陳永濤 任國(guó)武 湯鐵鋼 胡海波

(中國(guó)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(jìn)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(duì)于層裂破壞現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和科學(xué)研究已持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間.經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的研究，對(duì)于沖擊加載后金屬樣品保持固體狀態(tài)的層裂損傷破壞現(xiàn)象目前認(rèn)識(shí)相對(duì)比較清楚[1,2].而當(dāng)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(tài)時(shí)，金屬樣品的層裂損傷破壞現(xiàn)象和形成物理機(jī)理將變得極其復(fù)雜，即隨著材料質(zhì)點(diǎn)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(zhǎng)大，最終受載金屬樣品可能呈現(xiàn)表觀準(zhǔn)連續(xù)實(shí)則為離散破碎狀態(tài)的“膨脹變厚”現(xiàn)象(典型圖像見圖1所示部分熔化狀態(tài)下Sn樣品的熔化破碎現(xiàn)象[3]).該現(xiàn)象與固態(tài)層裂極典型的微空洞在特定位置層上的成核、增長(zhǎng)、匯聚并最終形成斷裂面而其余部分保持完好固體狀態(tài)的特征圖像存在明顯差異.

對(duì)于與熔化(或部分熔化)相關(guān)破碎現(xiàn)象最早由Andriot等于1983年發(fā)現(xiàn)[4]，近年來針對(duì)武器物理的研究需求，該問題不斷得到關(guān)注.相關(guān)研究進(jìn)展主要有Holtkamp等采用質(zhì)子照相和Asay窗診斷測(cè)試技術(shù)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(shù)開展的Sn材料的熔化破碎現(xiàn)象研究[6-8].不過必須指出，由于熔化狀態(tài)下金屬樣品破碎顆粒質(zhì)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(zhì)噴射，給實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確診斷其現(xiàn)象特征帶來很大困難.雖然，目前國(guó)外發(fā)展了高能質(zhì)子照相[3]、Asay窗[5]等診斷技術(shù)，但由于利用質(zhì)子照相開展研究成本極高，且目前只有美國(guó)等極少數(shù)西方國(guó)家擁有該技術(shù)(中國(guó)目前不掌握質(zhì)子照相技術(shù))，嚴(yán)重影響了熔化破碎現(xiàn)象的研究進(jìn)展;另外，由于金屬樣品表面微物質(zhì)噴射的存在[9-18]，導(dǎo)致Asay窗測(cè)量信號(hào)較差，且缺乏測(cè)量信號(hào)的解讀方法，目前該研究仍處于探索階段.因此，如何改進(jìn)發(fā)展相應(yīng)的診斷技術(shù)，較準(zhǔn)確診斷強(qiáng)沖擊加載狀態(tài)下金屬樣品的熔化破碎現(xiàn)象是目前亟待解決的問題.

本文擬對(duì)傳統(tǒng)Asay窗技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)完善，避免金屬樣品表面微噴對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響，獲得爆轟加載金屬樣品熔化破碎現(xiàn)象的高質(zhì)量診斷信號(hào)，制定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解讀方法，從實(shí)驗(yàn)上診斷熔化(或部分熔化)狀態(tài)下金屬樣品破碎物質(zhì)的質(zhì)量、密度及其分布等信息，彌補(bǔ)目前該研究主要依靠質(zhì)子照相技術(shù)的不足，加深對(duì)該物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí).

圖1 部分熔化狀態(tài)下Sn樣品的熔化破碎圖像

2 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試技術(shù)

實(shí)驗(yàn)加載方式選用平面爆轟加載，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及診斷技術(shù)見示意圖2.具體結(jié)構(gòu)為：Φ100 mm平面波發(fā)生器+Φ100mm×20 mm HE(high explosive高能炸藥)+Φ100mm×2mm Pb.Pb樣品經(jīng)車削加工后，表面經(jīng)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(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的Asay-F窗技術(shù)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(dá)Pb樣品自由面的時(shí)間，近似代表Pb樣品表面熔化破碎物質(zhì)的形成時(shí)刻(文中將其定義為所有測(cè)試技術(shù)的零時(shí));改進(jìn)設(shè)計(jì)發(fā)展的Asay-F窗技術(shù)主要用于診斷金屬樣品熔化破碎物質(zhì)的質(zhì)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(cè)量原理及數(shù)據(jù)處理方法如下.同時(shí)，為減少空氣對(duì)微噴射和熔化破碎顆粒的影響，實(shí)驗(yàn)裝置加載部分和測(cè)試探頭放置于真空度約500 Pa的爆炸容器內(nèi).

