金属材料再加载“准弹性”响应的实验验证

 用波反射法设计了一维应变冲击实验，由时间分辨VISAR系统（Velocity Interferometer System for Any Reflection）测量了镁铝合金的冲击-再加载速度波剖面。结果显示，在排除窗口反射稀疏波的情况下，从24 GPa冲击态开始的再加载存在明显的“准弹性”响应，证实了Asay等报道的二次压缩“准弹性”响应是材料本征特性。并对金属材料高压本构参量实验测量的关键技术进行了探讨。     

铝的动态屈服强度测量及再加载弹性前驱波的形成机理分析

利用激光干涉测速技术(VISAR)测量LY12铝合金在20—34 GPa冲击压力下经历加载-卸载和加载-再加载过程的样品/窗口界面粒子速度剖面,采用AC方法确定了具有较高精度的动态屈服强度值.实验结果和文献发表的数据具有较好的一致性.通过以平面焊接方式制作组合飞片,克服了组合飞片在气炮发射过程中可能发生分离的技术困难,使铝的动态屈服强度测量压力范围从22 GPa扩展到了34 GPa.同时,根据对不同实验条件下的加载-再加载过程的比较,对再加载弹性前驱波的形成机理进行了讨论,认为位错是形成该现象的主要原因. 关键词： 动态屈服强度 AC方法 弹性前驱波 VISAR     

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...     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.     

铝的动态屈服强度测量及再加载弹性前驱波的形成机理分析

利用激光干涉测速技术(VISAR)测量LY12铝合金在20—34 GPa冲击压力下经历加载-卸载和加载-再加载过程的样品/窗口界面粒子速度剖面，采用AC方法确定了具有较高精度的动态屈服强度值.实验结果和文献发表的数据具有较好的一致性.通过以平面焊接方式制作组合飞片，克服了组合飞片在气炮发射过程中可能发生分离的技术困难，使铝的动态屈服强度测量压力范围从22 GPa扩展到了34 GPa.同时，根据对不同实验条件下的加载-再加载过程的比较，对再加载弹性前驱波的形成机理进行了讨论，认为位错是形成该现象的主要原因.     

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。     

平板冲击下氧化铝陶瓷弹性前驱波衰减的细观机理

利用一级轻气炮开展了不同厚度氧化铝陶瓷样品的平板冲击压缩实验,并借助激光速度干涉仪(VISAR)测试了样品的自由面速度历程.根据自由面速度历程确定了不同厚度氧化铝陶瓷样品的Hugoniot弹性极限值,结果显示,冲击压缩下氧化铝陶瓷中存在弹性前驱波衰减现象.进一步基于氧化铝陶瓷的细观结构扫描电镜(HEL)图像,分析了氧化铝陶瓷的细观结构特征,构建了含晶相、玻璃相等细观特征的力学模型.数值模拟冲击压缩加载下氧化铝陶瓷细观结构的力学响应过程,从细观层次上分析了弹性前驱波衰减现象的产生机理,指出冲击压力低于HEL时材料的细观损伤引起的能量耗散以及前驱波在细观结构晶界处反射和透射引起的能量分散过程是其产生的主要原因.     

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。     

磁驱动飞片加载下纯铁的冲击相变和层裂特性

使用磁驱动装置CQ-4发射紫铜飞片对纯铁样品进行一维平面应变加载,采用高精度激光位移干涉仪(DPS)记录飞片和样品的自由面速度历史。结果显示,当纯铁样品在加、卸载过程中有αε相变发生时,样品的层裂强度达到3.4GPa,比已报道的未发生相变的纯铁的层裂强度(1.2~1.9GPa)有明显提高,其原因可能是纯铁材料在经历αε可逆相变时,内部晶格产生了大量的位错。通过分析样品的自由面速度历史,判断出样品发生了自由面浅表层裂现象。在对飞片和样品中的应力波系进行分析时,若只考虑塑性波和相变波在界面的反射稀疏波与飞片传入样品靶中的稀疏波之间的相互作用,将无法解释实验观测到的自由面浅表层裂现象,因此该现象可能与纯铁样品在逆相变过程中产生稀疏冲击波有关。     

冲击加载下20钢中弹性前驱波衰减与应力松弛行为实验研究

 通过改变样品厚度，对平面冲击加载下20钢的弹性前驱波的波幅衰减和应力松弛进行了实验研究。采用激光速度干涉测速仪（VISAR）实测了样品后自由面速度历史，采样频率达到1 ns，保证了实验结果的准确性。实验结果显示：Hugoniot弹性极限随着传播距离呈指数衰减，在所研究的样品厚度范围内，Hugoniot弹性极限减小了44%；应力松弛行为和弹性前驱波的上升沿时间也依赖于传播距离；冲击加载的强度对材料动态屈服行为的影响很小。     

