爆轟波對(duì)碰加載下平面金屬樣品動(dòng)載行為實(shí)驗(yàn)研究

陳永濤，洪仁楷，王曉燕，陳浩玉，張崇玉，胡海波

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng) 621999)

爆轟波對(duì)碰加載下平面金屬樣品動(dòng)載行為實(shí)驗(yàn)研究

陳永濤，洪仁楷，王曉燕，陳浩玉，張崇玉，胡海波

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng) 621999)

進(jìn)行沖擊波對(duì)碰加載簡(jiǎn)易平面金屬Sn和W樣品實(shí)驗(yàn)，采用X射線照相和激光干涉測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合診斷，給出了2種材料沖擊波對(duì)碰區(qū)表面微噴及主體破碎物質(zhì)的直觀圖像，研究了Sn和W樣品對(duì)碰區(qū)動(dòng)力學(xué)行為，并比較分析2種材料對(duì)碰區(qū)特征的異同，給出了定性物理解釋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為爆轟波對(duì)碰加載下材料動(dòng)力學(xué)特性的理論研究提供數(shù)據(jù)支撐。

爆炸力學(xué)；主體破碎；表面噴射；聯(lián)合診斷；X射線照相裝置；DSP；爆轟波對(duì)碰

在武器物理研究和眾多工程任務(wù)中，常會(huì)遇到2個(gè)爆轟波相互碰撞加載金屬樣品的情況，由于爆轟波對(duì)碰后壓力、溫度急劇升高，如壓力約為C-J壓力的2.3～2.4倍[1]，受載金屬樣品極有可能處于熔化狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致金屬樣品表面噴射大幅增加，甚至在稀疏波的拉伸作用下樣品主體發(fā)生層裂破碎等一系列復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為。另外，由于對(duì)碰加載波形的特殊性和復(fù)雜性，對(duì)碰加載下金屬樣品的動(dòng)載行為又明顯區(qū)別于單一平面加載狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)法直接從平面加載下金屬材料動(dòng)力學(xué)行為推斷對(duì)碰加載狀態(tài)。鑒于爆轟波對(duì)碰加載獨(dú)特的力學(xué)行為以及重要的工程應(yīng)用背景，近年來(lái)逐漸受到研究人員的重視。典型研究進(jìn)展和成果如下： M.Singh等[2]、陳軍等[3]、張崇玉等[4]開展的爆轟波對(duì)碰加載下金屬圓管膨脹變形特性的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在爆轟波對(duì)碰加載下金屬圓管對(duì)碰區(qū)出現(xiàn)超前凸起現(xiàn)象，且該部位殼體斷裂時(shí)間較鄰近部位明顯提前；A.K.Zhiembetov等[5]開展的柱面對(duì)碰加載下鉛、銦、錫、鐵材料動(dòng)載行為特征的對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉛、銦、錫這類低強(qiáng)度、低熔點(diǎn)金屬材料對(duì)碰區(qū)出現(xiàn)多孔斷裂、崩潰甚至破碎、霧化等現(xiàn)象，完全不同于相同加載條件下鐵(熔點(diǎn)和強(qiáng)度相對(duì)較高)的對(duì)碰區(qū)動(dòng)載行為特征，表明材料強(qiáng)度和熔點(diǎn)對(duì)殼體對(duì)碰區(qū)動(dòng)載行為有重要影響；張崇玉等[6-7]采用簡(jiǎn)易平面對(duì)碰實(shí)驗(yàn)裝置，利用X射線照相技術(shù)，對(duì)比研究了Pb、W和Cu不同材料對(duì)碰加載下的動(dòng)載行為特征，再次指出材料強(qiáng)度和熔點(diǎn)對(duì)金屬樣品對(duì)碰區(qū)動(dòng)載行為存在重要影響。應(yīng)該說(shuō)，上述研究取得了爆轟波對(duì)碰加載下金屬材料的某些動(dòng)載行為特征信息和物理認(rèn)識(shí)，但由于對(duì)碰加載下材料動(dòng)載行為的復(fù)雜性，目前的研究無(wú)論在廣度和深度上均無(wú)法滿足工程和物理認(rèn)識(shí)的需要。

本文中正是基于上述研究基礎(chǔ)和物理認(rèn)識(shí)，選擇強(qiáng)度、熔點(diǎn)較低的Sn材料和強(qiáng)度、熔點(diǎn)較高的W材料作為研究對(duì)象，并首次將激光干涉測(cè)速(Doppler pin system，DPS)引入對(duì)碰區(qū)測(cè)量，結(jié)合傳統(tǒng)X射線照相技術(shù)，實(shí)驗(yàn)診斷平面金屬樣品在爆轟波對(duì)碰加載下材料的動(dòng)力學(xué)行為特征，比對(duì)分析Sn和W這2種材料的行為特征差異，以加深對(duì)碰加載下金屬材料動(dòng)載行為的物理認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)加載裝置及測(cè)試系統(tǒng)布局