本文在傳統(tǒng)Asay窗(圖3(a)，激光測(cè)速系統(tǒng)選用Velocity Interferometry System for Any Re flector(VISAR))基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)發(fā)展的Asay-F窗基本結(jié)構(gòu)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(cè)試時(shí)間內(nèi)測(cè)試結(jié)果沒有受到窗口邊側(cè)稀疏影響)與熔化破碎顆粒的撞擊端面用極少量環(huán)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(cè)速系統(tǒng)(文中選用DPS，測(cè)試技術(shù)激光焦版直徑0.4 mm)正常回光，獲得高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)信號(hào)，進(jìn)而利用激光干涉測(cè)速系統(tǒng)記錄的窗口－熔化破碎顆粒間的界面速度推測(cè)熔化破碎物質(zhì)的質(zhì)量、密度和速度等信息.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置及診斷技術(shù)布局示意圖

圖3 診斷技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖 (a)Asay窗;(b)Asay-F窗

利用Asay-F窗記錄的界面速度計(jì)算熔化破碎物質(zhì)的質(zhì)量－速度分布時(shí)，用到幾點(diǎn)基本假設(shè)：1)對(duì)于處于熔化狀態(tài)金屬樣品，當(dāng)沖擊波在自由面反射時(shí)，樣品表面層熔化破碎顆粒瞬時(shí)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(cè)量時(shí)間內(nèi)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(fā)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(shù)據(jù)處理過程中忽略鋁膜的影響.

在上述假設(shè)下，根據(jù)質(zhì)量和動(dòng)量守恒條件，任意時(shí)刻達(dá)到覆膜窗口單位面積熔化破碎顆粒質(zhì)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(yīng)力，uw為DPS給出的覆膜窗口界面速度(經(jīng)折射率修正處理)，ue為熔化破碎顆粒運(yùn)動(dòng)速度，其具體數(shù)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(shí)刻形成破碎顆粒速度，由其到達(dá)覆膜窗口的時(shí)間除覆膜窗口到樣品自由面距離d0得到;2)根據(jù)Asay-F窗診斷技術(shù)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(nèi)部某一位置破碎顆粒撞擊到LiF窗口時(shí)，LiF窗口撞擊端面已被其前面破碎顆粒物質(zhì)覆蓋，而覆蓋層破碎顆粒物質(zhì)的厚度及狀態(tài)方程參數(shù)均不清楚(無法計(jì)算給出覆蓋層物質(zhì)的沖擊波速度)，導(dǎo)致無法從DPS記錄到的LiF窗口界面速度響應(yīng)時(shí)間推斷給出該破碎顆粒撞擊LiF窗口測(cè)試界面的準(zhǔn)確時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致無法采用第1)條中速度計(jì)算方法給出樣品內(nèi)部熔化破碎顆粒物質(zhì)的速度.鑒于此，對(duì)于樣品內(nèi)部熔化破碎顆粒物質(zhì)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(duì)比較近似給出，具體方法和數(shù)據(jù)將在第3節(jié)中給出.

(1)式中噴射顆粒撞擊覆膜窗口產(chǎn)生的應(yīng)力P(t)為

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)重要時(shí)間特征量：1)界面速度啟動(dòng)時(shí)刻t1，即樣品表面快速微噴射粒子撞擊覆膜窗口的時(shí)刻;2)界面速度第一次快速上升時(shí)刻t2，即樣品表面層熔化破碎顆粒撞擊LiF窗口時(shí)刻;3)界面速度第二次快速上升時(shí)刻t3，即樣品密實(shí)基體撞擊LiF窗口時(shí)刻或Asay-F窗失效時(shí)刻.

