陳永濤，洪仁楷，陳浩玉，胡海波，湯鐵鋼

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽(yáng)621999）

爆轟加載下金屬材料的微層裂現(xiàn)象＊

陳永濤，洪仁楷，陳浩玉，胡海波，湯鐵鋼

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽(yáng)621999）

通過(guò)在LiF窗口撞擊鍍膜面增加一薄層LiF和對(duì)LiF窗口反光面進(jìn)行漫反射面鍍膜處理的方法，對(duì)傳統(tǒng)Asay窗診斷技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了微層裂物質(zhì)高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)信號(hào)。將改進(jìn)后Asay窗技術(shù)與中能X射線照相及激光干涉測(cè)速技術(shù)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)給出了熔化狀態(tài)下Sn材料微層裂物質(zhì)不同時(shí)刻的密度空間分布圖像及演化特征，且不同測(cè)試技術(shù)診斷結(jié)果半定量吻合。得到Sn材料微層裂物質(zhì)的清晰物理圖像，可為微層裂物理機(jī)理的認(rèn)識(shí)和物理建模提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

固體力學(xué)；微層裂；X射線照相；Asay窗；DPS測(cè)速；LiF

自有學(xué)者在1914年利用硝化棉炸藥驅(qū)動(dòng)軟鋼板的爆轟實(shí)驗(yàn)中，在鋼板的背面觀察到高速飛出的層裂片后，層裂破壞現(xiàn)象的研究已持續(xù)了近一個(gè)世紀(jì)。到目前為止，對(duì)于加載后樣品保持固態(tài)的層裂損傷破壞現(xiàn)象的研究相對(duì)比較清楚。不過(guò)，對(duì)于較高的沖擊加載壓力，受載金屬樣品處于熔化狀態(tài)時(shí)，金屬樣品的層裂損傷破壞現(xiàn)象和形成機(jī)制變得相對(duì)復(fù)雜，即隨著樣品質(zhì)點(diǎn)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(zhǎng)大，最終金屬樣品呈現(xiàn)離散破碎狀態(tài)的“微層裂”現(xiàn)象。微層裂現(xiàn)象最早由P.Andriot等于1983年發(fā)現(xiàn)［1］，近年來(lái)基于武器物理的研究需求，該問(wèn)題得到持續(xù)深入關(guān)注。典型研究進(jìn)展主要有：D.B.Holtkamp等［2－3］利用質(zhì)子照相和Asay窗診斷測(cè)試技術(shù)進(jìn)行的Pb、Sn材料微層裂問(wèn)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(kāi)展的Sn材料的微層裂問(wèn)題研究；陳永濤等［6－7］實(shí)驗(yàn)研究給出的Pb材料的微層裂數(shù)據(jù)和Shao Jianli等［8］、Xiang Meizhen等［9－10］采用分子動(dòng)力學(xué)模擬給出的一些定性認(rèn)識(shí)。不過(guò)必須指出，雖然目前發(fā)展了高能質(zhì)子照相、Asay窗等診斷技術(shù)，但由于質(zhì)子照相研究成本極高，傳統(tǒng)Asay窗診斷信號(hào)信噪比又偏低，而且分子動(dòng)力學(xué)模擬尺度又太?。ú荒芡耆从澄恿训暮暧^信息和物理機(jī)制），嚴(yán)重制約了微層裂問(wèn)題的研究進(jìn)展，導(dǎo)致目前對(duì)于微層裂的研究尚處于起步階段。因此，如何改進(jìn)發(fā)展相應(yīng)的診斷技術(shù)，較準(zhǔn)確診斷金屬樣品的微層裂現(xiàn)象，探討微層裂形成的關(guān)鍵物理機(jī)制是目前亟待解決的問(wèn)題。

本文中擬對(duì)Asay窗技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，獲得爆轟加載下金屬樣品微層裂的高質(zhì)量診斷信號(hào)，結(jié)合中能X射線照相及DPS（Doppler pin system）測(cè)速技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)上診斷給出金屬樣品微層裂物質(zhì)的質(zhì)量、密度及其分布等信息，獲取微層裂現(xiàn)象更加豐富的實(shí)驗(yàn)物理信息，加深對(duì)該物理現(xiàn)象特征及物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，以期為相關(guān)物理建模提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試技術(shù)

