爆轟加載下金屬材料的微層裂現象＊

陳永濤，洪仁楷，陳浩玉，胡海波，湯鐵鋼

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621999）

爆轟加載下金屬材料的微層裂現象＊

陳永濤，洪仁楷，陳浩玉，胡海波，湯鐵鋼

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621999）

通過在LiF窗口撞擊鍍膜面增加一薄層LiF和對LiF窗口反光面進行漫反射面鍍膜處理的方法，對傳統Asay窗診斷技術進行了改進，獲得了微層裂物質高質量的實驗信號。將改進后Asay窗技術與中能X射線照相及激光干涉測速技術相結合，實驗給出了熔化狀態下Sn材料微層裂物質不同時刻的密度空間分布圖像及演化特征，且不同測試技術診斷結果半定量吻合。得到Sn材料微層裂物質的清晰物理圖像，可為微層裂物理機理的認識和物理建模提供實驗數據。

固體力學；微層裂；X射線照相；Asay窗；DPS測速；LiF

自有學者在1914年利用硝化棉炸藥驅動軟鋼板的爆轟實驗中，在鋼板的背面觀察到高速飛出的層裂片后，層裂破壞現象的研究已持續了近一個世紀。到目前為止，對于加載后樣品保持固態的層裂損傷破壞現象的研究相對比較清楚。不過，對于較高的沖擊加載壓力，受載金屬樣品處于熔化狀態時，金屬樣品的層裂損傷破壞現象和形成機制變得相對復雜，即隨著樣品質點間抗拉能力的降低和喪失，加之微尺度不均性的存在，在熔化樣品不同位置處將形成大量微空穴（空化核），在拉伸稀疏波作用下空化核逐漸長大，最終金屬樣品呈現離散破碎狀態的“微層裂”現象。微層裂現象最早由P.Andriot等于1983年發現［1］，近年來基于武器物理的研究需求，該問題得到持續深入關注。典型研究進展主要有：D.B.Holtkamp等［2－3］利用質子照相和Asay窗診斷測試技術進行的Pb、Sn材料微層裂問題研究；T.D.Rességuier等［4］、L.Signor等［5］利用Asay窗、VISAR和軟回收等研究方法開展的Sn材料的微層裂問題研究；陳永濤等［6－7］實驗研究給出的Pb材料的微層裂數據和Shao Jianli等［8］、Xiang Meizhen等［9－10］采用分子動力學模擬給出的一些定性認識。不過必須指出，雖然目前發展了高能質子照相、Asay窗等診斷技術，但由于質子照相研究成本極高，傳統Asay窗診斷信號信噪比又偏低，而且分子動力學模擬尺度又太小（不能完全反映微層裂的宏觀信息和物理機制），嚴重制約了微層裂問題的研究進展，導致目前對于微層裂的研究尚處于起步階段。因此，如何改進發展相應的診斷技術，較準確診斷金屬樣品的微層裂現象，探討微層裂形成的關鍵物理機制是目前亟待解決的問題。

本文中擬對Asay窗技術進行改進，獲得爆轟加載下金屬樣品微層裂的高質量診斷信號，結合中能X射線照相及DPS（Doppler pin system）測速技術，從實驗上診斷給出金屬樣品微層裂物質的質量、密度及其分布等信息，獲取微層裂現象更加豐富的實驗物理信息，加深對該物理現象特征及物理機制的認識，以期為相關物理建模提供實驗數據。

1 實驗方法及測試技術

實驗加載方式選用爆轟加載，實驗與診斷裝置如圖1所示。具體結構為：雷管為25mm×30mm炸藥和樣品尺寸為25mm×4mm的Sn樣品，Sn樣品表面粗糙度為0.8μm。診斷裝置主要選擇1MeV中能X射線照相、DPS自由面測速、Sn／LiF界面測速和改進Asay窗4種。其中，中能X射線照相主要用于獲得特定時刻金屬Sn樣品微層裂物質的空間密度分布特征，同時，針對中能X射線散射對圖像質量的影響問題，專門設計了中能X射線準直體，有效消除了散射，使圖像質量大幅提高。DPS自由面測速主要用于給出沖擊波到達Sn樣品自由面的時間（定義為所有測試技術的零時）和自由面速度，并定性判斷Sn樣品自由表面是否存在微噴射物質。Sn／LiF窗口界面速度測量用于給出Sn樣品內壓力，判斷Sn樣品所處狀態。改進Asay窗技術主要通過測量LiF窗口鍍膜界面速度，推測金屬樣品微層裂物質的質量、密度等特征信息，LiF窗口距Sn樣品表面距離d0精確控制（為30.5mm）。

圖1 實驗裝置結構及診斷技術布局示意圖Fig.1 Schematics of experimental setup and diagnostic geometry

