中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.      

预应变对中子辐照高纯铝拉伸性能的影响

金属材料的中子辐照硬化和脆化一直都是核能安全领域十分关注的重要问题之一.为了进一步认识预应变对中子辐照金属材料塑性形变和最终断裂特性的影响规律,及其微观机理,本文研究了10%拉伸预应变高纯铝的拉伸应力-应变曲线、失稳应力和失稳应变等随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,预应变高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高,导致屈服强度和极限拉伸强度越高,均匀延伸率和失稳应变越小,表现出典型的辐照硬化和脆化效应,但失稳应力与辐照剂量几乎无关.相同辐照剂量条件下,预应变引入的高密度位错能够显著降低辐照孔洞的尺寸和数密度,加之辐照退火效应的综合影响,导致预应变能够降低高纯铝屈服强度的增长率和失稳应变的下降率,从而表现出一定的抑制辐照硬化和脆化的能力,预应变还能够提高高纯铝的失稳应力,但整体而言预应变并不能提高高纯铝的延性.最后,基于J-C本构模型的中子辐照退火态金属材料的脆化模型能够直接应用于预应变金属材料,且模型预测结果与实验结果吻合较好.     

高温高密度氢(氘)的物态方程——离解效应研究

 高温高压下流体氢将发生离解化学反应,形成具有相互作用的氢分子和氢原子混合体系,此时粒子间的相互作用复杂。利用单组分流体近似的范德瓦尔斯混合模型,将混合物粒子间的相互作用等效为单组分粒子间相互作用,从而简化了对体系的统计热力学处理;并由自由能函数极小化确定化学平衡时各组分含量、体系的内能、压强。研究了温度在10 000 K以下、密度在0.6 g/cm³以下（相应摩尔体积大于3.3 cm³/mol）区间的热致离解和压致离解现象对流体氢（氘）状态方程的影响。所得结果与双组分流体变分理论计算以及第一原理的分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟结果以及二级轻气炮实验数据进行了比较,它们之间的一致性表明：用单组分流体近似的范德瓦尔斯混合模型处理氢（氘）分子的离解区域的物态方程是成功的。     

液氘的冲击压缩特性——自由电子气模型计算

用自由电子气模型对自由电子气(费米能为5eV)的冲击压缩雨贡纽曲线、冲击温度进行了数值计算。结果表明，自由电子气的冲击压缩极限近似为初始密度的4倍。     

样品粗糙度对材料SHPB动态压缩性能的影响

有效消减样品端面摩擦力是保证分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验结果有效性和准确性的必要条件。为了研究样品粗糙度和润滑效果对端面摩擦力和最终实验结果的影响,以应变率效应不敏感且性能稳定的紫铜为研究对象,通过机械加工配合酸蚀的方法制备了3种典型表面粗糙度的紫铜样品,分别在二硫化钼（MoS₂）充分润滑和完全不润滑的条件下各自开展高精度的SHPB重复动态压缩实验研究。结果表明,通常认为能够有效消减金属样品端面摩擦力的MoS₂仅能够在样品粗糙度不大于0.8 μm的情况下起到较好的润滑效果,随着紫铜样品粗糙度的增加,MoS₂的润滑效果不断降低,端面摩擦力不断增大,实验结果的分散性也显著增加。样品端面粗糙度为1.6 μm时,MoS₂已不能有效消减端面摩擦力;样品端面粗糙度达到3.2 μm时,MoS₂的润滑效果几乎为零。SHPB实验中使用MoS₂润滑金属样品时,压杆和样品实验端面的粗糙度需达到0.8 μm;腐蚀液处理后的金属样品外表面粗糙度难以达到0.8 μm,实验过程中需对样品端面进行比MoS₂润滑效果更好的润滑处理,或对实验结果进行扣除端面摩擦力的修正才能够保证实验结果的有效性和准确性。     

用冲击波合成法制备羟基磷灰石粉体

 羟基磷灰石（HA）已广泛用作人体硬组织的修复和替换材料，采用冲击波处理CaCO₃与CaHPO₄·2H₂O的混合物合成了HA粉末，并用XRD、SEM和FTIR对制得的粉末进行了表征。研究结果表明：与传统的高温焙烧法相比，冲击波法合成的HA粉末不仅有类似的晶相结构及成分，而且含有少量CO₃^2-离子，为类人骨的羟基磷灰石；其粒度更细、分布更均匀、内部存在大量的晶格畸变，有更高的活性。冲击波处理是合成HA粉末的一种新方法。     

铝热力学特性的晶格动力学研究

在准谐近似下,利用准谐德拜模型通过亥母霍兹自由能构造出了铝在低于熔点温度范围内的物态方程和热力学特性。研究表明,在广泛的温度和压强范围内,铝的体积弹性模量和对应体积与有效的实验值一致,且其静态物态方程以及不同温度和压强下的热容量、熵、热膨胀系数等热力学特性也与有效的实验结果符合的很好。     

D6A、921和45钢的动态破坏与低压冲击特性

 通过对称碰撞研究了D6A、921和45钢的动态损伤与破坏行为。利用自由面速度的双波结构，结合材料在常压下的弹性纵波声速，确定了三种钢的低压Hugoniot关系，同时给出了三种钢的弹性Hugoniot屈服极限以及层裂强度。但是发现，屈服极限和层裂强度的材料分散性明显，在其影响下，层裂强度对加载幅度以及应变率的依赖性得不到体现，从而在其不确定度范围内，可将层裂强度看成一个常数。提出了一个唯象的损伤演化方程，在此基础上，对实验结果进行了部分数值模拟，数值模拟给出的层裂强度远大于近似解析模型的计算结果，两者之间的差异有待进一步研究。     

羟基磷灰石团聚体的冲击波活化与烧结研究

 研究了经冲击波处理的羟基磷灰石粉末团聚体的活性及其烧结性能。X射线衍射（XRD）及扫描电镜（SEM）分析表明，冲击波对羟基磷灰石团聚体粉末具有明显的均化与细化作用，并产生了一定程度的晶格畸变，可促进羟基磷灰石陶瓷的烧结。粉体中储存的缺陷能在烧结过程中释放，使受冲击试样比未受冲击试样达到最大线收缩率时的温度降低70 ℃，羟基磷灰石陶瓷的强度和密度明显提高。     

重玻璃高压声速测量与反向加载光分析技术

高压声速测量在冲击波物理研究中有重要的意义。高压卸载声速测量是研究材料动态力学性质和高压物理性质十分有效的手段。当同时测得纵波和体波声速后，就可以得到材料在动高压下的剪切模量。通过纵波声速向体积声速的跃变，可以判定冲击熔化的发生。由此不难明白，声速测量精度对冲击波物理研究的重要性。图1为典型的实验波形、Hugoniot、冲击温度和高压卸载声速测量结果。图1（a）中波形上数字为测量中心波长，t0和t1为冲击波到达时刻，t2为稀疏波赶上冲击波的时刻。