沖擊加載純鐵樣品近自由面非均勻狀態(tài)演化實(shí)驗(yàn)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(diǎn)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致前沿寬度影響區(qū)域內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)無法達(dá)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(jī)制復(fù)雜耦合，可能導(dǎo)致自由面附近區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)與內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的狀態(tài)存在較大差異，基于精密物理實(shí)驗(yàn)機(jī)制認(rèn)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(diǎn)的加卸載過程以及相變過程的影響規(guī)律，重點(diǎn)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(xué)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(xué)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(jìn)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(shí)驗(yàn)中加載前沿特征及相應(yīng)位置質(zhì)點(diǎn)材料動載力學(xué)行為的關(guān)系。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)相場模型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)地比對分析，并參考分子動力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果，分析強(qiáng)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(rèn)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(jìn)入的區(qū)域的厚度。
　　通過對加載實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xì)電子背散射衍射技術(shù)進(jìn)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(biāo)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(diǎn)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(xué)方法計算模擬樣品內(nèi)部的動力學(xué)過程，復(fù)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(shí)驗(yàn)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(xué)過程的影響方面的適用性。通過實(shí)