陣列DPS測(cè)量技術(shù)在材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究中的應(yīng)用*

胡昌明,王 翔,劉倉(cāng)理,蔡靈倉(cāng)

（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國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽(yáng) 621900）

1 引 言

沖擊載荷下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性是沖擊動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域中既古老又具有前沿的研究課題,主要涉及材料的物態(tài)方程、相變、本構(gòu)、動(dòng)態(tài)斷裂等動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)和理論研究。其中,實(shí)驗(yàn)研究的中心問(wèn)題是對(duì)應(yīng)力波/沖擊波在材料中的傳播歷史或材料內(nèi)部（表面）的粒子速度的變化歷史進(jìn)行測(cè)量,獲取沖擊波與材料相互作用后的物理、力學(xué)信息。實(shí)驗(yàn)研究通常采用的傳感器有錳銅計(jì)、電容器、VISAR等,錳銅計(jì)因埋入式破壞了材料的連續(xù)性,對(duì)應(yīng)力波的傳播造成一定的影響;電容器和VISAR采用非接觸式測(cè)量,測(cè)到界面粒子運(yùn)動(dòng)信息。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),這2種測(cè)量方法測(cè)到的都是界面一定區(qū)域內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)的平均效應(yīng)。目前,實(shí)驗(yàn)研究由于受實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的限制而難以推進(jìn),只有測(cè)試技術(shù)上的進(jìn)步,才能推動(dòng)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)研究領(lǐng)域的進(jìn)步,尤其是動(dòng)態(tài)斷裂問(wèn)題。為此,近年來(lái)不斷發(fā)展了新的診斷技術(shù),如質(zhì)子照相技術(shù)[1]、同步輻射技術(shù)[2]及電子背向散射技術(shù)（electron backscatter diffraction,EBSD）[3]等。這些新的診斷方法,給材料動(dòng)態(tài)斷裂研究帶來(lái)新的期望。L.C.Chhabildas等[4]在氣炮上利用Line-imaging ORVIS測(cè)試技術(shù)（空間分辨率小于50 μm）測(cè)到的自由面時(shí)間-空間速度歷史信號(hào),研究了沖擊壓縮下鉭樣品內(nèi)部微孔洞的長(zhǎng)大過(guò)程,揭示了材料內(nèi)部孔洞或缺陷成核、增長(zhǎng)的非均勻隨機(jī)過(guò)程,為材料動(dòng)態(tài)破壞機(jī)理和層裂的研究提供了新的實(shí)驗(yàn)研究方法。本文中,采用陣列式多普勒光纖探針測(cè)量系統(tǒng)（Doppler pins system,DPS）作為測(cè)量技術(shù),從細(xì)觀尺度上探討研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)研究方法。

2 激光多普勒速度測(cè)量基本原理

激光多普勒測(cè)量的基本原理是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)位移或速度的測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖1,光纖激光器發(fā)出的單一頻率f0被分成2束,其中1束直接到達(dá)探測(cè)器上,作為參考光;另1束通過(guò)光學(xué)探頭垂直照射在物理表面,一部分物體表面反射或散射光由探頭收集也送到探測(cè)器,這部分光稱(chēng)為信號(hào)光。當(dāng)物體以速度v相對(duì)光纖探頭運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)致物體表面反射光的頻率發(fā)生改變。設(shè)物體朝向探頭運(yùn)動(dòng),反射光的頻率將增加為f0+Δf,其中 Δf稱(chēng)為多普勒頻移,與物體運(yùn)動(dòng)速度成正比,即

圖1 激光多普勒測(cè)速原理圖Fig.1 Principle of laser Doppler velocity interferometer

式中:c為光速,θ為探頭入射光與物體表面的夾角。通常探頭垂直于測(cè)量面,有c=fλ,則式（1）可寫(xiě)為

根據(jù)空間分辨率大小的要求,利用多通道的光探頭的陣列式布局,可實(shí)現(xiàn)具有一定空間分辨率的多點(diǎn)測(cè)量。采用16通道的光探頭,布局在2 mm的線長(zhǎng)度范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為127 μm的自由面粒子速度測(cè)量。相對(duì)于其他光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),DPS系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、抗振動(dòng)、免調(diào)試和可靠性高等特點(diǎn)。一方面,系統(tǒng)無(wú)須調(diào)節(jié),實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備周期短,避免了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的干涉儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜（如VISAR）、體積龐大、需要專(zhuān)業(yè)人員調(diào)試、不易操作等缺點(diǎn),可以方便地進(jìn)行陣列布局測(cè)量。另一方面,多點(diǎn)測(cè)量可以進(jìn)行空間-時(shí)間速度分辨的診斷,可以從材料微細(xì)觀尺度、均勻性及晶粒大小等方面研究材料內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

