爆轟加載下金屬樣品的熔化破碎現象診斷*

陳永濤 任國武 湯鐵鋼 胡海波

(中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621900)

(2012年9月7日收到;2013年1月30日收到修改稿)

1 引言

自1914年，Hopkinson利用硝化棉炸藥和一定厚度的軟鋼板進行接觸爆轟，在鋼板的背面首次觀察到高速飛出的裂片，人們對于層裂破壞現象的認識和科學研究已持續了很長時間.經過近一個世紀的研究，對于沖擊加載后金屬樣品保持固體狀態的層裂損傷破壞現象目前認識相對比較清楚[1,2].而當沖擊加載壓力較大，受載金屬樣品處于熔化或部分熔化狀態時，金屬樣品的層裂損傷破壞現象和形成物理機理將變得極其復雜，即隨著材料質點間抗拉伸能力的降低和喪失，由于微尺度不均性的存在，在熔化金屬樣品不同位置處將形成大量空穴(空化核)，在稀疏波的拉伸作用下空化核開始長大，最終受載金屬樣品可能呈現表觀準連續實則為離散破碎狀態的“膨脹變厚”現象(典型圖像見圖1所示部分熔化狀態下Sn樣品的熔化破碎現象[3]).該現象與固態層裂極典型的微空洞在特定位置層上的成核、增長、匯聚并最終形成斷裂面而其余部分保持完好固體狀態的特征圖像存在明顯差異.

對于與熔化(或部分熔化)相關破碎現象最早由Andriot等于1983年發現[4]，近年來針對武器物理的研究需求，該問題不斷得到關注.相關研究進展主要有Holtkamp等采用質子照相和Asay窗診斷測試技術開展的Pb，Sn材料熔化斷裂破碎行為研究[3,5];Signor等采用Asay窗、軟回收和VISAR等診斷技術開展的Sn材料的熔化破碎現象研究[6-8].不過必須指出，由于熔化狀態下金屬樣品破碎顆粒質量密度較大、破碎顆粒之間速度梯度較小，且表面存在微物質噴射，給實驗準確診斷其現象特征帶來很大困難.雖然，目前國外發展了高能質子照相[3]、Asay窗[5]等診斷技術，但由于利用質子照相開展研究成本極高，且目前只有美國等極少數西方國家擁有該技術(中國目前不掌握質子照相技術)，嚴重影響了熔化破碎現象的研究進展;另外，由于金屬樣品表面微物質噴射的存在[9-18]，導致Asay窗測量信號較差，且缺乏測量信號的解讀方法，目前該研究仍處于探索階段.因此，如何改進發展相應的診斷技術，較準確診斷強沖擊加載狀態下金屬樣品的熔化破碎現象是目前亟待解決的問題.

本文擬對傳統Asay窗技術進行改進完善，避免金屬樣品表面微噴對測試信號的影響，獲得爆轟加載金屬樣品熔化破碎現象的高質量診斷信號，制定實驗數據解讀方法，從實驗上診斷熔化(或部分熔化)狀態下金屬樣品破碎物質的質量、密度及其分布等信息，彌補目前該研究主要依靠質子照相技術的不足，加深對該物理現象的認識.

圖1 部分熔化狀態下Sn樣品的熔化破碎圖像

2 實驗方法及測試技術

實驗加載方式選用平面爆轟加載，實驗裝置結構及診斷技術見示意圖2.具體結構為：Φ100 mm平面波發生器+Φ100mm×20 mm HE(high explosive高能炸藥)+Φ100mm×2mm Pb.Pb樣品經車削加工后，表面經研磨處理，表面粗糙度為0.8μm.診斷手段主要選用在Asay窗基礎上改進設計的Asay-F窗技術和激光多普勒位移干涉儀Doppler Pin System(DPS).其中，DPS用于給出沖擊波到達Pb樣品自由面的時間，近似代表Pb樣品表面熔化破碎物質的形成時刻(文中將其定義為所有測試技術的零時);改進設計發展的Asay-F窗技術主要用于診斷金屬樣品熔化破碎物質的質量、密度等特征信息，LiF窗口覆膜端面距Pb樣品表面距離精確控制，分別為5.0 mm，10.0 mm，15.0 mm，Asay-F窗具體測量原理及數據處理方法如下.同時，為減少空氣對微噴射和熔化破碎顆粒的影響，實驗裝置加載部分和測試探頭放置于真空度約500 Pa的爆炸容器內.