D.B.Holtkamp等［3］研制的傳統Asay窗如圖2（a）所示，其最初主要用于診斷傳統固體多次層裂現象，后續逐漸開始嘗試利用Asay窗診斷微層裂問題，但由于高壓加載下金屬樣品表面大量噴射物質的存在，激光干涉測速系統無法有效回光，導致其不能獲得高質量的實驗信號。針對傳統Asay窗技術的不足，L.Signor等［5］進行了相應改進，如見圖2（b）所示，即在LiF窗口被撞擊面用極少量環氧樹脂膠粘貼了一層鋁膜，以提高激光干涉測速系統的回光效率。不過，由于粘貼鋁膜相對較厚（最大達500μm），且與LiF窗口阻抗不匹配，導致應力波在鋁膜內不斷反射，加之鋁膜本身存在明顯塑性變形，在一定程度上影響了測試精度。

圖2 Asay窗結構示意圖Fig.2 Asay－window diagnostic technology

基于上述研究存在的不足，本文中對Asay窗進行了進一步改進，如圖1（b）所示：首先針對LiF窗口回光效率不足問題，將LiF窗口做毛面處理，電鍍1層反射鋁膜（厚度約4μm），使DPS測試激光實現漫反射，大大提高反射回光效率；然后針對噴射及微層裂顆粒對鍍膜反射面的破壞，導致實驗過程中DPS測試激光回光效率大幅下降問題，本文中通過用極少量環氧樹脂膠在LiF窗口鍍膜面粘貼一薄層LiF窗口（采用厚度為0.5mm）的方法加以解決，從而大大提高了實驗診斷信號質量。更為關鍵的是，采用的反射保護層（薄層LiF）與Asay窗主體（LiF窗口）阻抗完全匹配，從而有效避免了圖2（b）中應力波在測試界面的反射問題，而且由于采用的薄層LiF在實驗壓力范圍內處于彈性范圍，其還有效避免了圖2（b）中鋁膜塑性變形問題。總體來看，相比原來Asay窗技術，本文中設計改進Asay窗的診斷精度得到了大幅提高。

利用Asay窗記錄的界面速度計算微層裂物質的密度速度分布時，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，樣品表面附近微層裂顆粒近似瞬時形成；（2）微層裂顆粒與LiF窗口的碰撞是完全非彈性的，在撞擊過程中沒有飛濺；（3）在有效測量時間內應力波尚沒有在LiF窗口自由面反射；（4）在微層裂顆粒與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；（5）由于LiF窗口所鍍鋁膜的沖擊阻抗與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，任意時刻達到LiF窗口單位面積微層裂顆粒質量的增量為：

式中：p（t）為微層裂顆粒撞擊LiF窗口的應力，uw為DPS測量給出的鍍膜窗口界面速度（經折射率修正處理），ue為微層裂顆粒運動速度。

式（1）中微層裂顆粒撞擊LiF窗口產生的應力p（t）、微層裂顆粒運動速度ue為：

式中：LiF窗口初始密度ρw＝2.64g／cm3，LiF窗口Lagrangian聲速cw＝5.148mm／μs，LiF窗口沖擊Hugoniot系數λ＝1.358；d0為Sn樣品距LiF窗口撞擊面的初始距離，時間t為DPS記錄的微層裂顆粒撞擊LiF窗口的時刻（經薄層LiF窗口引入時間差的修正處理）。

2 實驗結果與分析

2.1 DPS測量的Sn樣品自由面速度

DPS測量給出Sn樣品自由面典型速度剖面如圖3所示。分析圖3可發現，DPS測量結果呈現一定寬度“彌散速度帶”特征。依據DPS測量原理，可以判定DPS測量結果應為大量細小微噴粒子的速度信息，而非Sn樣品自由面單一速度信息，且其下沿速度應與Sn樣品自由面速度接近（約為1.9km／s）。利用Sn材料沖擊雨貢紐關系及參數計算得Sn樣品自由表面附近最大沖擊壓力約為27GPa，大于Sn材料卸載熔化壓力的22.5GPa，表明沖擊加卸載后Sn樣品處于熔化狀態。

圖3 DPS測量Sn樣品自由面速度Fig.3 Free surface velocity of Sn detected by DPS

2.2 DPS測量的Sn／LiF界面速度

DPS記錄Sn／LiF界面速度剖面見圖4。由于Sn樣品材料與LiF窗口沖擊阻抗不同，圖4所示的Sn／LiF界面速度不等于Sn樣品中沖擊波與Sn／LiF界面作用前的粒子速度。因此，需要依據阻抗匹配法將Sn／LiF界面速度測量值和界面壓力換算成Sn樣品中沖擊波與窗口作用前的粒子速度和壓力，進而判斷Sn樣品所處應力狀態。具體可通過下式完成換算：