3 平板撞擊實(shí)驗(yàn)

圖2 預(yù)制缺陷的樣品Fig.2 Sample with preexisted defect

圖3 陣列DPS探針與樣品相對(duì)位置Fig.3 Relative position between arrays DPS pins and sample

實(shí)驗(yàn)由?37 mm火炮加載,進(jìn)行了2發(fā)實(shí)驗(yàn),彈速分別為312 m/s（飛片為PMM A）和317 m/s（飛片為K9）。樣品為?36 mm×6 mm的K9玻璃,樣品內(nèi)部利用激光內(nèi)刻機(jī)在樣品中心燒蝕?0.5 mm×0.4 mm的預(yù)制缺陷,如圖2所示,中間最小白點(diǎn)為預(yù)制缺陷,黑色圓圈為樣品后界面的鍍膜。K9玻璃材料參數(shù)為:密度 ρ=2.52 t/m3,體積模量K=47.14 GPa,剪切 模量G=34.04 GPa,縱波速度cl=6.06 km/s,橫波速度cs=3.70 km/s;PMMA材料參數(shù)為:密度ρ=1.187 t/m3,剪切模量G=2.31 GPa,縱波速度cl=2.76 km/s,橫波速度cs=1.38 km/s[5]。為了給光學(xué)測(cè)試提供一個(gè)反射面,在樣品的后界面上（自由面）均勻鍍了1層厚度為1 μm 的鋁膜,飛片材料為PMMA和 K9玻璃,尺寸均為?36 mm×5 mm。將16路 DPS探針對(duì)稱(chēng)布置在樣品后界面的1條直徑上（見(jiàn)圖3）,并保持探針頂端離樣品后界面有0.5 mm的垂直距離,且中間探針7～10正對(duì)樣品內(nèi)部的預(yù)制缺陷,探針1～16的x軸位置坐標(biāo)分別為-952.5、-825.5、-698.5、-571.5、-444.5、-317.5、-190.5 、-63.5、63.5、190.5、317.5、444.5 、571.5 、698.5、825.5 和 952.5 μm 。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第1發(fā)實(shí)驗(yàn)飛片材料是 PM MA,彈速為312 m/s,利用陣列DPS探針測(cè)得處理后的自由面速度剖面結(jié)果見(jiàn)圖4。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看到,在沖擊壓縮加載的前100 ns內(nèi),由于材料內(nèi)部缺陷的影響,導(dǎo)致正對(duì)缺陷的探針7～10所測(cè)到的樣品自由面的粒子速度信號(hào)有明顯的震蕩,即中間部分出現(xiàn)明顯的凸起,凸起最大振幅為約10 m/s（探針8信號(hào)見(jiàn)圖5（a））。進(jìn)一步分析看出,偏離缺陷的探針 1～6、11～16測(cè)到的自由面粒子速度信號(hào)經(jīng)歷一個(gè)緩慢上升到最大值的過(guò)程,然后達(dá)到一個(gè)恒定的速度123 m/s（探針1信號(hào)見(jiàn)圖5（b））。在沖擊壓縮加載的前100 ns內(nèi),沒(méi)有出現(xiàn)明顯的振蕩,反而正對(duì)缺陷的DPS探針測(cè)得的信號(hào)出現(xiàn)明顯的振蕩,最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值123 m/s。由此可以推斷,在沖擊壓縮加載過(guò)程中,缺陷對(duì)自由面速度的最終穩(wěn)定值不存在影響,只是影響到前100 ns左右的信號(hào)。也就是說(shuō),如果材料內(nèi)部的夾雜或缺陷的尺寸超過(guò)127 μm時(shí),這套DPS測(cè)量系統(tǒng)可以反映材料內(nèi)部非均勻性對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

圖4 實(shí)驗(yàn)1中16路探針測(cè)到的自由面速度Fig.4 Free surface velocities from pins 1～16 in experiment 1