實(shí)驗(yàn)加載裝置及DPS測(cè)速系統(tǒng)布局如圖1所示。炸藥柱面中間兩點(diǎn)對(duì)稱安裝雷管，同步起爆炸藥加載金屬樣品，其中，炸藥成分為JH-9005，尺寸為?32 mm×22 mm；LY12鋁基板尺寸?80 mm×2 mm，Sn樣品尺寸?36 mm×3.1 mm，W樣品尺寸?36 mm×1.5 mm。DPS測(cè)速探頭統(tǒng)一安裝在測(cè)試支架上，直徑為3.2 mm，且全部布設(shè)在對(duì)碰線上，共7個(gè)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境均為常壓。

圖1 實(shí)驗(yàn)加載裝置及測(cè)速布局Fig.1 Schematic of experimental setup and DPS system

為獲得對(duì)碰區(qū)金屬材料動(dòng)載特征的直觀圖像，分別在平行于對(duì)碰線和垂直于對(duì)碰線2個(gè)方向布設(shè)2臺(tái)450 keV脈沖X光機(jī)對(duì)對(duì)碰區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，將平行于對(duì)碰線方向定義為縱向，垂直于對(duì)碰線方向定義為側(cè)向。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Sn樣品診斷結(jié)果及分析

圖2所示為X射線診斷爆轟波對(duì)碰加載下Sn樣品對(duì)碰區(qū)圖像。

圖2 平面Sn材料對(duì)碰區(qū)X射線圖像Fig.2 Radiographs of collision zone exerted by Sn sample

由圖2可以看出。X射線出光時(shí)間為雷管起爆后約12.5和16.1 μs這2個(gè)時(shí)刻，出光方向分別為平行于對(duì)碰線方向(縱向)和垂直于對(duì)碰線方向(橫向)?？v向的對(duì)碰區(qū)凸起形狀細(xì)長(zhǎng)，類似聚能裝藥射流。由于沿觀測(cè)方向上物質(zhì)疊加，加上X射線穿透能力限制，表觀上似乎呈現(xiàn)連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)；橫向觀測(cè)結(jié)果顯示，對(duì)碰區(qū)凸起圖像呈明顯的多層分區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，即凸起頭部密度較低(明顯低于材料初始密度)，處于不連續(xù)的散碎狀態(tài)，根部密度相對(duì)較高，不同低密度區(qū)域中間有密度較高的類似于層裂片的“夾層”將低密度區(qū)域分開。比較12.5和16.1 μs這2個(gè)時(shí)刻X射線圖像發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間演化，對(duì)碰區(qū)凸起物質(zhì)在空間不斷展寬彌散，空間平均體密度進(jìn)一步降低，再次說(shuō)明對(duì)碰凸起物質(zhì)為破碎顆?！熬奂w”(非連續(xù)態(tài)物質(zhì))，且不同破碎顆粒物質(zhì)間存在明顯速度差。細(xì)致觀察X射線圖像發(fā)現(xiàn)在Sn樣品低密度破碎顆粒群與空氣介質(zhì)之間存在明顯的“階躍”邊界，根據(jù)材料動(dòng)載下運(yùn)動(dòng)特性可初步判斷該“階躍”邊界對(duì)應(yīng)Sn樣品初始自由表面。對(duì)12.5和16.1 μs這2個(gè)時(shí)刻X射線圖像對(duì)應(yīng)“階躍”邊界位置進(jìn)行對(duì)比處理后，可大體判定對(duì)碰區(qū)Sn樣品自由表面速度約2.0 km/s(對(duì)碰線中間點(diǎn)位置速度)，壓力約30 GPa(大于Sn材料卸載熔化壓力22.5 GPa，Sn樣品處于卸載熔化狀態(tài))。通過(guò)觀測(cè)圖3所示的局部增強(qiáng)圖像發(fā)現(xiàn)，在“階躍”邊界前還存在一層密度極低微噴物質(zhì)。

圖3 平面Sn材料對(duì)碰區(qū)X射線增強(qiáng)圖像Fig.3 Enhanced radiographs of collision zone exerted by Sn sample

圖4 DPS測(cè)量對(duì)碰區(qū)Sn材料典型速度剖面 Fig.4 Velocity profile of Sn collision zone measured by DSP

