纯铁和铁基合金楔形样品中的冲击相变

2005年，Koflov等对滑移爆轰加载下的楔形纯铁DT-2样品进行了研究，样品仅在斜面部分发生了局部层裂，材料中明显存在不同的几个区域：材料无破坏区域、层裂开始和发展区域、加载表面-高能炸药接触面、满足α-ε相变条件的加载表面邻近区域和初始状态为硼发生高应变率变形的材料区域。但是滑移爆轰加载波系作用非常复杂，无法准确给出各区域宏细观变形破坏所对应的加载应力状态。     

PBX材料宏细观断裂行为的数字散斑相关法实验研究

 采用半圆盘弯曲实验和数字散斑相关方法,对高聚物粘结炸药（PBX）的宏、细观断裂行为进行了实验研究。宏观上,带有预制裂纹的半圆盘试样发生拉伸破坏,利用数字散斑相关技术得到了试样的应变场和位移矢量场分布,定量分析了试样全场的变形特征,并测得了PBX材料的平面应变断裂韧性;细观上,用配有加载装置的扫描电子显微镜对含预制裂纹的半圆盘试样间接拉伸下的损伤演化和破坏过程进行了实时原位观察,借助于数字散斑相关方法,定量分析了试样损伤局部化特征。结果表明,将数字散斑相关方法用于研究PBX材料宏、细观尺度上的变形破坏问题是有效的。     

强冲击下金属材料动态损伤与破坏的分子动力学模拟研究进展

强冲击下金属材料的动力学过程及其内在的机理分析一直是冲击物理的前沿,无论是在国家基础工程还是尖端武器研制中都具有重要的意义与价值。结合课题组的相关工作,综述了国内外冲击物理领域对金属材料在强冲击作用下动态损伤和破坏行为及其机理等问题的研究进展,重点讨论了金属材料内部及表界面微观结构对损伤破坏机制的影响,介绍了复杂加载条件下材料行为研究的机遇与挑战,并展望了下一步研究工作的重点。     

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.     

高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。     

结构钢中绝热剪切带形成与扩展的光学观测与数值模拟

绝热剪切带(Adiabatic Shear Band,ASB)是许多金属材料在冲击载荷作用下发生破坏的主要原因之一,它是近年来冲击动力学和损伤力学研究的前沿和热点。相关的理论研究主要针对一维剪切条件,分析应力、应变、剪切速度、材料热物理和力学性能、初始缺陷大小之间的关系,得到一个由多个物理量组合而成的量来判别材料出现剪切带的难易。ASB的实验主要利用Hopkinson压杆、扭杆、压剪炮等加载技术,研究钛合金、钨合金、高强结构钢等材料的剪切带特征,包括局部温度和变形分布、剪切带出现的阈值等。但是,对剪切带演化过程的在位观察及其动态实时演化的研究还较少见,妨碍了人们对由于剪切局部化而导致的材料破坏机理的深入认识。针对45钢,在Hopkinson压杆上,开展了不同冲击加载条件下剪切带演化过程的在位观察及可视化研究。利用自行设计的高分辨力的光学观测系统和基于数字相关理论的图像处理软件,捕捉了单一试样在冲击加载条件下ASB逐渐形成和扩展的过程。同时,利用LS-DYNA商业程序对试样的冲击压缩过程进行了数值模拟,所得主要结果与实验观测基本一致。     

基于缠结微结构的非晶态玻璃态高分子材料屈服行为的分子动力学研究

非晶态玻璃态高分子材料作为结构材料在工程领域应用广泛,其机械力学性能特别是屈服变形行为受到热处理、加载应变率和环境温度的影响.采用分子动力学模拟方法研究非晶态玻璃态高分子材料不同工况下的单轴拉伸变形,基于分子链缠结微结构的概念,阐明了非晶态玻璃态高分子材料屈服和应变软化过程的内在变形机制.结果表明,拓扑缠结具有较为稳定的空间结构,难以发生解缠,决定了非晶态高分子材料屈服后的软化平台.由相邻分子链的局部链段相互作用形成的次级缠结在一定外界条件下可发生破坏或重新生成,次级缠结微结构及其演化是非晶态高分子材料发生屈服及软化的内在物理原因.     