第2發(fā)實(shí)驗(yàn)飛片是K9玻璃,彈速為317 m/s,圖6為16路DPS探針測(cè)量結(jié)果及曲線頂部放大結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,無(wú)論是偏移缺陷位置,還是正對(duì)缺陷位置,各路探針測(cè)到的信號(hào)100 ns后基本一致。而在沖擊加載到450 ns后,自由面速度均出現(xiàn)了1 m/s的速度跳躍。這一微小的速度變化現(xiàn)象是否為樣品內(nèi)部預(yù)制缺陷處因動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中造成的失效波,還有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)核實(shí)。需要說(shuō)明的是,樣品中缺陷離自由面還有一定的距離,而本文中忽略沖擊波在傳播這段距離時(shí)因材料本構(gòu)、波形彌散等因素的影響;并且,實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)觀察沖擊壓縮過(guò)程,記錄時(shí)間較短,只進(jìn)行了少量的實(shí)驗(yàn)。因此,從此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果看不出缺陷對(duì)材料拉伸斷裂信號(hào)的影響,需更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

圖5 正對(duì)缺陷和偏離缺陷的探針信號(hào)差異示意圖Fig.5 Signals difference between the faced pins and deflected pins to the defects

圖6 實(shí)驗(yàn)2中16路探針測(cè)到的自由面速度Fig.6 Free surface velocities from pins 1～16 in experiment 2

3.2 分析與討論

（1）本文中的測(cè)試方法可用來(lái)推測(cè)材料內(nèi)部缺陷對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。另外,由于缺陷離樣品自由面有一定的距離,這段距離大小也影響到測(cè)得信號(hào)的差異,飛片后界面產(chǎn)生的稀疏波可能趕上沖擊波并影響沖擊波的傳播。隨著傳播距離的增加,這段距離大小就會(huì)因距離不同導(dǎo)致測(cè)到的樣品自由面的粒子速度信號(hào)存在差異。為了避免飛片后界面所產(chǎn)生的稀疏波趕上前面的沖擊波,后續(xù)實(shí)驗(yàn)的預(yù)制缺陷需距離自由面一段合理距離,即測(cè)試界面與缺陷的距離不能太遠(yuǎn)。

（2）僅從沖擊壓縮信號(hào)可以看出,材料內(nèi)部存在的缺陷與壓縮沖擊波相互作用后,測(cè)得的自由面粒子速度信號(hào)與理想無(wú)缺陷材料的后界面粒子速度存在差異。因此,可以利用測(cè)得的后界面粒子速度信號(hào),分析材料內(nèi)部微細(xì)觀缺陷（微孔洞、微裂紋等）在動(dòng)態(tài)載荷下的成核、長(zhǎng)大過(guò)程,因?yàn)槿毕莸拈L(zhǎng)大過(guò)程必然會(huì)導(dǎo)致測(cè)試界面上相應(yīng)正對(duì)的探針測(cè)得的信號(hào)存在差異。進(jìn)一步的工作,需要研究在拉伸應(yīng)力狀態(tài)下,分析材料內(nèi)部微缺陷對(duì)材料拉伸斷裂特性的影響,以及利用數(shù)值模擬確定缺陷距樣品后界面的距離,研究材料內(nèi)部微缺陷對(duì)材料動(dòng)態(tài)斷裂特性的影響。

4 結(jié) 論

（1）采用了具有高空間-時(shí)間分辨率的陣列16通道DPS測(cè)試技術(shù),從細(xì)觀尺度上探討了材料內(nèi)部缺陷對(duì)波傳播的影響,為獲取詳細(xì)的波剖面粒子速度信息提供了新的實(shí)驗(yàn)方法。

（2）利用激光內(nèi)刻技術(shù),測(cè)到了沖擊載荷下帶預(yù)制缺陷的K9樣品的自由面的粒子速度變化歷史。在忽略波形的彌散、材料本構(gòu)特性對(duì)波傳播的影響等條件下,通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)碰撞速度為312 m/s時(shí),樣品自由面粒子速度信號(hào)在前100 ns內(nèi)存在差異,認(rèn)為樣品內(nèi)部預(yù)制缺陷干擾了沖擊壓縮波在樣品中的傳播;在碰撞速度為317 m/s時(shí),發(fā)現(xiàn)樣品自由面速度剖面上出現(xiàn)1 m/s的速度跳躍,推測(cè)是樣品內(nèi)部預(yù)制缺陷處因動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中造成的失效波。

實(shí)驗(yàn)得到了翁繼東、汪小松、陳宏、王為、付秋衛(wèi)、盧敏、葉素華、陳志云、王青松、鮮海峰等的協(xié)助,在此表示感謝。

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