DPS測(cè)量給出的Sn樣品對(duì)碰區(qū)典型速度剖面，如圖4所示。分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，DPS測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)一定寬度“彌散速度帶”特征，而非單一速度特征。依據(jù)DPS測(cè)量原理，可以判定DPS測(cè)量結(jié)果應(yīng)為大量散碎粒子的速度信息，而非Sn樣品自由面單一速度信息。而且，從速度數(shù)值上，該散碎粒子速度主要介于2.0～2.7 km/s，均大于由前面X射線給出的2.0 km/s的自由面速度。因此，可以判定，圖4中DPS測(cè)量物質(zhì)應(yīng)為位于對(duì)碰區(qū)Sn樣品自由表面前方的高速微噴射粒子，該結(jié)果與圖3中X射線增強(qiáng)圖像給出結(jié)果吻合。

另外，為了更直觀判定對(duì)碰區(qū)Sn樣品自由表面高速噴射粒子占據(jù)的空間區(qū)域及演化規(guī)律，對(duì)圖4所示速度帶進(jìn)行了處理，提取了速度帶“上沿”信息(對(duì)應(yīng)速度最大微噴射粒子，見(jiàn)圖5)，然后，將其沿時(shí)間進(jìn)行積分，得到了其位移時(shí)間歷程，再將該位移時(shí)間歷程與X射線診斷Sn樣品自由“階躍”邊界進(jìn)行比對(duì)，得到了圖6所示物理圖像。由圖6可見(jiàn)，對(duì)碰區(qū)Sn樣品表面噴射粒子大體占據(jù)了自由面表面前方2～3 mm的空間區(qū)域，且隨著時(shí)間推移(一定時(shí)間寬度范圍內(nèi))，存在逐漸展寬趨勢(shì)(12.5 μs時(shí)微噴區(qū)寬度約2 mm，16.1 μs時(shí)微噴區(qū)寬度約3 mm)。不過(guò)，隨著時(shí)間繼續(xù)推移，微噴區(qū)寬度演化歷程還需要補(bǔ)充更豐富的數(shù)據(jù)給出。

圖5 DPS測(cè)量對(duì)碰區(qū)Sn材料速度帶上沿Fig.5 The top edge of Sn collision zone velocity profile measured by DSP

圖6 速度最大微噴射粒子位移時(shí)程曲線Fig.6 Displacement history of micro-ejecta-particle with maximum velocity

2.2 W樣品診斷結(jié)果及分析

X射線診斷爆轟波對(duì)碰加載下W材料對(duì)碰區(qū)圖像，如圖7所示。

圖7 平面W材料對(duì)碰區(qū)X射線圖像Fig.7 Radiographs of collision zone exerted by W sample

X射線出光時(shí)間為雷管起爆后約12.4、19.8 μs這2個(gè)時(shí)刻，出光方向分別為平行于對(duì)碰線方向(縱向)和垂直于對(duì)碰線方向(橫向)。縱向記錄的W樣品對(duì)碰區(qū)狀態(tài)與Sn樣品狀態(tài)類似，由于沿觀測(cè)方向上物質(zhì)疊加，加上X射線穿透能力限制，表觀上亦似乎呈現(xiàn)連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)。橫向觀測(cè)結(jié)果顯示，對(duì)碰區(qū)W樣品自由表面附近一定厚度區(qū)域內(nèi)發(fā)生了明顯的破碎現(xiàn)象，形成了類似“云朵”狀分布的凸起破碎顆粒群，與Sn樣品“彌散”狀分布存在明顯差別。比較12.4、19.8 μs這2個(gè)不同時(shí)刻W樣品X射線圖像發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間推移，類“云朵”狀的凸起破碎顆粒群在空間進(jìn)一步展寬，說(shuō)明破碎顆粒之間存在明顯速度梯度差(與Sn樣品類似)。繼續(xù)細(xì)致觀測(cè)X射線圖像亦發(fā)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)W樣品自由表面的“階躍”邊界，但沒(méi)能發(fā)現(xiàn)位于“階躍”邊界前方的表面微噴物質(zhì)，從而初步判定W樣品表面沒(méi)有發(fā)生明顯微噴射現(xiàn)象。而且，同樣通過(guò)比對(duì)2個(gè)時(shí)刻X射線圖像W樣品“階躍”邊界所處位置，得對(duì)碰區(qū)W樣品自由表面速度約1.5 km/s，壓力約60 GPa(小于W材料卸載熔化壓力，W樣品處于固態(tài))。

圖8 DPS測(cè)量對(duì)碰區(qū)W材料典型速度剖面Fig.8 Velocity profile of W collision zone measured by DSP