本文在傳統Asay窗(圖3(a)，激光測速系統選用Velocity Interferometry System for Any Re flector(VISAR))基礎上設計發展的Asay-F窗基本結構見圖3(b)，即在透明窗口(LiF晶體，尺寸為Φ30 mm×15 mm，可確保在有效測試時間內測試結果沒有受到窗口邊側稀疏影響)與熔化破碎顆粒的撞擊端面用極少量環氧樹脂膠粘貼了一層薄鋁膜(文中厚度為130μm)，以確保激光干涉測速系統(文中選用DPS，測試技術激光焦版直徑0.4 mm)正常回光，獲得高質量的實驗信號，進而利用激光干涉測速系統記錄的窗口－熔化破碎顆粒間的界面速度推測熔化破碎物質的質量、密度和速度等信息.

圖2 實驗裝置及診斷技術布局示意圖

圖3 診斷技術結構示意圖 (a)Asay窗;(b)Asay-F窗

利用Asay-F窗記錄的界面速度計算熔化破碎物質的質量－速度分布時，用到幾點基本假設：1)對于處于熔化狀態金屬樣品，當沖擊波在自由面反射時，樣品表面層熔化破碎顆粒瞬時形成;2)熔化破碎顆粒橫向分布均勻;3)熔化破碎顆粒與覆膜窗口的碰撞是完全非彈性的，在撞擊過程中沒有飛濺;4)在有效測量時間內沖擊波尚沒有在LiF窗口自由面反射;5)在熔化破碎顆粒與覆膜LiF窗口撞擊過程中，LiF窗口始終保持透明并沒有發生任何相變;6)由于LiF窗口粘貼鋁膜的沖擊阻抗與LiF窗口接近，且厚度極薄，數據處理過程中忽略鋁膜的影響.

在上述假設下，根據質量和動量守恒條件，任意時刻達到覆膜窗口單位面積熔化破碎顆粒質量增量dme/A可由下式得：

(1)式中P(t)為熔化破碎顆粒撞擊覆膜窗口的應力，uw為DPS給出的覆膜窗口界面速度(經折射率修正處理)，ue為熔化破碎顆粒運動速度，其具體數值主要通過兩種方法得到：1)金屬樣品表面層熔化破碎顆粒速度，即沖擊波在金屬樣品自由面反射時刻形成破碎顆粒速度，由其到達覆膜窗口的時間除覆膜窗口到樣品自由面距離d0得到;2)根據Asay-F窗診斷技術給出的熔化破碎顆粒與覆膜窗口完全非彈性碰撞的基本假定，在樣品內部某一位置破碎顆粒撞擊到LiF窗口時，LiF窗口撞擊端面已被其前面破碎顆粒物質覆蓋，而覆蓋層破碎顆粒物質的厚度及狀態方程參數均不清楚(無法計算給出覆蓋層物質的沖擊波速度)，導致無法從DPS記錄到的LiF窗口界面速度響應時間推斷給出該破碎顆粒撞擊LiF窗口測試界面的準確時間，進而導致無法采用第1)條中速度計算方法給出樣品內部熔化破碎顆粒物質的速度.鑒于此，對于樣品內部熔化破碎顆粒物質的速度，本文擬通過該速度與樣品表面層熔化破碎顆粒速度的相對比較近似給出，具體方法和數據將在第3節中給出.

(1)式中噴射顆粒撞擊覆膜窗口產生的應力P(t)為

(2)式中ρw=2.64 g/cm3為LiF窗口初始密度，cw=5.148 mm/μs為 LiF窗口 Lagrangian聲速，λ=1.358為LiF窗口沖擊Hugoniot系數.

3 實驗結果與分析

Asay-F窗診斷給出熔化破碎顆粒-LiF窗口界面速度見圖4，其主要給出三個重要時間特征量：1)界面速度啟動時刻t1，即樣品表面快速微噴射粒子撞擊覆膜窗口的時刻;2)界面速度第一次快速上升時刻t2，即樣品表面層熔化破碎顆粒撞擊LiF窗口時刻;3)界面速度第二次快速上升時刻t3，即樣品密實基體撞擊LiF窗口時刻或Asay-F窗失效時刻.