圖4 DPS測量Sn／LiF界面速度剖面Fig.4 Interface velocity of Sn／LiF detected by DPS

式中：σs、us為Sn樣品與LiF窗口作用前樣品內的壓力和粒子速度，σw、uw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樣品沖擊阻抗。其中σw＝為LiF窗口沖擊阻抗。

由式（4）～（5）得，沖擊波與Sn／LiF界面作用前Sn樣品自由面附近壓力歷程見圖5。由圖5可以看出，受載Sn樣品經歷最高壓力接近26.5GPa，與圖3所示自由面測量數據給出結果吻合，遠大于其卸載熔化壓力，再次證明受載Sn樣品處于熔化狀態。

圖5 擊波在界面反射前Sn自由面附近壓力Fig.5 Pressure of Sn free surface before wave reflection

2.3 X射線診斷的Sn樣品微層裂物理圖像

X射線診斷的Sn樣品典型灰度圖像，如圖6所示。由圖6可見，受載金屬Sn樣品在自由面反射稀疏波和加載沖擊波之后跟卸載稀疏波的雙向拉伸作用下，加之Sn樣品本身處于熔化狀態，導致自由表面附近一定厚度區域發生了明顯熔化破碎（微層裂）現象，形成了大量微層裂顆粒群，且與初始樣品相比較密度明顯下降。

圖6 X射線診斷Sn樣品典型灰度圖像Fig.6 Radiographs of Sn sample by X－ray

借助圖6所示Sn樣品灰度圖像的標準對比，可以得到Sn樣品微層裂物質的面密度（等效厚度）空間分布，再利用受載Sn樣品軸對稱的基本特征，通過密度反演得微層裂物質的體密度（相對初始密度）空間分布。2個X射線照相時刻為13.2和22.5μs，Sn樣品面密度和體密度空間分布分別如圖7～8所示（Sn樣品初始軸心定義為橫坐標零點，初始自由面位置定義為縱坐標零點）。

由圖7～8可得，13.2μs時刻Sn樣品初始自由面（微層裂顆粒群前界面）縱向運動25.3mm，22.5μs時刻Sn樣品初始自由面縱向運動42.1mm。由運動時間除縱向運動距離，得Sn樣品初始自由面速度約1.9km／s，與自由面測速結果吻合。對比圖7～8發現，由于微層裂顆粒間存在明顯速度梯度，隨著時間演化推移，其空間密度分布較初始樣品密度明顯下降，且呈現逐漸下降趨勢：13.2μs時刻微層裂顆粒群空間體密度基本小于初始密度的25%，22.5μs時刻微層裂顆粒群空間體密度基本小于初始密度的20%。另外，細致分析圖圖7～8還發現，除自由表層類似存在一較高密度微層裂層外，整個微層裂顆粒群密度空間分布呈現從自由面向內依次增加的趨勢。總體來看，圖7～8給出了微層裂顆粒群的清晰物理圖像，其對于認識微層裂物理特征、理解微層裂物理機制均有重要價值。

圖7 13.2μs時刻Sn樣品空間分布圖像Fig.7 Spatial distribution image of Sn sample at 13.2μs

圖8 22.5μs時刻Sn樣品空間分布圖像Fig.8 Spatial distribution image of Sn sample at 22.5μs

2.4 改進Asay窗診斷的微層裂信息

改進Asay窗診斷給出的LiF窗口界面速度見圖9，由Asay窗數據處理方法給出典型時刻（22.5μs）微層裂物質密度空間分布見圖10。分析圖10可以發現，Sn樣品自由表層確實存在1層密度相對較高微層裂層（約為初始密度17%），緊鄰該高密度層區域的微層裂顆粒群空間密度呈現低谷（約為初始密度9%），然后隨著距離自由表面距離的增大，微層裂顆粒群的空間密度呈現逐漸增大的趨勢。對比圖10和圖8得，改進Asay窗診斷給出微層裂顆粒群密度空間分布數據、分布趨勢與中能X射線診斷結果半定量吻合（兩者空間密度最大差異約30%）。對于自由表層存在1層密度相對較高微層裂層的現象，根據文獻［10］分子動力學模擬分析結果，初步認為其與自由表層經歷特殊力學過程相關（高溫高壓持續時間相對樣品內部區域明顯偏短），具體物理機制將在后續研究中澄清。

圖9 Asay窗診斷LiF窗口界面速度Fig.9 Interface velocity of LiF detected by Asay－window

圖10 Asay窗診斷的密度空間分布Fig.10 Density－distance distribution detected by Asay－window

3 結 論

（1）通過在LiF窗口撞擊鍍膜面增加一薄層LiF和對LiF窗口反光面進行漫反射面鍍膜處理的方法，對Asay窗技術進行了改進優化，大幅提高了Asay窗技術在微層裂診斷方面的信噪比和測試精度，并建立了數據處理方法。

