爆轟波對(duì)碰加載下平面Sn材料動(dòng)力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究*

陳永濤，洪仁楷，吳建華，陳浩玉，王曉燕

(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實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

爆轟波對(duì)碰后壓力、溫度急劇升高，如壓力約為CJ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。同時(shí)，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)碰加載下金屬材料獨(dú)特的力學(xué)行為以及重要的工程應(yīng)用背景，該問(wèn)題近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視。

針對(duì)爆轟波對(duì)碰加載下金屬材料的動(dòng)力學(xué)行為，目前典型的研究進(jìn)展和成果有：Singh[2]、陳軍[3]、張崇玉[4]等開展了爆轟波對(duì)碰加載下金屬圓管膨脹變形特性的實(shí)驗(yàn)研究，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；Zhiembetov等[5]開展了柱面對(duì)碰加載下鉛、銦、錫材料動(dòng)載行為特征的實(shí)驗(yàn)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)了明顯的多孔斷裂、崩潰，甚至破碎、霧化等現(xiàn)象；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光照相技術(shù)，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，給出了對(duì)碰區(qū)較清晰的物理圖像，并指出材料強(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。上述研究得到了爆轟波對(duì)碰加載下金屬材料動(dòng)載行為的重要特征信息和物理認(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。

本研究基于上述研究基礎(chǔ)和物理認(rèn)識(shí)，選擇強(qiáng)度、熔點(diǎn)較低的Sn材料作為研究對(duì)象，重點(diǎn)依托傳統(tǒng)X光照相技術(shù)，并首次將激光干涉測(cè)速系統(tǒng)(Doppler Pin System，DPS)引入對(duì)碰區(qū)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)診斷爆轟波對(duì)碰加載下Sn材料的動(dòng)力學(xué)行為，獲取對(duì)碰區(qū)表面微噴和主體破碎物質(zhì)的整體物理圖像，加深對(duì)碰加載下金屬材料動(dòng)載行為的物理認(rèn)識(shí)。

2 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，炸藥成份為JH-9005，尺寸為?32 mm×22 mm；LY12鋁基板尺寸為?80 mm×2.0 mm，Sn樣品尺寸為?36 mm×3.1 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，激光焦斑直徑約0.5 mm(近平行光)，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

圖2 X光照相布局示意圖 Fig.2 Layout diagram of X-ray and experimental setup

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)碰線兩個(gè)方向布設(shè)兩臺(tái)450 keV脈沖X光機(jī)對(duì)對(duì)碰區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)布局如圖2所示(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)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)裝置上放置兩個(gè)垂直于照相方向的臺(tái)階標(biāo)定樣品,見(jiàn)圖1(b)實(shí)物照片，用于X光圖像密度反演。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 X光診斷結(jié)果及分析

X光診斷爆轟波對(duì)碰加載下Sn樣品對(duì)碰區(qū)圖像見(jiàn)圖3。X光出光時(shí)間為雷管起爆后約12.5、16.1 μs兩個(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)。橫向觀測(cè)結(jié)果顯示，在爆轟波對(duì)碰加載下對(duì)碰區(qū)呈現(xiàn)明顯散碎凸起狀，且凸起圖像呈多層分區(qū)結(jié)構(gòu)分布特征，即凸起頭部密度較低(明顯低于材料初始密度，且處于不連續(xù)的散碎狀態(tài))，根部密度相對(duì)較高，不同低密度區(qū)域中間存在密度較高的類似于層裂片的“夾層”。縱向記錄的對(duì)碰區(qū)凸起形狀細(xì)長(zhǎng)，類似聚能裝藥射流，不過(guò)，由于沿觀測(cè)方向上物質(zhì)疊加，加上X光穿透能力限制，縱向圖像表觀呈現(xiàn)類連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)，沒(méi)能獲得比較準(zhǔn)確的密度分布信息，但縱向圖像提供了極其重要的對(duì)碰區(qū)“寬度”信息。細(xì)致觀察X光圖像發(fā)現(xiàn)，在Sn樣品對(duì)碰區(qū)凸起物質(zhì)與空氣介質(zhì)之間存在較明顯的“階躍”邊界，而且根據(jù)材料動(dòng)載下運(yùn)動(dòng)特性可判斷該“階躍”邊界應(yīng)對(duì)應(yīng)Sn樣品初始自由表面。另外，通過(guò)觀測(cè)圖4所示的局部增強(qiáng)圖像還發(fā)現(xiàn)，在凸起“階躍”邊界前面還存在一層密度極低物質(zhì)，根據(jù)爆轟加載下金屬材料動(dòng)力學(xué)理論，可判定該層物質(zhì)為Sn樣品表面微噴。綜合圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，Sn樣品對(duì)碰區(qū)主體呈現(xiàn)明顯“散碎凸起”狀態(tài)，且在主體凸起物質(zhì)前方還存在一層密度極低的微噴物質(zhì)。

