爆轟波對碰加載下平面金屬樣品動載行為實驗研究

陳永濤，洪仁楷，王曉燕，陳浩玉，張崇玉，胡海波

(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重點實驗室,四川 綿陽 621999)

爆轟波對碰加載下平面金屬樣品動載行為實驗研究

陳永濤，洪仁楷，王曉燕，陳浩玉，張崇玉，胡海波

(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重點實驗室,四川 綿陽 621999)

進行沖擊波對碰加載簡易平面金屬Sn和W樣品實驗，采用X射線照相和激光干涉測速系統進行聯合診斷，給出了2種材料沖擊波對碰區表面微噴及主體破碎物質的直觀圖像，研究了Sn和W樣品對碰區動力學行為，并比較分析2種材料對碰區特征的異同，給出了定性物理解釋，實驗結果可為爆轟波對碰加載下材料動力學特性的理論研究提供數據支撐。

爆炸力學；主體破碎；表面噴射；聯合診斷；X射線照相裝置；DSP；爆轟波對碰

在武器物理研究和眾多工程任務中，常會遇到2個爆轟波相互碰撞加載金屬樣品的情況，由于爆轟波對碰后壓力、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，進而導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生層裂破碎等一系列復雜動力學行為。另外，由于對碰加載波形的特殊性和復雜性，對碰加載下金屬樣品的動載行為又明顯區別于單一平面加載狀態，導致無法直接從平面加載下金屬材料動力學行為推斷對碰加載狀態。鑒于爆轟波對碰加載獨特的力學行為以及重要的工程應用背景，近年來逐漸受到研究人員的重視。典型研究進展和成果如下： M.Singh等[2]、陳軍等[3]、張崇玉等[4]開展的爆轟波對碰加載下金屬圓管膨脹變形特性的實驗研究，結果發現，在爆轟波對碰加載下金屬圓管對碰區出現超前凸起現象，且該部位殼體斷裂時間較鄰近部位明顯提前；A.K.Zhiembetov等[5]開展的柱面對碰加載下鉛、銦、錫、鐵材料動載行為特征的對比研究，結果發現鉛、銦、錫這類低強度、低熔點金屬材料對碰區出現多孔斷裂、崩潰甚至破碎、霧化等現象，完全不同于相同加載條件下鐵(熔點和強度相對較高)的對碰區動載行為特征，表明材料強度和熔點對殼體對碰區動載行為有重要影響；張崇玉等[6-7]采用簡易平面對碰實驗裝置，利用X射線照相技術，對比研究了Pb、W和Cu不同材料對碰加載下的動載行為特征，再次指出材料強度和熔點對金屬樣品對碰區動載行為存在重要影響。應該說，上述研究取得了爆轟波對碰加載下金屬材料的某些動載行為特征信息和物理認識，但由于對碰加載下材料動載行為的復雜性，目前的研究無論在廣度和深度上均無法滿足工程和物理認識的需要。

本文中正是基于上述研究基礎和物理認識，選擇強度、熔點較低的Sn材料和強度、熔點較高的W材料作為研究對象，并首次將激光干涉測速(Doppler pin system，DPS)引入對碰區測量，結合傳統X射線照相技術，實驗診斷平面金屬樣品在爆轟波對碰加載下材料的動力學行為特征，比對分析Sn和W這2種材料的行為特征差異，以加深對碰加載下金屬材料動載行為的物理認識。

1 實驗加載裝置及測試系統布局

實驗加載裝置及DPS測速系統布局如圖1所示。炸藥柱面中間兩點對稱安裝雷管，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測速探頭統一安裝在測試支架上，直徑為3.2 mm，且全部布設在對碰線上，共7個。實驗環境均為常壓。

圖1 實驗加載裝置及測速布局Fig.1 Schematic of experimental setup and DPS system

為獲得對碰區金屬材料動載特征的直觀圖像，分別在平行于對碰線和垂直于對碰線2個方向布設2臺450 keV脈沖X光機對對碰區進行觀測，將平行于對碰線方向定義為縱向，垂直于對碰線方向定義為側向。