實(shí)驗(yàn)加載方式選用爆轟加載，實(shí)驗(yàn)與診斷裝置如圖1所示。具體結(jié)構(gòu)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(cè)速、Sn／LiF界面測(cè)速和改進(jìn)Asay窗4種。其中，中能X射線照相主要用于獲得特定時(shí)刻金屬Sn樣品微層裂物質(zhì)的空間密度分布特征，同時(shí)，針對(duì)中能X射線散射對(duì)圖像質(zhì)量的影響問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了中能X射線準(zhǔn)直體，有效消除了散射，使圖像質(zhì)量大幅提高。DPS自由面測(cè)速主要用于給出沖擊波到達(dá)Sn樣品自由面的時(shí)間（定義為所有測(cè)試技術(shù)的零時(shí)）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(zhì)。Sn／LiF窗口界面速度測(cè)量用于給出Sn樣品內(nèi)壓力，判斷Sn樣品所處狀態(tài)。改進(jìn)Asay窗技術(shù)主要通過(guò)測(cè)量LiF窗口鍍膜界面速度，推測(cè)金屬樣品微層裂物質(zhì)的質(zhì)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(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及診斷技術(shù)布局示意圖Fig.1 Schematics of experimental setup and diagnostic geometry

D.B.Holtkamp等［3］研制的傳統(tǒng)Asay窗如圖2（a）所示，其最初主要用于診斷傳統(tǒng)固體多次層裂現(xiàn)象，后續(xù)逐漸開(kāi)始嘗試?yán)肁say窗診斷微層裂問(wèn)題，但由于高壓加載下金屬樣品表面大量噴射物質(zhì)的存在，激光干涉測(cè)速系統(tǒng)無(wú)法有效回光，導(dǎo)致其不能獲得高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)信號(hào)。針對(duì)傳統(tǒng)Asay窗技術(shù)的不足，L.Signor等［5］進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，如見(jiàn)圖2（b）所示，即在LiF窗口被撞擊面用極少量環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼了一層鋁膜，以提高激光干涉測(cè)速系統(tǒng)的回光效率。不過(guò)，由于粘貼鋁膜相對(duì)較厚（最大達(dá)500μm），且與LiF窗口阻抗不匹配，導(dǎo)致應(yīng)力波在鋁膜內(nèi)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(cè)試精度。

圖2 Asay窗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Asay－window diagnostic technology

基于上述研究存在的不足，本文中對(duì)Asay窗進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，如圖1（b）所示：首先針對(duì)LiF窗口回光效率不足問(wèn)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(cè)試激光實(shí)現(xiàn)漫反射，大大提高反射回光效率；然后針對(duì)噴射及微層裂顆粒對(duì)鍍膜反射面的破壞，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中DPS測(cè)試激光回光效率大幅下降問(wèn)題，本文中通過(guò)用極少量環(huán)氧樹(shù)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(shí)驗(yàn)診斷信號(hào)質(zhì)量。更為關(guān)鍵的是，采用的反射保護(hù)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(yīng)力波在測(cè)試界面的反射問(wèn)題，而且由于采用的薄層LiF在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)處于彈性范圍，其還有效避免了圖2（b）中鋁膜塑性變形問(wèn)題?？傮w來(lái)看，相比原來(lái)Asay窗技術(shù)，本文中設(shè)計(jì)改進(jìn)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(jì)算微層裂物質(zhì)的密度速度分布時(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)，樣品表面附近微層裂顆粒近似瞬時(shí)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(guò)程中沒(méi)有飛濺；（3）在有效測(cè)量時(shí)間內(nèi)應(yīng)力波尚沒(méi)有在LiF窗口自由面反射；（4）在微層裂顆粒與LiF窗口撞擊過(guò)程中，LiF窗口始終保持透明并沒(méi)有發(fā)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(shù)據(jù)處理過(guò)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，任意時(shí)刻達(dá)到LiF窗口單位面積微層裂顆粒質(zhì)量的增量為：

式中：p（t）為微層裂顆粒撞擊LiF窗口的應(yīng)力，uw為DPS測(cè)量給出的鍍膜窗口界面速度（經(jīng)折射率修正處理），ue為微層裂顆粒運(yùn)動(dòng)速度。

式（1）中微層裂顆粒撞擊LiF窗口產(chǎn)生的應(yīng)力p（t）、微層裂顆粒運(yùn)動(dòng)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(shù)λ＝1.358；d0為Sn樣品距LiF窗口撞擊面的初始距離，時(shí)間t為DPS記錄的微層裂顆粒撞擊LiF窗口的時(shí)刻（經(jīng)薄層LiF窗口引入時(shí)間差的修正處理）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 DPS測(cè)量的Sn樣品自由面速度

DPS測(cè)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(fā)現(xiàn)，DPS測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)一定寬度“彌散速度帶”特征。依據(jù)DPS測(cè)量原理，可以判定DPS測(cè)量結(jié)果應(yīng)為大量細(xì)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(yīng)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(guān)系及參數(shù)計(jì)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(tài)。

圖3 DPS測(cè)量Sn樣品自由面速度Fig.3 Free surface velocity of Sn detected by DPS

2.2 DPS測(cè)量的Sn／LiF界面速度

DPS記錄Sn／LiF界面速度剖面見(jiàn)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(jù)阻抗匹配法將Sn／LiF界面速度測(cè)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(jìn)而判斷Sn樣品所處應(yīng)力狀態(tài)。具體可通過(guò)下式完成換算：