圖3 平面Sn材料對(duì)碰區(qū)X光圖像 Fig.3 Radiographs of collision zone of Sn sample

圖4 平面Sn材料對(duì)碰區(qū)X光增強(qiáng)圖像 Fig.4 Enhanced radiographs of collision zone of Sn sample

對(duì)12.5、16.1 μs兩個(gè)時(shí)刻X光圖像對(duì)應(yīng)“階躍”邊界位置進(jìn)行對(duì)比處理，得對(duì)碰區(qū)Sn樣品自由表面速度約2.0 km/s。依據(jù)Sn的沖擊雨貢紐關(guān)系(D=2.61+1.49u)，得對(duì)碰區(qū)Sn 樣品自由面附近壓力約30 GPa，大于Sn材料卸載熔化壓力(約22.5 GPa)，Sn樣品處于熔化狀態(tài)。依據(jù)目前認(rèn)識(shí)，對(duì)于處于熔化狀態(tài)的對(duì)碰區(qū)Sn樣品，其抗拉強(qiáng)度明顯降低，按目前“微層裂”和“微噴射”形成理論，其樣品主體在稀疏波拉伸作用下將形成大量細(xì)小散碎顆粒群，樣品表面將產(chǎn)生大量微噴射物質(zhì)。該物理認(rèn)識(shí)與X光診斷對(duì)碰區(qū)圖像完全吻合，從而定性闡釋了對(duì)碰區(qū)特征圖像形成的物理機(jī)制。

另外，為獲得對(duì)碰區(qū)主體凸起散碎物質(zhì)的空間平均體密度，本研究專門建立了X光圖像邊界提取、密度反演等相關(guān)方法，并借助預(yù)設(shè)的不同厚度標(biāo)定Sn樣品對(duì)整個(gè)X光圖像進(jìn)行了處理和分析：即首先借助標(biāo)定樣品，對(duì)圖3所示X光側(cè)向觀測(cè)圖像進(jìn)行處理，得到對(duì)碰區(qū)凸起物質(zhì)“面密度”；然后借助縱向觀測(cè)圖像給出的對(duì)碰區(qū)“寬度”數(shù)據(jù)，基于沿“寬度”方向凸起破碎物質(zhì)密度相等的基本假定，得到對(duì)碰區(qū)凸起散碎物質(zhì)的空間體密度，見(jiàn)圖5。圖5(a)、圖5(b)為對(duì)碰區(qū)凸起物質(zhì)密度-空間分布宏觀圖像，圖5(c)、圖5(d)為從宏觀圖像中提取的密度分布數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)表示對(duì)碰區(qū)凸起高度，零點(diǎn)定義在加載前Sn樣品自由面位置。需要說(shuō)明的是，由于加載裝置中爆轟波到達(dá)時(shí)間差異和邊側(cè)稀疏影響，導(dǎo)致沿對(duì)碰線(見(jiàn)圖1)不同位置處,散碎物質(zhì)凸起空間高度存在差異(見(jiàn)側(cè)向診斷X光圖像)，而縱向圖像給出的對(duì)碰區(qū)凸起高度實(shí)際為對(duì)碰線中間最高位置處的數(shù)據(jù)，因此，圖5給出的對(duì)碰區(qū)凸起散碎物質(zhì)空間體密度實(shí)際為對(duì)碰線中間位置處破碎凸起物質(zhì)的數(shù)據(jù)。另外，由于對(duì)碰區(qū)散碎凸起物質(zhì)前方微噴物質(zhì)的密度極低，X光對(duì)該部分物質(zhì)診斷結(jié)果信噪比偏低，因此，沒(méi)有從X光圖像反演微噴物質(zhì)的密度信息。