冲击载荷下Al2O3陶瓷的失效与破碎特性

作为典型的脆性材料,陶瓷对变形具有高度敏感性,在强动载荷下具有完全不同于延性金属材料的损伤、破坏行为等力学响应特性。采用分离式霍普金森杆测试系统对Al_2O_3陶瓷进行了冲击加载试验,获得了陶瓷的动态抗拉/压力学性能,以及材料破碎特性随应变率的变化关系。利用能量守恒和动力学的理论方法,对脆性陶瓷材料在不同应变率下的力学特性和碎片尺度进行了深入研究。结果表明:在冲击载荷作用下,Al_2O_3陶瓷的抗拉和抗压强度均与应变率呈正相关。Al_2O_3陶瓷试样在一维应力波作用下的破碎颗粒尺寸差异较大,随着加载应变率的增加,破碎的陶瓷颗粒总数增大,颗粒平均粒径减小,应力集中的影响逐渐减弱。采用DID模型模拟的脆性材料碎片尺度与实验结果比较吻合,Grady模型源于韧性材料的推广,与实验结果的偏差较大。     

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.     

AD95陶瓷破坏波问题的实验研究

采用激光速度干涉技术,连续测量了AD95氧化铝陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面速度剖面,通过对速度剖面特征的分析,讨论了AD95陶瓷等脆性材料在冲击压缩下是否存在破坏波现象及其与材料特性的关系。研究结果表明:冲击加载应力在4.4~7.3GPa范围,即从小于到略大于雨贡纽弹性极限(约5.5GPa),在AD95陶瓷的自由面速度剖面中都未出现表征破坏波现象的二次加载信号,表明未发生破坏波形式的严重压缩损伤;但是,自由面速度剖面中特征点的规律性时序关系和前沿弥散特征都表明,在所讨论的加载应力范围内,AD95陶瓷材料发生了一定程度的压缩损伤;断裂韧性是影响材料在冲击压缩下是否发生破坏波现象的重要因素,断裂韧性较低,冲击波加载下易于形成大量微裂纹扩展和贯通,使材料发生"粉碎性"的严重破坏,是产生破坏波现象的重要条件之一。     

爆轰加载下锡金属连续层裂损伤机理的数值分析

结合实验对所采用的计算程序和损伤模型进行验证,在此基础上开展了爆轰加载下锡材料连续层裂损伤机理研究。结果显示:锡靶板的破坏模式与加载强度、加载波形以及靶板的几何结构相关;材料初始微结构的作用反映在对临界截止孔隙度的影响上,进而影响靶板的损伤破坏;损伤模型中临界截止孔隙度越大,靶板的破坏程度越小。此外,材料拉伸、压缩损伤的计算结果与相应实验结果的对比显示,材料的损伤主要以拉伸损伤破坏为主。     

动载下材料的微结构演化专刊·前言

正动态加载下材料的响应行为是高压物理、爆炸力学等学科领域关注的重要科学问题之一,也是支撑国防科技和工程技术发展的关键基础,在航空航天、能源环境、交通安全等国民经济领域具有重要的应用价值。20世纪50年代后期,在相关任务驱动下,我国老一代科学家在极其困难的条件下开始了该领域的研究工作。经过半个多世纪的不懈努力,取得了很多重要的科研成果,培养了一大批优秀的中青年科研骨干,有力地支撑了我国国防科技和民生安全事业的发展。     

爆轰波对碰驱动平面锡飞层的动力学及动载行为特征研究

强冲击下的物质变形、破坏及诱发的轻重介质混合问题,是内爆压缩科学和工程应用领域的研究重点.本文针对爆轰波对碰条件下的复杂加载动力学过程及其动载破坏形态特征,开展数值模拟研究与极曲线理论分析.设计了爆轰波对碰驱动平面锡飞层的计算模型,获得了爆轰加载动力学过程及波系相互作用物理图像,分析了锡飞层对碰区自由表面速度历史的典型特征.给出了锡飞层中折射激波对碰发生马赫反射的临界条件,解读了三波结构的传播行为,阐明了对碰区内存在"一维正冲击"区域,一维区外存在单次斜冲击向两次斜冲击过渡的复杂加载动力学过程,提出了对碰区冲击动力学模型,揭示了影响对碰区动载行为特征的机理.数值模拟结果与极曲线理论分析结果相互印证,符合较好.本文的研究成果,将为深入理解和解读对碰区特殊的物质破坏及混合现象提供重要的理论支撑.     