2 實驗結果與分析

2.1 Sn樣品診斷結果及分析

圖2所示為X射線診斷爆轟波對碰加載下Sn樣品對碰區圖像。

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

由圖2可以看出。X射線出光時間為雷管起爆后約12.5和16.1 μs這2個時刻，出光方向分別為平行于對碰線方向(縱向)和垂直于對碰線方向(橫向)。縱向的對碰區凸起形狀細長，類似聚能裝藥射流。由于沿觀測方向上物質疊加，加上X射線穿透能力限制，表觀上似乎呈現連續介質狀態；橫向觀測結果顯示，對碰區凸起圖像呈明顯的多層分區的結構特征，即凸起頭部密度較低(明顯低于材料初始密度)，處于不連續的散碎狀態，根部密度相對較高，不同低密度區域中間有密度較高的類似于層裂片的“夾層”將低密度區域分開。比較12.5和16.1 μs這2個時刻X射線圖像發現，隨著時間演化，對碰區凸起物質在空間不斷展寬彌散，空間平均體密度進一步降低，再次說明對碰凸起物質為破碎顆粒“聚集體”(非連續態物質)，且不同破碎顆粒物質間存在明顯速度差。細致觀察X射線圖像發現在Sn樣品低密度破碎顆粒群與空氣介質之間存在明顯的“階躍”邊界，根據材料動載下運動特性可初步判斷該“階躍”邊界對應Sn樣品初始自由表面。對12.5和16.1 μs這2個時刻X射線圖像對應“階躍”邊界位置進行對比處理后，可大體判定對碰區Sn樣品自由表面速度約2.0 km/s(對碰線中間點位置速度)，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)。通過觀測圖3所示的局部增強圖像發現，在“階躍”邊界前還存在一層密度極低微噴物質。

圖3 平面Sn材料對碰區X射線增強圖像Fig.3 Enhanced radiographs of collision zone exerted by Sn sample

圖4 DPS測量對碰區Sn材料典型速度剖面 Fig.4 Velocity profile of Sn collision zone measured by DSP

DPS測量給出的Sn樣品對碰區典型速度剖面，如圖4所示。分析圖4可以發現，DPS測量結果呈現一定寬度“彌散速度帶”特征，而非單一速度特征。依據DPS測量原理，可以判定DPS測量結果應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測量物質應為位于對碰區Sn樣品自由表面前方的高速微噴射粒子，該結果與圖3中X射線增強圖像給出結果吻合。

另外，為了更直觀判定對碰區Sn樣品自由表面高速噴射粒子占據的空間區域及演化規律，對圖4所示速度帶進行了處理，提取了速度帶“上沿”信息(對應速度最大微噴射粒子，見圖5)，然后，將其沿時間進行積分，得到了其位移時間歷程，再將該位移時間歷程與X射線診斷Sn樣品自由“階躍”邊界進行比對，得到了圖6所示物理圖像。由圖6可見，對碰區Sn樣品表面噴射粒子大體占據了自由面表面前方2～3 mm的空間區域，且隨著時間推移(一定時間寬度范圍內)，存在逐漸展寬趨勢(12.5 μs時微噴區寬度約2 mm，16.1 μs時微噴區寬度約3 mm)。不過，隨著時間繼續推移，微噴區寬度演化歷程還需要補充更豐富的數據給出。

圖5 DPS測量對碰區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程曲線Fig.6 Displacement history of micro-ejecta-particle with maximum velocity

2.2 W樣品診斷結果及分析

X射線診斷爆轟波對碰加載下W材料對碰區圖像，如圖7所示。

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

X射線出光時間為雷管起爆后約12.4、19.8 μs這2個時刻，出光方向分別為平行于對碰線方向(縱向)和垂直于對碰線方向(橫向)。縱向記錄的W樣品對碰區狀態與Sn樣品狀態類似，由于沿觀測方向上物質疊加，加上X射線穿透能力限制，表觀上亦似乎呈現連續介質狀態。橫向觀測結果顯示，對碰區W樣品自由表面附近一定厚度區域內發生了明顯的破碎現象，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個不同時刻W樣品X射線圖像發現，隨著時間推移，類“云朵”狀的凸起破碎顆粒群在空間進一步展寬，說明破碎顆粒之間存在明顯速度梯度差(與Sn樣品類似)。繼續細致觀測X射線圖像亦發現了對應W樣品自由表面的“階躍”邊界，但沒能發現位于“階躍”邊界前方的表面微噴物質，從而初步判定W樣品表面沒有發生明顯微噴射現象。而且，同樣通過比對2個時刻X射線圖像W樣品“階躍”邊界所處位置，得對碰區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)。