（2）通過中能X射線照相、Asay窗和DPS測速聯合診斷技術，準確給出爆轟加載下金屬Sn樣品微層裂的清晰物理圖像：在稀疏波拉伸作用下，自由表面附近一定厚度區域物質破碎成密度明顯低于初始密度的微層裂顆粒群，且不同顆粒間存在明顯速度梯度；微層裂顆粒群除前界面存在1層較高密度層外，其整體密度空間分布呈現從自由表面向內依次增加的趨勢。

［1］Andriot P，Chapron P，Lambert V，et al.Influence of melting on shocked free surface behavior using Doppler laser interferometry and X ray densitometry［C］∥AIP Conference Proceedings，Shock Waves in Condensed Matter.1983：277－280.

［2］Holtkamp D B，Clark D A，Crain M D，et al.Development of a non－radiographic spall and damage diagnostic［C］∥AIP Conference Proceedings，Shock Compression of Condensed Matter.2003：473－476.

［3］Holtkamp D B，Clark D A，Ferm E N，et al.A survey of high explosive－induced damage and spall in selected metals using proton radiography［C］∥AIP Conference Proceedings，Shock Compression of Condensed Matter.2003：477－482.

［4］Rességuier T D，Signor L，Dragon A，et al.Experimental investigation of liquid spall in laser shock－loaded tin［J］.Journal of Applied Physics，2007，101：013506.

［5］Signor L，Roy G，Chanal P Y，et al.Debris cloud ejection from shock－loaded tin melted on release or on compressio［C］∥AIP Conference Proceedings，Shock Compression of Condensed Matter.2009：1065－1068.

［6］陳永濤，胡海波，湯鐵鋼.強沖擊加載下鉛樣品表面微層裂現象診［J］.中國科學，2012，42（10）：987－995.Chen Yongtao，Hu Haibo，Tang Tiegang.Experimental diagnostic of micro－spall fragments on Pb surface under intense shock［J］.Scientia Sinica Physica，2012，42（10）：987－995.

［7］陳永濤，任國武，湯鐵鋼，等.爆轟加載下金屬樣品的熔化破碎現象診斷［J］.物理學報，2013，62（11）：116－202.Chen Yongtao，Ren Guowu，Tang Tiegang，et al.Experimental diagnostic of melting fragments under explosive loading［J］.Acta Physica Sinica，2013，62（11）：116－202.

［8］Shao Jianli，Wang Pei，He Anmin.Molecular dynamics study on the failure modes of aluminium under decaying shock loading［J］.Journal of Applied Physics，2013，113（16）：163507－6.

［9］Xiang Meizhen，Hu Haibo，Chen Jun.Molecular dynamics studies of thermal dissipation during shock induced spalling［J］.Journal of Applied Physics，2013，114（12）：123509－8.

［10］Xiang Meizhen，Hu Haibo，Chen Jun.Molecular dynamics simulations of micro－spallation of single crystal lead［J］.Modelling ＆Simulation in Materials Science ＆Engineering，2013，21（5）：1097－1103.

Micro－spalling of metal under explosive loading

Chen Yongtao，Hong Renkai，Chen Haoyu，Hu Haibo，Tang Tiegang
（Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621999，Sichuan，China）

Spallation process of melted metal on release or shock attracts considerable attention for basic weapon physics studies and engineering applications.In the present study，numerous cavitations within the shocked metal were initiated to induce the liquid fragments，defined as the micro－spall，revealing discrete and quasi－continuous spatial distributions，validated by proton radiography experiments.Here we improved the traditional Asay－window technique by attaching a thin LiF layer on the impacted plate of the LiF window and contriving a diffuse reflection interface.With these two optimized design，we successfully detected high－quality signals of micro－spalling fragments.Combining the medium－energy X－ray with the DPS diagnostic technique，we obtained clear volume－density distributions and evolution character for micro－spalling productions of melting Sn at different moments.We found the semiquantitative findings among the two tools are in good agreement.These clear images provide convinced experimental evidences for understanding the mechanism of the micro－spalling phenomenon and also offer useful data for theoretical modeling.

solid mechanics；micro－spalling；X－ray，Asay－window；DPS technique；LiF

O346.1國標學科代碼：13015

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0061－07

（責任編輯 王易難）

2015－06－29；

2015－10－08

國家自然科學基金項目（11472254，11272006）；中國工程物理研究院發展基金項目（2013A0201009，2014B0201018）；沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室基金項目（9140C670301130C67238）

陳永濤（1980— ），男，碩士，副研究員；通信作者：洪仁楷，13404005190＠163.com。