强激光加载下金属材料微喷诊断实验研究进展

强激光加载下金属材料产生的微喷射现象及其内在的机理分析是冲击压缩科学与工程领域研究的前沿问题,相关研究对于认识材料在极端载荷条件下的动力学行为具有重要意义。近年来国内外科学家们基于各大激光装置开展了大量微喷射诊断实验研究,在喷射物性质、金属界面不稳定性增长以及微喷混合问题等方面取得了一系列重要进展。通过回顾微喷静态和动态诊断实验的研究历程,对微喷诊断实验研究方法的重要应用作了详细介绍,同时对微喷产生的主要作用机制、影响因素以及微喷混合等问题进行回顾、梳理和总结。根据当前国内外微喷诊断实验发展趋势,归纳总结目前微喷诊断实验研究结果中仍存在的不足,并对微喷射实验研究未来发展方向进行展望。     

六方碳化硅中的深能级缺陷

文章作者利用深能级瞬态谱(DLTS)，正电子湮灭谱(PAS)和光致荧光谱(PL)等谱分析技术研究了六方碳化硅中具有电活性的深能级缺陷、这些深能级缺陷分别通过不同能量的电子辐照、中子辐照，或氦离子注入等产生．经过研究和分析各种实验测试的相关图谱，作者给出了六方碳化硅中一些重要的深能级缺陷在可控辐照条件下产生和退火行为的研究结果以及这些深能级缺陷相关结构的实验依据．     

对碰爆轰波驱动下几种金属平面飞层的动载行为

两相向传播的滑移爆轰波相互碰撞时，被其驱动的飞层内会产生急剧升高的压力和剪切流变。这种加载条件与被驱动飞层材料动载性能耦合，可能在飞层相应局域引发特殊的表面喷射、变形失稳、断裂等动载行为。本课题选择铅和无氧铜作为研究对象，采用光学分幅和脉冲X光照相技术，对Pb和Cu平面飞层在爆轰波对碰驱动下的动载行为进行观测，对相关物理机制进行分析。     

爆轰波对碰加载下平面Sn材料动力学行为实验研究北大核心CSCD

基于简易平面对碰加载实验装置,采用DPS测速和传统X光联合诊断技术,实验研究了Sn样品对碰区的动力学行为,给出了包含对碰区主体破碎物质的密度-空间分布数据和样品前表面微喷物质速度、分布宽度的关键信息的总体物理图像。该研究结果为后续爆轰波对碰加载下材料动力学行为实验中诊断技术的选择和解读,以及相关物理规律的认识提供了重要的实验依据。     

分子动力学方法在金属材料动态响应研究中的应用

随着计算机技术和实验诊断技术的发展,分子动力学(MD)方法在冲击动力学领域发挥着越来越重要的作用。从MD方法的基本原理出发,介绍了积分算法、相互作用势、常用的数据处理方法,系统梳理了MD方法在冲击加载下金属材料的塑性变形、相变、动态损伤断裂(层裂)等研究的应用。其中:在冲击塑性方面,主要阐述单晶、双晶和多晶体系中的塑性变形机理,以及变形过程与微结构等的联系;在冲击相变方面,主要以金属铁为例,介绍耦合冲击相变与冲击塑性的MD计算模拟工作;在动态损伤断裂方面,主要阐述冲击加载下金属材料中孔洞动态演化及贯通、激光加载下材料的动态响应等工作。最后,对MD方法的未来应用进行了展望,以期为相关领域的研究提供参考。     

爆轰波对碰加载下平面Sn材料动力学行为实验研究

基于简易平面对碰加载实验装置,采用DPS测速和传统X光联合诊断技术,实验研究了Sn样品对碰区的动力学行为,给出了包含对碰区主体破碎物质的密度-空间分布数据和样品前表面微喷物质速度、分布宽度的关键信息的总体物理图像。该研究结果为后续爆轰波对碰加载下材料动力学行为实验中诊断技术的选择和解读,以及相关物理规律的认识提供了重要的实验依据。     

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。