對(duì)于本文高能炸藥(HE)加載Pb樣品的實(shí)驗(yàn)，由于Pb樣品可能處于熔化或部分熔化狀態(tài)，樣品抗拉強(qiáng)度極低，熔化破碎顆粒的形成需要時(shí)間和能量較小，因此，可以認(rèn)為沖擊波在樣品自由面反射時(shí)刻表面層熔化破碎顆粒將瞬間形成，此時(shí)，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(shí)刻金屬樣品的實(shí)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(shí)間t2，即Pb樣品表面層熔化破碎顆粒撞擊LiF窗口時(shí)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(jìn)而得沖擊波在樣品表面反射時(shí)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(guān)系及參數(shù)計(jì)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(shí)處于卸載熔化或部分卸載熔化狀態(tài)，證明上述分析正確可靠.另外，對(duì)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(dǎo)致樣品內(nèi)部壓力將略大于自由表面附近壓力，因此當(dāng)樣品自由表面附近處于卸載熔化狀態(tài)時(shí)，樣品內(nèi)部也將最終處于卸載熔化狀態(tài)，即本文研究的Pb樣品整體處于卸載熔化或部分熔化狀態(tài)，在稀疏波的拉伸作用下將發(fā)生熔化破碎現(xiàn)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(gè)和第二個(gè)時(shí)間特征量(t1—t2)之間信號(hào)對(duì)應(yīng)Pb樣品表面微噴射物質(zhì)，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(shí)刻樣品自由面速度，總體來看，該部分物質(zhì)主要由樣品表面幾何缺陷引發(fā)，形成物理機(jī)理和現(xiàn)象特征相對(duì)比較清楚，本文不做詳細(xì)討論;第二個(gè)和第三個(gè)時(shí)間特征量(t2—t3)之間信號(hào)對(duì)應(yīng)樣品表面附近一定厚度區(qū)域內(nèi)熔化破碎物質(zhì)，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(shí)刻樣品自由面速度，該部分物質(zhì)主要由處于熔化或半熔化狀態(tài)的金屬樣品在稀疏波的拉伸作用下形成，形成機(jī)理類似固體層裂但又不同于固體層裂，該部分物質(zhì)特性是本文研究關(guān)注重點(diǎn).另外，比較圖4中5 mm，10 mm和15 mm三個(gè)不同測(cè)試空腔處Asay-F窗診斷界面速度剖面發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)試空腔增大，t1—t2的時(shí)間間隔，即樣品表面快速微噴物質(zhì)和表面層熔化破碎顆粒撞擊LiF窗口的時(shí)間間隔不斷增大(5 mm測(cè)試空腔處約0.67μs，10 mm測(cè)試空腔處約0.95μs，15 mm測(cè)試空腔處約1.23μs)，說明樣品表面微噴物質(zhì)間存在明顯速度梯度，隨著測(cè)試空腔距離增大，微噴物質(zhì)顆粒在空間尺度內(nèi)不斷分散展寬;而3個(gè)不同測(cè)試空腔下t2—t3的時(shí)間間隔，即樣品表面層熔化破碎顆粒和樣品密實(shí)基體撞擊LiF窗口的時(shí)間間隔近似相等(約1.5μs)，表明樣品內(nèi)部熔化破碎顆粒物質(zhì)速度與表面層破碎物質(zhì)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(nèi)部熔化破碎物質(zhì)速度，將會(huì)呈現(xiàn)與樣品表面微噴物質(zhì)空間分散演化類似的特征信號(hào)，即隨著破碎顆粒物質(zhì)在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(shí)基體撞擊LiF窗口的時(shí)間間隔(t2—t3)將大于小空腔處診斷結(jié)果).不過，在此必須指出，對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果中呈現(xiàn)的樣品表面附近一定厚度區(qū)域內(nèi)熔化破碎顆粒物質(zhì)速度近似相等的現(xiàn)象與本實(shí)驗(yàn)特定的加載狀態(tài)(驅(qū)動(dòng)炸藥層較厚，約20 mm，加載波后跟稀疏波強(qiáng)度較小)有關(guān)，當(dāng)加載炸藥厚度較薄，加載波后跟稀疏波強(qiáng)度較大時(shí)情況可能會(huì)明顯不同.

另外，利用第2節(jié)給出的Asay-F窗的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)圖4所示界面速度進(jìn)行處理得單位面積熔化破碎物質(zhì)累積質(zhì)量-時(shí)間(ms/A-t)關(guān)系見圖5.分析圖5所示熔化破碎顆粒累積質(zhì)量-時(shí)間關(guān)系發(fā)現(xiàn)，利用本文發(fā)展的Asay-F窗技術(shù)初步實(shí)現(xiàn)了爆轟加載下金屬樣品表面附近一定厚度區(qū)域內(nèi)熔化破碎顆粒物質(zhì)的診斷，如5 mm，10 mm和15 mm三個(gè)測(cè)試界面出診斷給出熔化破碎顆粒質(zhì)量分別為 1386 mg/cm2，1145 mg/cm2和 895 mg/cm2，最大質(zhì)量相差約35%.從嚴(yán)格理論判斷，由于三個(gè)測(cè)試界面處Asay-F窗診斷物質(zhì)幾乎為同一物質(zhì)，診斷結(jié)果應(yīng)近似相等，不應(yīng)出現(xiàn)結(jié)果中呈現(xiàn)的35%的差異.對(duì)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(xiàn)象復(fù)雜，診斷難度極大，導(dǎo)致Asay-F窗技術(shù)診斷精度受限，這也正是目前散碎顆粒診斷共同的難點(diǎn)，如用于診斷金屬樣品表面微噴射且技術(shù)相對(duì)成熟的Asay膜的測(cè)量不確定度就高達(dá)50%;2)上述理論判斷和Asay-F窗數(shù)據(jù)處理中均假定熔化破碎物質(zhì)在空間橫向分布均勻，該假定具有一定近似性，不同測(cè)點(diǎn)處診斷結(jié)果必然會(huì)存在一定分散性;3)隨著熔化破碎顆粒在測(cè)試空腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)演化，顆粒尺度和空間分布特征將會(huì)發(fā)生改變，也將導(dǎo)致不同測(cè)試空腔診斷結(jié)果存在差異.總體來看，Asay-F窗技術(shù)具備初步診斷金屬樣品熔化破碎顆粒物質(zhì)的能力，但仍有改進(jìn)提高空間.