對于本文高能炸藥(HE)加載Pb樣品的實驗，由于Pb樣品可能處于熔化或部分熔化狀態，樣品抗拉強度極低，熔化破碎顆粒的形成需要時間和能量較小，因此，可以認為沖擊波在樣品自由面反射時刻表面層熔化破碎顆粒將瞬間形成，此時，表面層熔化破碎顆粒速度即可近似代表沖擊波在樣品表面反射時刻金屬樣品的實際自由面速度.另外，由圖4給出LiF窗口界面速度第一次快速上升時間t2，即Pb樣品表面層熔化破碎顆粒撞擊LiF窗口時間除LiF窗口到自由面的精確距離得樣品表面層熔化破碎顆粒速度約為2.0 km/s，進而得沖擊波在樣品表面反射時刻樣品自由面速度ufs≈2.0 km/s.因此，利用Pb材料沖擊雨貢紐關系及參數計算得Pb樣品自由表面附近沖擊壓力約40 GPa，大于其卸載熔化壓力(Pb的卸載熔化壓力約25 GPa[19])，即沖擊加卸載后樣品自由表面附近確實處于卸載熔化或部分卸載熔化狀態，證明上述分析正確可靠.另外，對于本文高能炸藥(HE)加載金屬樣品的情況，由于炸藥本身具有三角波的加載特性，導致樣品內部壓力將略大于自由表面附近壓力，因此當樣品自由表面附近處于卸載熔化狀態時，樣品內部也將最終處于卸載熔化狀態，即本文研究的Pb樣品整體處于卸載熔化或部分熔化狀態，在稀疏波的拉伸作用下將發生熔化破碎現象.

圖4 Asay-F窗診斷熔化破碎顆粒與LiF窗口界面速度

深入分析圖4得，第一個和第二個時間特征量(t1—t2)之間信號對應Pb樣品表面微噴射物質，其顆粒尺度約幾μm，速度介于2—2.8 km/s之間，均大于沖擊波在樣品自由面反射時刻樣品自由面速度，總體來看，該部分物質主要由樣品表面幾何缺陷引發，形成物理機理和現象特征相對比較清楚，本文不做詳細討論;第二個和第三個時間特征量(t2—t3)之間信號對應樣品表面附近一定厚度區域內熔化破碎物質，其顆粒尺度可能約在幾十μm，最大約百μm，速度接近或略小于沖擊波在樣品自由面反射時刻樣品自由面速度，該部分物質主要由處于熔化或半熔化狀態的金屬樣品在稀疏波的拉伸作用下形成，形成機理類似固體層裂但又不同于固體層裂，該部分物質特性是本文研究關注重點.另外，比較圖4中5 mm，10 mm和15 mm三個不同測試空腔處Asay-F窗診斷界面速度剖面發現，隨著測試空腔增大，t1—t2的時間間隔，即樣品表面快速微噴物質和表面層熔化破碎顆粒撞擊LiF窗口的時間間隔不斷增大(5 mm測試空腔處約0.67μs，10 mm測試空腔處約0.95μs，15 mm測試空腔處約1.23μs)，說明樣品表面微噴物質間存在明顯速度梯度，隨著測試空腔距離增大，微噴物質顆粒在空間尺度內不斷分散展寬;而3個不同測試空腔下t2—t3的時間間隔，即樣品表面層熔化破碎顆粒和樣品密實基體撞擊LiF窗口的時間間隔近似相等(約1.5μs)，表明樣品內部熔化破碎顆粒物質速度與表面層破碎物質速度差極小，近似相同(如果樣品表面層熔化破碎顆粒速度大于樣品內部熔化破碎物質速度，將會呈現與樣品表面微噴物質空間分散演化類似的特征信號，即隨著破碎顆粒物質在空間內的運動演化分散，在大空腔處Asay-F窗診斷給出樣品表面層熔化破碎顆粒和樣品密實基體撞擊LiF窗口的時間間隔(t2—t3)將大于小空腔處診斷結果).不過，在此必須指出，對于本文實驗結果中呈現的樣品表面附近一定厚度區域內熔化破碎顆粒物質速度近似相等的現象與本實驗特定的加載狀態(驅動炸藥層較厚，約20 mm，加載波后跟稀疏波強度較小)有關，當加載炸藥厚度較薄，加載波后跟稀疏波強度較大時情況可能會明顯不同.

