熔化狀態(tài)下錫樣品微噴射現(xiàn)象的診斷*

陳永濤，洪仁楷，湯鐵鋼，陳浩玉

(中國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 621999)

1 引 言

動(dòng)態(tài)載荷下，金屬材料表面將有一些物質(zhì)微粒以高于自由表面的速度從自由表面噴射出來,這種現(xiàn)象通常稱為微噴射現(xiàn)象。自從1953年Walsh從實(shí)驗(yàn)中觀察到微噴射現(xiàn)象以來，該現(xiàn)象得到了人們的極大關(guān)注[1-17]，在噴射總量、速度特征、顆粒尺度等方面均取得了一系列重要認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究認(rèn)為，金屬表面形成微噴射的影響因素較多、機(jī)制復(fù)雜,在不同的材料狀態(tài)和加載狀態(tài)下,形成噴射的主導(dǎo)機(jī)制各不相同，相應(yīng)的噴射量和噴射物顆粒狀態(tài)也有數(shù)量級(jí)的差別。但由于現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)(如壓電石英計(jì)等)的測(cè)試量程較低，對(duì)于質(zhì)量和密度較大的噴射物難以獲得準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，導(dǎo)致目前微噴射的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在噴射量較小的情況，而對(duì)與熔化相關(guān)且質(zhì)量和密度較大的微噴射現(xiàn)象的研究明顯不足。對(duì)處于熔化狀態(tài)的金屬樣品，其表面加工狀態(tài)對(duì)表面噴射的影響的研究則相對(duì)更少。因此，發(fā)展大量程的微噴射測(cè)試技術(shù)，觀測(cè)熔化狀態(tài)下金屬樣品表面微噴射的相關(guān)特征，進(jìn)而系統(tǒng)地分析金屬樣品的不同表面加工狀態(tài)對(duì)表面噴射物質(zhì)量及特征的影響，無疑具有重要價(jià)值。

本研究擬選擇錫(Sn)材料為受載樣品，采用平面爆轟加載方式，利用我們前期發(fā)展的用于大質(zhì)量、高密度微噴物質(zhì)診斷的Asay-F窗技術(shù)[18]，實(shí)驗(yàn)診斷熔化狀態(tài)下Sn樣品自由表面微噴射物質(zhì)的質(zhì)量、密度、速度和空間分布等信息，并重點(diǎn)分析表面加工狀態(tài)與表面微噴特征的關(guān)系，為認(rèn)識(shí)熔化狀態(tài)下材料的微噴特征及構(gòu)建相關(guān)物理模型提供實(shí)驗(yàn)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)方法及診斷技術(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及診斷技術(shù)布局示意圖Fig.1 Experimental and diagnostic geometry

平面爆轟加載裝置如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)從上至下依次為：?100 mm平面波發(fā)生器，?100 mm×20 mm JB-9014，?100 mm×2 mm Al，?100 mm×3 mm Sn。受載Sn樣品采用車削加工工藝，并對(duì)表面做研磨處理，使其表面粗糙度(Ra)分別為0.2、0.8、1.6和3.2 μm。

測(cè)試手段主要為Asay-F窗和多普勒位移干涉儀DPS(Doppler Pin System)，實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。其中，采用DPS測(cè)量Sn/LiF窗口界面速度，給出沖擊波到達(dá)金屬樣品自由面的時(shí)間，計(jì)算得到樣品內(nèi)的壓力。Asay-F窗在傳統(tǒng)Asay窗[19]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成，主要利用DPS測(cè)速系統(tǒng)記錄的窗口-噴射顆粒界面速度，在一些基本假定基礎(chǔ)上，給出樣品表面微噴物質(zhì)的質(zhì)量、密度和速度等信息，具體結(jié)構(gòu)組成及測(cè)量原理參見文獻(xiàn)[18]。另外，為確保測(cè)試結(jié)果可靠，要求Asay-F窗測(cè)試探頭軸向與金屬樣品自由表面垂直，并精確控制測(cè)量端面與樣品自由面的距離。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置加載部分和測(cè)試探頭放置于真空度約500 Pa的爆炸容器內(nèi)，以排除空氣對(duì)微噴射物質(zhì)的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 Sn樣品沖擊加載應(yīng)力狀態(tài)

DPS測(cè)量的Sn/LiF界面速度剖面如圖2(a)所示。由于Sn樣品材料與LiF窗口的沖擊阻抗不相同，所以圖2(a)中的Sn/LiF界面速度不等于Sn樣品原有的(即Sn樣品中沖擊波與Sn/LiF界面作用前)粒子速度。因此，需要依據(jù)阻抗匹配法，將Sn/LiF界面速度的測(cè)量值和界面壓力換算成樣品與窗口作用前的粒子速度和壓力，進(jìn)而判斷Sn樣品所處的應(yīng)力狀態(tài),換算公式為

(1)

(2)

式中:σs、us分別為Sn樣品與LiF窗口作用前樣品內(nèi)的壓力和粒子速度，σw、uw分別為樣品中沖擊波與窗口作用后窗口的壓力和粒子速度(與界面狀態(tài)一致)，(ρ0D)s為Sn樣品的沖擊阻抗。其中，σw可由(3)式得到

σw=ρ0w(ρ0D)wuw

(3)

式中:ρ0w、(ρ0D)w分別為L(zhǎng)iF窗口的初始密度和沖擊阻抗。

圖2 Sn/LiF界面速度、Sn/LiF界面壓力及沖擊波在Sn/LiF界面反射前Sn樣品自由面附近的壓力Fig.2 Velocity and pressure profile of Sn/LiF interface,and the pressure on Sn near the free surface before shock wave reflection

