《超高应变率准等熵加载和冲击加载下金属材料的强度》.pdf

第 3～4期 高 能 量 密 度 物 理 NO．3～4 2010年 12月 HIGH ENERGY DENSITY PHYSICS Dec．，2O10 超高应变率准等熵加载和冲击加载下 金属材料的强度 谭 华，俞宇颖 (中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室，~!IJJI绵阳 621900) 摘 要：本文中就单轴应变加载下金属材料的屈服强度 问题提 出了一些基本看 法，目的是 引起对这一问题 的兴趣和讨论。重点论述 了单轴应变加载下描写材料的 强度特性的2个本构方程的含义，提 出了判定发生弹一塑性屈服 下的屈服模量判据 ， 比较 了单轴应力加载、低应力一中、低应变率下固体材料 的力学状态与球面内爆等高 应力一超高应变率加载下的力学状态。指出：由于描写单轴应力和单轴应变下的力学 状态的本构关系存在根本差别，目前从单轴应力下的中、低应变率加载得到的本构关 系不能用于单轴应力一超高应变率加载的情况。 分析准等熵超高应变率加载的基本特性，指 出准等熵加载与等熵加载的本质差 别在于应变率，提 出了可以用 “应变率”表征准等熵加载过程的 “准”等熵程度 ，而应变 率是通过强度特性反映出来的。根据准等熵加载过程属于 “连续性”加载和冲击加载 过程属于 “跃变”加载的特 点，提 出了2个基本假设：在准等熵加载过程 中材料发生 弹一塑性屈服后其力学状态始终保持在屈服面上，但是在平面冲击波加载下固相 区的 Hugoniot状态不一定在屈服面上。由于上述 2种加栽方式的力学状态在屈服特性 上的差异 ，对测量准等熵压缩下和冲击加载下的屈服强度 的双屈服面法的基本原理 进行 了论述。阐述 了利用多台阶样品的 “界面粒子速度剖面”获得拉氏声速 的原理 ， 以及从界面粒子速度剖面和拉 氏声速复原 出原位粒子速度的方法。提 出并论述 了利 用准连续型阻抗梯度 飞片产生的 “冲击加载一准等熵再加载”和 “冲击加载一准等熵 卸载”测量 Hugoniot状态下的剪切模量和屈服强度方法，并与国外的 “双飞层”法进 行 了比较 。 关键词 ：单轴应变加载；单轴应力加载；准等熵加载；应变率；声速；本构关系 1 引 言 所谓单轴应变加载是指仅在应力波传播方向上发生应变的动态加载，是平面应力波作用下产 生的一种加载状态，包括平面冲击加载、平面准等熵加载及平面应力波在 自由面反射产生的准等熵 卸载等等 。平板碰撞法是产生单轴应变最常用的实验方法，其 中利用功能梯度材料(FGM，Func— tionalGradedMaterials)制作 的准连续型阻抗梯度飞片(FGI，FunctionalGradedImpactor)能够产 生连续光滑的准等熵压缩 、准等熵卸载及其它波形作复杂变化的单轴应变加载口；最近还发展 了磁 驱动口]、激光烧蚀等离子体驱动[3等方法产生超高应变率准等熵波。 在许多实际工程应用 中，材料的应力一应变状态更接近于单轴应变加载下的高应力一高应变率 状态。例如在柱面内爆或球面内爆加载中，材料经历的加载作用就十分复杂：除了冲击加载，还经 历准等熵压缩和准等熵卸载等过程。在高速和超高速碰撞研究中，例如高速弹丸穿靶实验 中，也涉 98 高 能 量 密 度 物 理 2010年 12月 及高应力一高应变率下弹和靶的强度问题 ；就这类问题涉及 的高应力、高应变、应变率、高温、高流体 静水压强 (或平均应力)而言，更接近于平面应力波产生的单轴应变加载状态。单轴应变加载的高 应力一高应变率状态与霍布金森 (Hopkinson)杆单轴应力加载产生的低应力、低应变率状态有本质 区别 。 表 1列出了单轴应变加载与单轴应力加载状态的一些主要区别 。这里的单轴应力加载下的应 力状态仅指屈服后 的流动应力 ，这是该类实验主要关心的应力状态。其中 z， ，z是 3个主轴应 力的方向，加载应力波沿着