沖擊加載純鐵樣品近自由面非均勻狀態(tài)演化實驗研究研究.pdf

1、沖擊波作用于自由面時，因界面反射，加載波特定的前沿寬度勢必會對自由面附近一定深度范圍內(nèi)的質(zhì)點產(chǎn)生影響，導致前沿寬度影響區(qū)域內(nèi)的質(zhì)點無法達到高應(yīng)力狀態(tài)，加上相變時間弛豫的影響，可能造成典型的介觀（甚至宏觀）上的狀態(tài)非均勻性。沖擊加載自由面幾何非均勻起因的微噴射、以及熔化起因的微層裂與上述機制復雜耦合，可能導致自由面附近區(qū)域的質(zhì)點與內(nèi)部質(zhì)點的狀態(tài)存在較大差異，基于精密物理實驗機制認識的需求，對該區(qū)域的特征物理行為和量化尺度有必要予以深入研究

2、。
　　本文主要研究爆轟加載十幾個至數(shù)十個吉帕的沖擊壓力作用下沖擊波前沿對金屬內(nèi)部不同位置質(zhì)點的加卸載過程以及相變過程的影響規(guī)律，重點關(guān)注波前沿寬度和相變弛豫對金屬飛層自由面近表面層的動力學行為的影響規(guī)律和近表面層的相變行為，探討加載波前沿與自由面作用下衍生的近表面層的狀態(tài)。借助純鐵多晶樣品在沖擊加載下的固-固多形相變，模擬類比相關(guān)材料沖擊加載下的固-液相變行為，將材料的動載力學行為測試與相應(yīng)回收樣品的微觀結(jié)構(gòu)演化表征結(jié)合，憑借近

3、年來快速發(fā)展的各類精密測試手段，同時對回收樣品進行微觀結(jié)構(gòu)表征，獲得材料不同位置相變與逆相變等微觀結(jié)構(gòu)演化信息，特別關(guān)注金屬近表面層殘留的未相變區(qū)的厚度和組織形態(tài)分布，分析樣品內(nèi)部不同位置處的微觀組織結(jié)構(gòu)與對應(yīng)實驗中加載前沿特征及相應(yīng)位置質(zhì)點材料動載力學行為的關(guān)系。將實驗結(jié)果與宏觀連續(xù)介質(zhì)力學相場模型的數(shù)值模擬結(jié)果進行系統(tǒng)地比對分析，并參考分子動力學數(shù)值模擬結(jié)果，分析強沖擊下沖擊波前沿對材料內(nèi)部的應(yīng)力歷程的影響規(guī)律，認識沖擊相變過程和近

4、表面層區(qū)域狀態(tài)非均勻性形成的物理機制。
　　采用CQ-4磁驅(qū)動裝置發(fā)射高速飛片加載亞毫米厚度多晶工業(yè)純鐵樣品，分別獲得了7 GPa-80 GPa的加載壓力，并使用激光干涉測速系統(tǒng)測量不同加載壓力下純鐵樣品自由面的速度曲線，獲取樣品內(nèi)沖擊波與自由面作用后的波剖面信息。根據(jù)實驗得到的波剖面分析了樣品內(nèi)的沖擊波前沿與自由面的作用過程，初步估計了近自由面高壓無法進入的區(qū)域的厚度。
　　通過對加載實驗的合理設(shè)計，完整回收到了30 GP

5、a以內(nèi)加載壓力下的沖擊后樣品。對回收樣品沿撞擊面到自由面的不同深度位置進行顯微硬度測試，發(fā)現(xiàn)自撞擊面起的一定深度范圍內(nèi)，回收樣品的顯微硬度較高，而接近自由面時，其顯微硬度逐漸下降。對回收樣品的縱剖面自撞擊面至自由面采用精細電子背散射衍射技術(shù)進行微觀結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)自由面近表面層位置的孿晶結(jié)構(gòu)與接近撞擊面位置的孿晶結(jié)構(gòu)有顯著的不同，在自由面近表面層位置，純鐵α←→ε可逆相變的特征產(chǎn)物（三組呈三次對稱的{112}<111>孿晶簇）逐漸減

6、少直至完全消失;通過對相變特征產(chǎn)物的標定，獲得了回收樣品內(nèi)部沿深度方向的相分區(qū)（尤其是重點關(guān)注的近表面層未相變區(qū)）的量化信息。
　　分別采用宏觀連續(xù)介質(zhì)的相場方法和相變動力學方法計算模擬樣品內(nèi)部的動力學過程，復現(xiàn)自由面波剖面曲線和樣品內(nèi)部相分區(qū)歷程的信息，并分別與實驗得到的波剖面曲線和微結(jié)構(gòu)表征的相分區(qū)歷史結(jié)果相比對，評估和矯正計算模型，獲得計算模型的關(guān)鍵性參數(shù)，并評估兩者在描述沖擊波前沿對樣品動力學過程的影響方面的適用性。通過實