熔化狀態下錫樣品微噴射現象的診斷*

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驗室，四川綿陽 621999)

1 引 言

動態載荷下，金屬材料表面將有一些物質微粒以高于自由表面的速度從自由表面噴射出來,這種現象通常稱為微噴射現象。自從1953年Walsh從實驗中觀察到微噴射現象以來，該現象得到了人們的極大關注[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識。相關研究認為，金屬表面形成微噴射的影響因素較多、機制復雜,在不同的材料狀態和加載狀態下,形成噴射的主導機制各不相同，相應的噴射量和噴射物顆粒狀態也有數量級的差別。但由于現有測試技術(如壓電石英計等)的測試量程較低，對于質量和密度較大的噴射物難以獲得準確的診斷結果，導致目前微噴射的實驗研究主要集中在噴射量較小的情況，而對與熔化相關且質量和密度較大的微噴射現象的研究明顯不足。對處于熔化狀態的金屬樣品，其表面加工狀態對表面噴射的影響的研究則相對更少。因此，發展大量程的微噴射測試技術，觀測熔化狀態下金屬樣品表面微噴射的相關特征，進而系統地分析金屬樣品的不同表面加工狀態對表面噴射物質量及特征的影響，無疑具有重要價值。

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，利用我們前期發展的用于大質量、高密度微噴物質診斷的Asay-F窗技術[18]，實驗診斷熔化狀態下Sn樣品自由表面微噴射物質的質量、密度、速度和空間分布等信息，并重點分析表面加工狀態與表面微噴特征的關系，為認識熔化狀態下材料的微噴特征及構建相關物理模型提供實驗支撐。

2 實驗方法及診斷技術

圖1 實驗裝置及診斷技術布局示意圖Fig.1 Experimental and diagnostic geometry

平面爆轟加載裝置如圖1所示，具體結構從上至下依次為：?100 mm平面波發生器，?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。

測試手段主要為Asay-F窗和多普勒位移干涉儀DPS(Doppler Pin System)，實驗布局如圖1所示。其中，采用DPS測量Sn/LiF窗口界面速度，給出沖擊波到達金屬樣品自由面的時間，計算得到樣品內的壓力。Asay-F窗在傳統Asay窗[19]的基礎上設計而成，主要利用DPS測速系統記錄的窗口-噴射顆粒界面速度，在一些基本假定基礎上，給出樣品表面微噴物質的質量、密度和速度等信息，具體結構組成及測量原理參見文獻[18]。另外，為確保測試結果可靠，要求Asay-F窗測試探頭軸向與金屬樣品自由表面垂直，并精確控制測量端面與樣品自由面的距離。同時，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，以排除空氣對微噴射物質的影響。

3 實驗結果與分析

3.1 Sn樣品沖擊加載應力狀態

DPS測量的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，需要依據阻抗匹配法，將Sn/LiF界面速度的測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，進而判斷Sn樣品所處的應力狀態,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LiF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樣品經歷的最高壓力接近40 GPa，遠大于文獻[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，其噴射量相對于未熔化狀態將大幅增加。

3.2 Asay-F窗診斷結果

DPS測得的微噴物質-覆膜LiF窗口(窗口距離樣品自由面10.0 mm)界面速度隨時間t的變化如圖3(a)所示，圖中給出了兩個重要特征量：(1) 界面速度啟動時刻，即快速噴射粒子撞擊覆膜窗口的時刻；(2) 界面速度快速上升時刻，即樣品自由面撞擊LiF窗口的時刻。利用Asay-F窗技術的數據處理原理，對圖3(a)中的界面速度進行處理，得到Sn樣品單位面積噴射質量me/A和動態體密度ρe隨無量綱速度ue/uf(其中：ue為噴射顆粒運動速度，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窗診斷噴射物質結果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系及參數,計算得到Sn樣品自由表面的沖擊壓力約為40 GPa，與根據DPS測得的Sn/LiF界面速度剖面計算的壓力相吻合，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。利用文獻[6]中給出的將微噴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，近似給出了Sn樣品自由面撞擊10 mm測試界面處診斷探頭時，即t=4.0 μs時刻，傳統高速微噴顆粒的總體空間密度分布圖像，如圖3(d)所示。細致分析圖3(a)～圖3(d)可得Sn樣品表面微噴物質的特征信息，詳見表1。

表1 t=4.0 μs時刻微噴物質特征量：空間寬度、累計質量、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 不同表面加工狀態樣品診斷結果比對

對比圖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現：Ra=0.2 μm的樣品表面幾乎沒有形成微噴射物質；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。該結果說明，樣品表面存在的缺陷或雜質等非均勻因素是導致金屬樣品形成表面噴射的前提條件，對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，仍不會形成微噴射物質。仔細比對表面粗糙度分別為0.8、1.6和3.2 μm的3種Sn樣品的微噴射診斷數據，可得到如下認識：

(1) 樣品表面微噴物質的累計質量隨表面粗糙度的增大而呈現增大趨勢。Ra=0.8、1.6和3.2 μm的Sn樣品表面微噴物質的單位面積累計質量分別約為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增大趨勢。Ra=0.8、1.6和3.2 μm的Sn樣品表面微噴物質的最大速度分別約為自由面速度的1.28、1.35和1.46倍。

(3) 特定時刻，樣品表面微噴物質占據的空間寬度隨表面粗糙度的增大而呈現增大趨勢。

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

4 結 論

利用我們前期發展的Asay-F窗技術，在平面爆轟驅動Sn樣品的實驗中，準確給出了不同表面加工狀態下Sn樣品表面微噴射質量、速度、密度及空間分布等詳細信息；通過比對不同表面粗糙度的Sn樣品表面微噴射物質的特征信息指出，對于處于熔化狀態的金屬樣品，表面粗糙度仍是決定微噴射物質量大小、速度及空間分布的重要因素，且相關特征均呈現隨表面粗糙度增大而增大的趨勢。研究結果為認識熔化狀態下材料的微噴特性及構建相關物理模型提供了重要實驗數據。

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