另外，利用第2節給出的Asay-F窗的數據處理方法對圖4所示界面速度進行處理得單位面積熔化破碎物質累積質量-時間(ms/A-t)關系見圖5.分析圖5所示熔化破碎顆粒累積質量-時間關系發現，利用本文發展的Asay-F窗技術初步實現了爆轟加載下金屬樣品表面附近一定厚度區域內熔化破碎顆粒物質的診斷，如5 mm，10 mm和15 mm三個測試界面出診斷給出熔化破碎顆粒質量分別為 1386 mg/cm2，1145 mg/cm2和 895 mg/cm2，最大質量相差約35%.從嚴格理論判斷，由于三個測試界面處Asay-F窗診斷物質幾乎為同一物質，診斷結果應近似相等，不應出現結果中呈現的35%的差異.對于該問題目前可主要由以下三方面得到解釋：1)由于熔化破碎現象復雜，診斷難度極大，導致Asay-F窗技術診斷精度受限，這也正是目前散碎顆粒診斷共同的難點，如用于診斷金屬樣品表面微噴射且技術相對成熟的Asay膜的測量不確定度就高達50%;2)上述理論判斷和Asay-F窗數據處理中均假定熔化破碎物質在空間橫向分布均勻，該假定具有一定近似性，不同測點處診斷結果必然會存在一定分散性;3)隨著熔化破碎顆粒在測試空腔內的運動演化，顆粒尺度和空間分布特征將會發生改變，也將導致不同測試空腔診斷結果存在差異.總體來看，Asay-F窗技術具備初步診斷金屬樣品熔化破碎顆粒物質的能力，但仍有改進提高空間.

圖5 熔化破碎顆粒累計質量-時間(ms/A-t)關系

同樣，利用第2節給出的Asay-F窗的數據處理方法對圖4所示界面速度進行處理得熔化破碎顆粒動態體密度ρs(ρs/ρ0)-時間t關系見圖6(ρ0=11.3 g/cm3為Pb材料初始密度).進而利用文獻[14]中給出的將熔化破碎顆粒物質的動態體密度轉化為固定時刻密度空間分布圖像的方法，由圖6所示的動態體密度-時間關系近似給出了Pb樣品自由面(表面層熔化破碎顆粒)撞擊5 mm(t=2.5μs)，10 mm(t=5.0μs)和15 mm(t=7.5μs)測試界面處診斷探頭時刻熔化破碎顆粒物質的總體空間密度分布圖像，見圖7.由圖6和圖7所示熔化破碎顆粒動態相對體密度-時間(ρs/ρ0-t)和熔化破碎顆粒動態相對密度-空間(ρs/ρ0-d)的關系得，由于熔化破碎顆粒速度接近，5 mm，10 mm和15 mm三個不同測試空腔下，熔化破碎顆粒空間分散展寬不明顯，空間分布均約為3.0 mm，相對密度約分布在0.2—0.8區間(絕對體密度大約分布在2.0 g/cm3—8.0 g/cm3區間)，且熔化破碎顆粒之間存在明顯分層特征，該結果與圖1所示質子照相診斷給出熔化Sn破碎圖像類似.另外，細致分析發現，圖6和圖7所示的熔化破碎顆粒的分層現象，與固體層裂中多次層裂現象有一定相似性，定性說明熔化破碎顆粒形成物理機理與固體層裂有一定相似性，均為材料在稀疏波的拉伸作用下形成，但也存在明顯不同，如層內熔化破碎顆粒的空間體密度明顯小于材料初始密度，而固體層裂中層裂片的密度幾乎就為材料初始密度，說明熔化破碎顆粒層為速度接近顆粒群，而非一密實層裂片.

圖6 熔化破碎顆粒相對密度-時間(ρs/ρ0-t)關系

圖7 熔化破碎顆粒相對密度-距離(ρs/ρ0-d)關系

總體來看，利用發展的Asay-F窗技術，本文比較準確給出了高密度熔化破碎顆粒的質量、密度分布信息，且診斷結果與圖1所示質子照相診斷給出爆轟加載下Sn樣品的熔化破碎圖像類似，證明本文診斷結果準確可靠，為武器和相關科學研究關心的材料熔化狀態下破碎問題的物理建模、機理認識提供了重要的實驗信息.研究結果也說明本文發展的Asay-F窗確實具備診斷高密度熔化破碎顆粒的能力，可在一定程度上彌補國內缺乏質子照相該熔化破碎顆粒物質診斷技術的不足，至少可以作為一種有效的補充手段.

4 結論

1.在Asay窗診斷技術基礎上，設計了一種適用于熔化狀態下金屬樣品表面附近及一定厚度區域內熔化破碎現象診斷的Asay-F窗技術，在一定程度上彌補國內缺乏質子照相該熔化破碎顆粒物質診斷技術的不足;

2.利用本文發展的Asay-F窗技術較準確診斷給出了金屬Pb樣品表面附近及一定厚度區域內熔化破碎物質的質量、密度及其速度空間分布信息，其空間體密度可達樣品初始密度的80%，質量可達g/cm2，速度梯度分布強烈依賴加載波形狀，且與金屬樣品表面微噴顆粒及固體層裂片行為特征存在明顯差異.

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