圖5 熔化破碎顆粒累計(jì)質(zhì)量-時(shí)間(ms/A-t)關(guān)系

同樣，利用第2節(jié)給出的Asay-F窗的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)圖4所示界面速度進(jìn)行處理得熔化破碎顆粒動(dòng)態(tài)體密度ρs(ρs/ρ0)-時(shí)間t關(guān)系見圖6(ρ0=11.3 g/cm3為Pb材料初始密度).進(jìn)而利用文獻(xiàn)[14]中給出的將熔化破碎顆粒物質(zhì)的動(dòng)態(tài)體密度轉(zhuǎn)化為固定時(shí)刻密度空間分布圖像的方法，由圖6所示的動(dòng)態(tài)體密度-時(shí)間關(guān)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(cè)試界面處診斷探頭時(shí)刻熔化破碎顆粒物質(zhì)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(dòng)態(tài)相對(duì)體密度-時(shí)間(ρs/ρ0-t)和熔化破碎顆粒動(dòng)態(tài)相對(duì)密度-空間(ρs/ρ0-d)的關(guān)系得，由于熔化破碎顆粒速度接近，5 mm，10 mm和15 mm三個(gè)不同測(cè)試空腔下，熔化破碎顆?？臻g分散展寬不明顯，空間分布均約為3.0 mm，相對(duì)密度約分布在0.2—0.8區(qū)間(絕對(duì)體密度大約分布在2.0 g/cm3—8.0 g/cm3區(qū)間)，且熔化破碎顆粒之間存在明顯分層特征，該結(jié)果與圖1所示質(zhì)子照相診斷給出熔化Sn破碎圖像類似.另外，細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)，圖6和圖7所示的熔化破碎顆粒的分層現(xiàn)象，與固體層裂中多次層裂現(xiàn)象有一定相似性，定性說明熔化破碎顆粒形成物理機(jī)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(nèi)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(shí)層裂片.

圖6 熔化破碎顆粒相對(duì)密度-時(shí)間(ρs/ρ0-t)關(guān)系

圖7 熔化破碎顆粒相對(duì)密度-距離(ρs/ρ0-d)關(guān)系

總體來看，利用發(fā)展的Asay-F窗技術(shù)，本文比較準(zhǔn)確給出了高密度熔化破碎顆粒的質(zhì)量、密度分布信息，且診斷結(jié)果與圖1所示質(zhì)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(jié)果準(zhǔn)確可靠，為武器和相關(guān)科學(xué)研究關(guān)心的材料熔化狀態(tài)下破碎問題的物理建模、機(jī)理認(rèn)識(shí)提供了重要的實(shí)驗(yàn)信息.研究結(jié)果也說明本文發(fā)展的Asay-F窗確實(shí)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(bǔ)國(guó)內(nèi)缺乏質(zhì)子照相該熔化破碎顆粒物質(zhì)診斷技術(shù)的不足，至少可以作為一種有效的補(bǔ)充手段.

4 結(jié)論

1.在Asay窗診斷技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種適用于熔化狀態(tài)下金屬樣品表面附近及一定厚度區(qū)域內(nèi)熔化破碎現(xiàn)象診斷的Asay-F窗技術(shù)，在一定程度上彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)缺乏質(zhì)子照相該熔化破碎顆粒物質(zhì)診斷技術(shù)的不足;

2.利用本文發(fā)展的Asay-F窗技術(shù)較準(zhǔn)確診斷給出了金屬Pb樣品表面附近及一定厚度區(qū)域內(nèi)熔化破碎物質(zhì)的質(zhì)量、密度及其速度空間分布信息，其空間體密度可達(dá)樣品初始密度的80%，質(zhì)量可達(dá)g/cm2，速度梯度分布強(qiáng)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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