由(1)式～(3)式得到Sn/LiF界面壓力(見圖2(b))，及沖擊波與Sn/LiF界面作用前Sn樣品自由面附近的壓力歷程(見圖2(c))。由圖2(c)得知，受載Sn樣品經(jīng)歷的最高壓力接近40 GPa，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[6]給出的Sn材料的卸載熔化壓力(22.5 GPa)，表明受載Sn樣品自由面附近處于卸載熔化狀態(tài)，其噴射量相對(duì)于未熔化狀態(tài)將大幅增加。

3.2 Asay-F窗診斷結(jié)果

DPS測(cè)得的微噴物質(zhì)-覆膜LiF窗口(窗口距離樣品自由面10.0 mm)界面速度隨時(shí)間t的變化如圖3(a)所示，圖中給出了兩個(gè)重要特征量：(1) 界面速度啟動(dòng)時(shí)刻，即快速噴射粒子撞擊覆膜窗口的時(shí)刻；(2) 界面速度快速上升時(shí)刻，即樣品自由面撞擊LiF窗口的時(shí)刻。利用Asay-F窗技術(shù)的數(shù)據(jù)處理原理，對(duì)圖3(a)中的界面速度進(jìn)行處理，得到Sn樣品單位面積噴射質(zhì)量me/A和動(dòng)態(tài)體密度ρe隨無量綱速度ue/uf(其中：ue為噴射顆粒運(yùn)動(dòng)速度，uf為樣品自由面速度)的分布信息，分別見圖3(b)和圖3(c)。

圖3 Asay-F窗診斷噴射物質(zhì)結(jié)果Fig.3 Asay-F-window data at a 10 mm offset

用圖3(a)給出的Sn樣品自由面撞擊LiF窗口所用的時(shí)間除LiF窗口到自由面的精確距離，得樣品自由面速度，約為2.5 km/s。利用Sn材料的沖擊雨貢紐關(guān)系及參數(shù),計(jì)算得到Sn樣品自由表面的沖擊壓力約為40 GPa，與根據(jù)DPS測(cè)得的Sn/LiF界面速度剖面計(jì)算的壓力相吻合，均大于Sn樣品的卸載熔化壓力(22.5 GPa)，表明受載Sn樣品處于熔化狀態(tài)。利用文獻(xiàn)[6]中給出的將微噴物質(zhì)的動(dòng)態(tài)體密度轉(zhuǎn)化為固定時(shí)刻密度空間分布圖像的方法，近似給出了Sn樣品自由面撞擊10 mm測(cè)試界面處診斷探頭時(shí)，即t=4.0 μs時(shí)刻，傳統(tǒng)高速微噴顆粒的總體空間密度分布圖像，如圖3(d)所示。細(xì)致分析圖3(a)～圖3(d)可得Sn樣品表面微噴物質(zhì)的特征信息，詳見表1。

表1 t=4.0 μs時(shí)刻微噴物質(zhì)特征量：空間寬度、累計(jì)質(zhì)量、密度范圍和速度范圍Table 1 Ejecta quantities of interest at t=4.0 μs:layer thickness,areal mass,volume density interval and velocity interval

3.3 不同表面加工狀態(tài)樣品診斷結(jié)果比對(duì)

對(duì)比圖3和表1所示的不同表面粗糙度Sn樣品的表面微噴量和特征信息發(fā)現(xiàn)：Ra=0.2 μm的樣品表面幾乎沒有形成微噴射物質(zhì)；而Ra=0.8、1.6和3.2 μm的3種Sn樣品，其表面均形成大量的微噴射物質(zhì)。該結(jié)果說明，樣品表面存在的缺陷或雜質(zhì)等非均勻因素是導(dǎo)致金屬樣品形成表面噴射的前提條件，對(duì)于表面沒有任何缺陷的金屬樣品，即使受載樣品處于熔化狀態(tài)，仍不會(huì)形成微噴射物質(zhì)。仔細(xì)比對(duì)表面粗糙度分別為0.8、1.6和3.2 μm的3種Sn樣品的微噴射診斷數(shù)據(jù)，可得到如下認(rèn)識(shí)：

(1) 樣品表面微噴物質(zhì)的累計(jì)質(zhì)量隨表面粗糙度的增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。Ra=0.8、1.6和3.2 μm的Sn樣品表面微噴物質(zhì)的單位面積累計(jì)質(zhì)量分別約為260、300和380 g/m2。

(2) 樣品表面噴射粒子的最大速度隨表面粗糙度的增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。Ra=0.8、1.6和3.2 μm的Sn樣品表面微噴物質(zhì)的最大速度分別約為自由面速度的1.28、1.35和1.46倍。

(3) 特定時(shí)刻，樣品表面微噴物質(zhì)占據(jù)的空間寬度隨表面粗糙度的增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

總體來看，對(duì)于處于熔化狀態(tài)的金屬樣品，表面粗糙度仍然是決定微噴射物質(zhì)量大小、速度及空間分布的重要因素，且相關(guān)特征均呈現(xiàn)隨表面粗糙度增大而增大的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

利用我們前期發(fā)展的Asay-F窗技術(shù)，在平面爆轟驅(qū)動(dòng)Sn樣品的實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確給出了不同表面加工狀態(tài)下Sn樣品表面微噴射質(zhì)量、速度、密度及空間分布等詳細(xì)信息；通過比對(duì)不同表面粗糙度的Sn樣品表面微噴射物質(zhì)的特征信息指出，對(duì)于處于熔化狀態(tài)的金屬樣品，表面粗糙度仍是決定微噴射物質(zhì)量大小、速度及空間分布的重要因素，且相關(guān)特征均呈現(xiàn)隨表面粗糙度增大而增大的趨勢(shì)。研究結(jié)果為認(rèn)識(shí)熔化狀態(tài)下材料的微噴特性及構(gòu)建相關(guān)物理模型提供了重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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