冲击波加载速率对微射流影响的数值模拟

材料表面在发生熔化前，微射流可能是微喷射的主要物理机制之一。曾鉴荣等在纯铅的实验中发现，当靶板中出现三波结构（即弹性先驱波、相变波和塑性波）时，测得峰值压力为22GPa时纯铅样品的微喷射量比峰值压力为20GPa的单次冲击加载喷射量几乎减少了1／2。Asay在铝平面样品的微喷射实验中，也发现随着冲击波加载速率的减小（上升沿宽度增加），喷射量大致按指数规律减小。对于自由面上缺陷平均尺度为5lain的样品，在冲击加载变到35ns波阵面宽度的加载条件时，喷射量约降低了2个数量级。     

双屈服法测定93W合金的屈服强度

 用组合飞片技术以实现对待测材料93W合金进行加载-再加载和加载-卸载，并用VISAR（Velocity Interferometer System for Any Reflector）测试方法和高速数值示波器记录样品-窗口界面的粒子速度，通过上下屈服面法对实验数据进行处理，从而推出93W在冲击压力分别为16、32和96 GPa三个压力点下的屈服强度为：1.8、2.6和4.9 GPa。得到了93W合金在高压下材料屈服强度随冲击压力的增大而增大，但其与冲击压力的比值则随冲击压力的增加而减小的变化规律。     

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.     

<100> LiF高速冲击变形过程的晶体塑性有限元模拟

结合状态方程建立晶体塑性有限元模型,模拟高速冲击加载条件下100 LiF的动态弹塑性大变形行为,得到应力波剖面特征、动态力学演化规律及其连续介质力学根源。结果表明:毫米级样品经约15 GPa以内的低压冲击,波剖面具有弹塑性双波响应、弹性前驱衰减和应力松弛现象,其决定性因素包括样品厚度、外加压力和材料本构;从连续介质力学角度分析得到,应力松弛本质上是由于黏性塑性流动,导致总应变增速小于塑性应变增速,从而使弹性应变减小、压力降低;提出用压力关于时间的三阶导数大于零作为判断条件,对应力波剖面上双波和单波响应的临界压力进行估测,发现随着样品掺杂浓度的增加,临界压力增大;高速冲击变形的温升效应不可忽略,且温升绝大部分来自弹性体积变形的贡献。     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

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。     

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.     

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.     

激光驱动准等熵压缩透明窗口LiF的透明性

LiF在激光驱动高压实验中是比较常见的窗口材料, 其在冲击下透射或反射可见诊断光是作为窗口材料的重要特性. 在神光III原型激光装置上开展了带LiF窗口的铝样品准等熵压缩实验, 采用任意反射面速度干涉仪诊断获得准等熵压缩样品(CH/Al/LiF)的反射率. 实验结果表明在准等熵压缩后期反射率诊断出现致盲现象. 为此, 建立了带透明窗口的样品对诊断光的反射率模型, 模型考虑了窗口LiF压缩后透明性变化. 模型计算的CH/Al/LiF样品对可见光的反射率时间演化过程与实验结果符合较好. 研究结果表明: LiF中压缩波追赶逐渐形成强冲击波, 显著降低了LiF的透明性, 并最终发生致盲现象; 第一性原理方法所给出的LiF的能带间隙偏低1–2 eV; 该实验中, LiF的透明性完全消失时, LiF中波头处的温度约为1 eV, 压力为2–3 Mbar.     

冲击作用下金属表面微喷射的分子动力学模拟

利用二维分子动力学程序,结合类紧束缚杂化多体势,研究冲击载荷下金属表面包含沟槽型缺陷的微喷射动力学过程.在产生微喷射以后,结果表明材料内部传播着两种波系:反射稀疏波和二次加载压缩波,其中,反射稀疏波波面与沟槽形状相似,而二次压缩波波面随沟槽夹角的变化而变化;并形成了两个压强区:负压区和正压区,负压区的存在表明材料中可能产生微损伤.同时,统计结果表明微喷射体的速度随沟槽半角增加而增加的趋势,微喷射体的粒子数随沟槽半角增大而减少的趋势,当沟槽半角大于60°,微喷射效应消失.以上计算结果可以定性说明射流是沟槽型 关键词： 冲击波 沟槽型缺陷 微喷射 分子动力学