DPS測(cè)量給出了W樣品對(duì)碰區(qū)典型速度剖面，如圖8所示。分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，DPS測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)一定寬度“條狀速度帶”特征，而非單一速度特征，但與Sn樣品“彌散速度帶”的特征存在差異。依據(jù)DPS的測(cè)量原理，可以判定DPS的測(cè)量結(jié)果應(yīng)為散碎W顆粒的速度信息，而非W樣品自由面單一速度信息；而且從速度帶“條狀”特征上可定性判斷，W樣品破碎顆粒尺度應(yīng)該大于前面呈現(xiàn)“彌散”速度帶特征Sn樣品微噴顆粒。由圖8可見(jiàn)，該散碎W顆粒速度主要介于1.3～1.5 km/s，小于或接近由前面X射線給出的1.5 km/s的自由面速度，因此，可以判定，圖8中DPS測(cè)量物質(zhì)應(yīng)為位于對(duì)碰區(qū)自由“階躍”邊界后方的主體破碎顆粒，而非自由表面前方表面微噴物質(zhì)，從而定性說(shuō)明W樣品自由表面幾乎沒(méi)有形成微噴物質(zhì)，該結(jié)果與圖8中X射線給出結(jié)果吻合。另外，為了更直觀判定X射線診斷結(jié)果與DPS診斷結(jié)果的一致性，同樣針對(duì)圖8所示W(wǎng)樣品速度帶上邊沿進(jìn)行提取，如圖9所示，并對(duì)其沿時(shí)間進(jìn)行積分，與X射線診斷結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如圖10所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者在空間位置上基本吻合，進(jìn)而再次說(shuō)明W樣品自由表面幾乎沒(méi)有形成微噴物質(zhì)(或者說(shuō)表面微噴物質(zhì)極少，不足以使X射線和DPS響應(yīng))。

圖9 DPS測(cè)量對(duì)碰區(qū)W材料速度帶上沿Fig.9 The top edge of W collision zone velocity profile measured by DSP

圖10 速度最大微噴射粒子位移時(shí)程曲線Fig.10 Displacement history of micro-ejecta-particle with maximum velocity

3 結(jié) 論

綜合比較Sn和W樣品對(duì)碰區(qū)動(dòng)力學(xué)特征圖像和診斷結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)碰區(qū)總體狀態(tài)：在爆轟波對(duì)碰加載下，Sn和W樣品均呈現(xiàn)明顯對(duì)碰凸起現(xiàn)象，且對(duì)碰凸起物質(zhì)均為“散碎顆?！本奂w，而非連續(xù)物質(zhì)；

(2)樣品表面微噴：對(duì)碰區(qū)Sn樣品自由表面形成大量微噴射物質(zhì)，而W樣品表面幾乎沒(méi)有形成微噴物質(zhì)；

(3)樣品主體破碎形態(tài)：對(duì)碰區(qū)Sn樣品表觀呈現(xiàn)“類連續(xù)”的彌散破碎態(tài)，破碎顆粒尺度相對(duì)較??；對(duì)碰區(qū)W樣品呈現(xiàn)類“云朵”狀的離散破碎態(tài)，破碎顆粒尺度相對(duì)較大。

此外，從前文的分析來(lái)看，對(duì)碰區(qū)Sn和W樣品之所以呈現(xiàn)巨大差異主要是由材料本身強(qiáng)度和熔點(diǎn)特性決定：由于Sn材料強(qiáng)度和熔點(diǎn)較低，受載后對(duì)碰區(qū)Sn樣品處于卸載熔化狀態(tài)，抗拉強(qiáng)度極低，在稀疏波拉伸作用下極易形成類“微層裂”特征的彌散態(tài)，且會(huì)使表面微噴量大幅增加；由于W材料強(qiáng)度和熔點(diǎn)極高，受載后對(duì)碰區(qū)W樣品仍處于固態(tài)，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，因此，稀疏波作用下形成類“云朵”狀的固體破碎顆粒，且?guī)缀醪荒苄纬杀砻鎳娚洹?/p>

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(責(zé)任編輯 王易難)

Experimental study on dynamic behaviors of metal sample driven by two head-on colliding detonation waves

Chen Yongtao, Hong Renkai, Wang Xiaoyan,Chen Haoyu, Zhang Chongyu, Hu Haibo

(NationalKeyLaboratoryofShockWaveandDetonationPhysics,InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

In this paper, dynamic behaviors of metal materials driven by collision of head-on sliding detonation waves were diagnosed with pulsed X-ray radiography and DPS, the physical images of free surface ejecta and body fragmentation on Sn and W were obtained, the difference in the dynamic behaviors of Sn and W was analyzed, and its qualitative physical analysis was discussed. The results provide significant experimental data for the study of dynamic behaviors of metal materials driven by collision of head-on sliding detonation waves.

mechanics of explosion; body fragmentaion; surface ejecta; united diagnoses; X-ray radiography; DPS; colliding of detonation waves

10.11883/1001-1455(2016)02-0177-06

2014-09-05；

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11472254,11272006)；中國(guó)工程物理研究院面上基金項(xiàng)目(2012B0201017)；沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(9140C670301130C67238)

陳永濤(1980— )，男，碩士，副研究員;

洪仁楷，13404005190@163.com。

O383 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

A

修回日期： 2015-04-02