本原理出发分析了各向异性受力条件下空洞长大的路径和所消耗能量不同于各向同性应力加载.通过数值模拟对含损伤的材料本构模型进行分析,得到了材料层裂强度与其外部宏观应力场密切相关,也间接的与构型相关的结论.      

冲击加载条件下材料之间摩擦系数的确定

尝试利用自制分离式霍普金森压剪装置对聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶和MDF水泥材料与铝合金在冲击加载条件下的摩擦系数进行测试.结果表明:在冲击加载条件下,聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶和MDF水泥与铝杆之间的摩擦系数与材料的性质关系不大,其摩擦系数测试结果存在一定的分散性,摩擦曲线出现抖动,且与加载条件有关,摩擦系数比通常意义下所得到的摩擦系数小;不同加载条件对所测试材料与铝压杆之间的摩擦系数数值影响不大,只是曲线的走势稍有不同.在冲击加载条件下硬质聚氨酯泡沫塑料与铝杆之间的静摩擦系数为0.29,动摩擦系数为0.25;硅橡胶与铝杆之间的静摩擦系数为0.285,动摩擦系数为0.24;MDF水泥与铝合金杆之间的静摩擦系数为0.28～0.29,动摩擦系数约0.23.     

氮及钛等离子体基离子注入铝合金表面改性层的摩擦磨损性能研究

研究了铝合金LY12等离子体基氮及钛离子注入层的摩擦磨损性能。用X射线光电子能谱和小掠射角X射线衍射对改性层中各元素分布及相组成进行了分析。用扫描电子显微镜对注入层形貌进行了观察和分析。结果表明：注入层由TiN、α-Ti、AlN、Al2O3和TiO2等相组成;注入后试样硬度提高了1倍以上;在低载荷下,摩擦系数处于0．10－0．14之间,注入层寿命提高了12倍以上,耐磨性提高了100倍以上;随着滑动载中增加,摩擦系数有所增大,而磨性有所降低;在注入层被磨穿以前以剥层磨损为主并伴有轻微的划伤,在注入层被磨穿以后以粘着磨损为主并伴有犁沟和粘着转移。注入改性层具有适当的梯度结构是提高铝事金表面硬度和耐磨性的主要原因。     

The isotope effect of gaseous hydrogen under shock compression

The shock compression method has been used to measure the Hugoniot data and shock temperature for gaseous hydrogen samples, covering the pressure range of 55-140 MPa and the temperature range of 3400-4500 K and with the initial conditions of P ₀ = 0.6 MPa, 1.2 MPa and T ₀ at room temperature. Spectral radiance histories emitted from shocked D ₂ and H ₂ + D ₂ (equimolar mixture) are monitored by a pyrometer system with seven wavelength channels. Theoretical calculations based on the Saha model with Debye-Hückel correction for the shock compression behavior of shocked gaseous samples are in good agreement with the measured Hugoniot data, but show slightly higher values for the shock temperature when comparing with experiments. An isotope effect relevant to these shocked hydrogen species has been found in the linear shock velocity vs particle velocity relation, in which the correlation factor between these hydrogen isotopes or hydrogen mixtures is simply of initial density dependence.Received: 8 December 2002, Accepted: 8 May 2003, Published online: 2 September 2003PACS: 62.50 + p, 31.30.GS, 51.90. + r     

延性材料动态断裂的实验研究和数值分析

本文对延性材料纯铜和ＬＹ１２铝合金进行了层裂实验，对软回收试件进行了仔细的定量和显微金相观测，观察到了两种材料中不同微损伤的形核、增长和聚合机制，为理论分析提供了真实的实验结果。将文〔４〕提出的延性动态损伤模型编入了一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序，对两组层裂实验进行了数值模拟，计算结果与实验吻合较好。     

EXPERIMENTAL STUDY AND NUMERICAL ANALYSIS OF DYNAMIC FRACTURE IN DUCTILE SOLIDS

Spall tests in pure copper and LY12 aluminum alloy are performed. Themechanism of the nucleation, growth and coalescence of micro-voids is observed bymeans of microscopic observation of the recovered specimens. The model presented inRef. [4] is incorporated in a hydrodynamic one-dimensional finite-difference computercode to simulate the processes of spallation in pure copper and LY12 aluminum alloyspecimens. This model can satisfactorily describe the processes of spallation.     

高焓膨胀管中压缩管最佳长度设计分析

中国空气动力研究与发展中心超高速所即将建成的高焓喷胀管采用自由活塞驱动,为了能够使该设备有效运行试验时间达到最长,需要对设备中的压缩管长度进行优化。针对压缩管中的自由活塞运动,本文通过数值求解单一组分和混合驱动气体条件下的活塞运动准一维常微分控制方程组,分析了不同试验设计参数和不同驱动气体介质对压缩管定压驱动时间的影响。采用数值解结合脊线(局部极值曲线)理论获得了定压驱动时间局部极值曲面,基于压缩管四种摩尔比例驱动气体(100%H2,85%H2+15%N2,100%He,85%He+15%Ar)和三组压缩比(λ=60,100,140)下的极值曲面,研究发现,定压驱动时间脊线高度随着压缩管的有效长度(初始活塞头部到压缩管末端膜片的距离)和内径之比L/D增加而增加。本文研究最终获得了给定参数条件下满足最长定压驱动时间要求的最佳压缩管长度。     

裂纹闭合和循环塑性预应变及循环载荷压缩部分对裂纹扩展速率的影响

本文针对三种国产材料 Ｌｙ１１ｃｚ、 Ｌｙ１２ｃｚ 铝合金和 １８ Ｍｎ Ｈ Ｐ钢,通过实验初步考察了循环塑性预应变和循环载荷压缩部分对疲劳裂纹扩展的影响;采用电测法,测定了两种铝合金材料疲劳裂纹扩展的张开应力和有效应力强度因子幅值比 Ｕ。结果表明：（１）材料循环塑性预应变和循环载荷压缩部分,都使疲劳裂纹扩展速率提高;（２）常幅载荷下,在疲劳裂纹稳定扩展阶段,有效应力强度因子幅值比 Ｕ 与应力比 Ｒ 有关,与裂纹长度ａ 无关,并依赖于材料的力学性能。     

冷挤强化孔残余应力场衰减分布的测试估计

根据挤压强化孔残余应力场具有衰减的特征,对ＬＹ１２ｃｚ和ＬＣ４ｃｓ两种铝合金材料在不同条件下挤压孔的残余应力衰减规律进行了有损试验测定。通过试验得到的有限数据,建立了一种指数型拟合函数模型,并可作为估计残余应力循环衰减值的一种工程简化方法。本文的研究结果为改善强化设计的失效预测方法提供了依据。