圖5 Sn樣品對(duì)碰區(qū)散碎凸起物質(zhì)空間密度分布 Fig.5 Density distribution of collision zone of Sn sample

3.2 DPS診斷結(jié)果及分析

圖6 DPS測(cè)量對(duì)碰區(qū)Sn材料典型速度剖面 Fig.6 Velocity profile of collision zone of Sn

DPS測(cè)量給出Sn樣品對(duì)碰區(qū)典型速度剖面見(jiàn)圖6(對(duì)碰區(qū)正中間位置點(diǎn)數(shù)據(jù))。分析圖6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)為大量細(xì)小粒子的速度信息，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之間，均大于由前面X光給出的2.0 km/s的自由面速度。因此，可以判定，圖6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(依據(jù)大量微噴研究數(shù)據(jù)，該狀態(tài)下微噴粒子尺度應(yīng)主要集中在微米量級(jí))，該結(jié)果與圖4中X光增強(qiáng)圖像給出結(jié)果吻合。分析圖6所示Sn樣品對(duì)碰區(qū)速度帶信息發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間推移，速度帶“上邊沿”呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，說(shuō)明最快速噴射粒子速度呈逐漸減低趨勢(shì)。依據(jù)“氣粒兩項(xiàng)流”理論，噴射粒子速度逐漸降低的現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)所處一個(gè)大氣壓環(huán)境相關(guān)，即高速噴射粒子在有氣環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到了環(huán)境氣體阻礙作用，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低。

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，本研究對(duì)圖6所示速度帶進(jìn)行了處理，提取了速度帶“上邊沿”信息(對(duì)應(yīng)速度最大微噴射粒子，見(jiàn)圖7)，然后，將其沿時(shí)間進(jìn)行積分，得到位移-時(shí)間歷程，再將該位移-時(shí)間歷程與X光診斷Sn樣品自由“階躍”邊界進(jìn)行比對(duì)，得到了圖8所示物理圖像。

圖7 DPS測(cè)量對(duì)碰區(qū)Sn材料速度帶上沿 Fig.7 The top edge of Sn collision zone velocity profile

圖8 DPS測(cè)速與X光Sn樣品結(jié)果比對(duì) Fig.8 Comparison of Sn results from DPS and X-ray

分析圖8可知，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)。由圖6所示,DPS測(cè)量“微噴速度帶”攜帶物理因素極其復(fù)雜，目前僅能通過(guò)“速度帶”大體反映微噴物質(zhì)的速度信息，還無(wú)法通過(guò)該“速度帶”信息推測(cè)給出微噴物質(zhì)的密度信息，其密度信息的獲得還需要依靠“壓電探針”等量化技術(shù)。不過(guò)，總體來(lái)看，本研究通過(guò)X光和DPS技術(shù)的聯(lián)合診斷，基本給出了爆轟波對(duì)碰加載下Sn樣品對(duì)碰區(qū)主體破碎凸起及表面微噴分布的總體宏觀物理圖像。

4 結(jié) 論

通過(guò)X光和DPS聯(lián)合診斷的簡(jiǎn)易平面對(duì)碰加載實(shí)驗(yàn)，研究分析了爆轟波對(duì)碰加載下Sn樣品的動(dòng)力學(xué)行為，主要取得如下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

(1) 成功將DPS測(cè)速技術(shù)應(yīng)用于金屬材料對(duì)碰區(qū)行為診斷，并通過(guò)其測(cè)量的“速度帶”信息推測(cè)給出了Sn樣品對(duì)碰區(qū)前表面微噴物質(zhì)的速度及分布寬度信息，但目前尚不能給出微噴物質(zhì)的密度信息。

(2) 給出了Sn材料對(duì)碰區(qū)的直觀物理圖像及演化趨勢(shì)。對(duì)碰區(qū)主體呈現(xiàn)密度明顯低于初始密度的“散碎凸起”狀態(tài)，在主體凸起物質(zhì)前方存在一層寬度毫米級(jí)、密度極低的微噴物質(zhì)；隨著時(shí)間推移，主體“散碎凸起”和“表面微噴”均存在進(jìn)一步彌散展寬的趨勢(shì)。

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