圖8 DPS測量對碰區W材料典型速度剖面Fig.8 Velocity profile of W collision zone measured by DSP

DPS測量給出了W樣品對碰區典型速度剖面，如圖8所示。分析圖8可以發現，DPS測量結果呈現一定寬度“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DPS的測量原理，可以判定DPS的測量結果應為散碎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該大于前面呈現“彌散”速度帶特征Sn樣品微噴顆粒。由圖8可見，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測量物質應為位于對碰區自由“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，從而定性說明W樣品自由表面幾乎沒有形成微噴物質，該結果與圖8中X射線給出結果吻合。另外，為了更直觀判定X射線診斷結果與DPS診斷結果的一致性，同樣針對圖8所示W樣品速度帶上邊沿進行提取，如圖9所示，并對其沿時間進行積分，與X射線診斷結果進行比對，如圖10所示，結果發現兩者在空間位置上基本吻合，進而再次說明W樣品自由表面幾乎沒有形成微噴物質(或者說表面微噴物質極少，不足以使X射線和DPS響應)。

圖9 DPS測量對碰區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程曲線Fig.10 Displacement history of micro-ejecta-particle with maximum velocity

3 結 論

綜合比較Sn和W樣品對碰區動力學特征圖像和診斷結果，可得出如下結論：

(1)對碰區總體狀態：在爆轟波對碰加載下，Sn和W樣品均呈現明顯對碰凸起現象，且對碰凸起物質均為“散碎顆粒”聚集體，而非連續物質；

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

(3)樣品主體破碎形態：對碰區Sn樣品表觀呈現“類連續”的彌散破碎態，破碎顆粒尺度相對較小；對碰區W樣品呈現類“云朵”狀的離散破碎態，破碎顆粒尺度相對較大。

此外，從前文的分析來看，對碰區Sn和W樣品之所以呈現巨大差異主要是由材料本身強度和熔點特性決定：由于Sn材料強度和熔點較低，受載后對碰區Sn樣品處于卸載熔化狀態，抗拉強度極低，在稀疏波拉伸作用下極易形成類“微層裂”特征的彌散態，且會使表面微噴量大幅增加；由于W材料強度和熔點極高，受載后對碰區W樣品仍處于固態，抗拉強度相對較高，因此，稀疏波作用下形成類“云朵”狀的固體破碎顆粒，且幾乎不能形成表面噴射。

[1] 孫承緯,衛玉章,周之奎.應用爆轟物理[M].北京:國防工業出版社,2000:534-543.

[2] Singh M, Suneja H R, Bola M S, et al. Dynamic tensile deformation and fracture of metal cylinders at high strain rates[J]. International Journal of Impact Engineering, 2002,27(9):939-954.

[3] 陳軍,孫承緯,蒲正美,等.爆轟波對碰區產物驅動金屬圓管的研究[J].爆炸與沖擊,2003,23(5):442-447. Chen Jun, Sun Chengwei, Pu Zhengmei, et al. Expansion of metallic tubes by detonation product behind two head-on colliding detonation waves[J]. Explosion and Shock Waves, 2003,23(5):442-447.

[4] 張崇玉,谷巖,張世文,等.爆轟波對碰驅動下金屬圓管膨脹變形特性研究[J].爆炸與沖擊,2005,25(3):222-226. Zhang Chongyu, Gu Yan, Zhang Shiwen, et al. Study on expanding characteristic of steel tube driven by two head-on colliding detonation waves[J]. Explosion and Shock Waves, 2005,25(3):222-226.

[5] Zhiembetov A K, Mikhaylov A L, Smirnov G S. Experimtnal study of explosive fragmentation of metals melts[C]∥AIP Conference Proceedings, Shock Compression of Condensed Matter. Atlanta, 2002:547-550 [6] 張崇玉,胡海波,李慶忠,等.爆轟波對碰驅動下平面鉛飛層對碰區動載行為實驗研究[J].高壓物理學報,2009,29(4):283-287. Zhang Chongyu, Hu Haibo, Li Qingzhong, et al. Experimental study on dynamic behavior of lead plate driven by two head-on colliding detonation waves[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2009,23(4):283-287.

[7] Zhang Chongyu, Hu Haibo, Tang Tiegang, et al. Dynamic behavior of lead driven by head-on detonation waves[C]∥AIP Conference Proceedings, Shock Compression of Condensed Matter. Chicago, 2012.

(責任編輯 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；

國家自然科學基金項目(11472254,11272006)；中國工程物理研究院面上基金項目(2012B0201017)；沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室(9140C670301130C67238)

陳永濤(1980— )，男，碩士，副研究員;

洪仁楷，13404005190@163.com。

O383 國標學科代碼： 13035

A

修回日期： 2015-04-02