圖4 DPS測(cè)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(nèi)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(tài)一致），（ρ0D）s為Sn樣品沖擊阻抗。其中σw＝為L(zhǎng)iF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(jiàn)圖5。由圖5可以看出，受載Sn樣品經(jīng)歷最高壓力接近26.5GPa，與圖3所示自由面測(cè)量數(shù)據(jù)給出結(jié)果吻合，遠(yuǎn)大于其卸載熔化壓力，再次證明受載Sn樣品處于熔化狀態(tài)。

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(jiàn)，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(tài)，導(dǎo)致自由表面附近一定厚度區(qū)域發(fā)生了明顯熔化破碎（微層裂）現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，可以得到Sn樣品微層裂物質(zhì)的面密度（等效厚度）空間分布，再利用受載Sn樣品軸對(duì)稱(chēng)的基本特征，通過(guò)密度反演得微層裂物質(zhì)的體密度（相對(duì)初始密度）空間分布。2個(gè)X射線照相時(shí)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(biāo)零點(diǎn)，初始自由面位置定義為縱坐標(biāo)零點(diǎn)）。

由圖7～8可得，13.2μs時(shí)刻Sn樣品初始自由面（微層裂顆粒群前界面）縱向運(yùn)動(dòng)25.3mm，22.5μs時(shí)刻Sn樣品初始自由面縱向運(yùn)動(dòng)42.1mm。由運(yùn)動(dòng)時(shí)間除縱向運(yùn)動(dòng)距離，得Sn樣品初始自由面速度約1.9km／s，與自由面測(cè)速結(jié)果吻合。對(duì)比圖7～8發(fā)現(xiàn)，由于微層裂顆粒間存在明顯速度梯度，隨著時(shí)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(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)：13.2μs時(shí)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(shí)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(xì)致分析圖圖7～8還發(fā)現(xiàn)，除自由表層類(lèi)似存在一較高密度微層裂層外，整個(gè)微層裂顆粒群密度空間分布呈現(xiàn)從自由面向內(nèi)依次增加的趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，圖7～8給出了微層裂顆粒群的清晰物理圖像，其對(duì)于認(rèn)識(shí)微層裂物理特征、理解微層裂物理機(jī)制均有重要價(jià)值。

圖7 13.2μs時(shí)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(shí)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(jìn)Asay窗診斷的微層裂信息

改進(jìn)Asay窗診斷給出的LiF窗口界面速度見(jiàn)圖9，由Asay窗數(shù)據(jù)處理方法給出典型時(shí)刻（22.5μs）微層裂物質(zhì)密度空間分布見(jiàn)圖10。分析圖10可以發(fā)現(xiàn)，Sn樣品自由表層確實(shí)存在1層密度相對(duì)較高微層裂層（約為初始密度17%），緊鄰該高密度層區(qū)域的微層裂顆粒群空間密度呈現(xiàn)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(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。對(duì)比圖10和圖8得，改進(jìn)Asay窗診斷給出微層裂顆粒群密度空間分布數(shù)據(jù)、分布趨勢(shì)與中能X射線診斷結(jié)果半定量吻合（兩者空間密度最大差異約30%）。對(duì)于自由表層存在1層密度相對(duì)較高微層裂層的現(xiàn)象，根據(jù)文獻(xiàn)［10］分子動(dòng)力學(xué)模擬分析結(jié)果，初步認(rèn)為其與自由表層經(jīng)歷特殊力學(xué)過(guò)程相關(guān)（高溫高壓持續(xù)時(shí)間相對(duì)樣品內(nèi)部區(qū)域明顯偏短），具體物理機(jī)制將在后續(xù)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(jié) 論

（1）通過(guò)在LiF窗口撞擊鍍膜面增加一薄層LiF和對(duì)LiF窗口反光面進(jìn)行漫反射面鍍膜處理的方法，對(duì)Asay窗技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，大幅提高了Asay窗技術(shù)在微層裂診斷方面的信噪比和測(cè)試精度，并建立了數(shù)據(jù)處理方法。

（2）通過(guò)中能X射線照相、Asay窗和DPS測(cè)速聯(lián)合診斷技術(shù)，準(zhǔn)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(qū)域物質(zhì)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(xiàn)從自由表面向內(nèi)依次增加的趨勢(shì)。

［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，F(xiàn)erm 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(qiáng)沖擊加載下鉛樣品表面微層裂現(xiàn)象診［J］.中國(guó)科學(xué)，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(guó)武，湯鐵鋼，等.爆轟加載下金屬樣品的熔化破碎現(xiàn)象診斷［J］.物理學(xué)報(bào)，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(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13015

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0061－07

（責(zé)任編輯 王易難）

2015－06－29；

2015－10－08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11472254，11272006）；中國(guó)工程物理研究院發(fā)展基金項(xiàng)目（2013A0201009，2014B0201018）；沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C670301130C67238）

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