陣列DPS測量技術在材料動態力學性能研究中的應用*

胡昌明,王 翔,劉倉理,蔡靈倉

（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國防科技重點實驗室,四川綿陽 621900）

1 引 言

沖擊載荷下材料的動態力學響應特性是沖擊動力學研究領域中既古老又具有前沿的研究課題,主要涉及材料的物態方程、相變、本構、動態斷裂等動力學特性的實驗和理論研究。其中,實驗研究的中心問題是對應力波/沖擊波在材料中的傳播歷史或材料內部（表面）的粒子速度的變化歷史進行測量,獲取沖擊波與材料相互作用后的物理、力學信息。實驗研究通常采用的傳感器有錳銅計、電容器、VISAR等,錳銅計因埋入式破壞了材料的連續性,對應力波的傳播造成一定的影響;電容器和VISAR采用非接觸式測量,測到界面粒子運動信息。嚴格來說,這2種測量方法測到的都是界面一定區域內粒子運動的平均效應。目前,實驗研究由于受實驗測試技術的限制而難以推進,只有測試技術上的進步,才能推動材料動態力學響應研究領域的進步,尤其是動態斷裂問題。為此,近年來不斷發展了新的診斷技術,如質子照相技術[1]、同步輻射技術[2]及電子背向散射技術（electron backscatter diffraction,EBSD）[3]等。這些新的診斷方法,給材料動態斷裂研究帶來新的期望。L.C.Chhabildas等[4]在氣炮上利用Line-imaging ORVIS測試技術（空間分辨率小于50 μm）測到的自由面時間-空間速度歷史信號,研究了沖擊壓縮下鉭樣品內部微孔洞的長大過程,揭示了材料內部孔洞或缺陷成核、增長的非均勻隨機過程,為材料動態破壞機理和層裂的研究提供了新的實驗研究方法。本文中,采用陣列式多普勒光纖探針測量系統（Doppler pins system,DPS）作為測量技術,從細觀尺度上探討研究材料動態力學響應特性的實驗研究方法。

2 激光多普勒速度測量基本原理

激光多普勒測量的基本原理是利用光學多普勒效應實現對位移或速度的測量。測量系統見圖1,光纖激光器發出的單一頻率f0被分成2束,其中1束直接到達探測器上,作為參考光;另1束通過光學探頭垂直照射在物理表面,一部分物體表面反射或散射光由探頭收集也送到探測器,這部分光稱為信號光。當物體以速度v相對光纖探頭運動時,導致物體表面反射光的頻率發生改變。設物體朝向探頭運動,反射光的頻率將增加為f0+Δf,其中 Δf稱為多普勒頻移,與物體運動速度成正比,即

圖1 激光多普勒測速原理圖Fig.1 Principle of laser Doppler velocity interferometer

式中:c為光速,θ為探頭入射光與物體表面的夾角。通常探頭垂直于測量面,有c=fλ,則式（1）可寫為

根據空間分辨率大小的要求,利用多通道的光探頭的陣列式布局,可實現具有一定空間分辨率的多點測量。采用16通道的光探頭,布局在2 mm的線長度范圍內,實現了空間分辨率為127 μm的自由面粒子速度測量。相對于其他光學測量系統,DPS系統采用全光纖結構,具有結構簡單、體積小、抗振動、免調試和可靠性高等特點。一方面,系統無須調節,實驗準備周期短,避免了傳統光學系統的干涉儀結構復雜（如VISAR）、體積龐大、需要專業人員調試、不易操作等缺點,可以方便地進行陣列布局測量。另一方面,多點測量可以進行空間-時間速度分辨的診斷,可以從材料微細觀尺度、均勻性及晶粒大小等方面研究材料內部微細觀結構對材料動態力學性能的影響。

3 平板撞擊實驗

圖2 預制缺陷的樣品Fig.2 Sample with preexisted defect

圖3 陣列DPS探針與樣品相對位置Fig.3 Relative position between arrays DPS pins and sample

實驗由?37 mm火炮加載,進行了2發實驗,彈速分別為312 m/s（飛片為PMM A）和317 m/s（飛片為K9）。樣品為?36 mm×6 mm的K9玻璃,樣品內部利用激光內刻機在樣品中心燒蝕?0.5 mm×0.4 mm的預制缺陷,如圖2所示,中間最小白點為預制缺陷,黑色圓圈為樣品后界面的鍍膜。K9玻璃材料參數為:密度 ρ=2.52 t/m3,體積模量K=47.14 GPa,剪切 模量G=34.04 GPa,縱波速度cl=6.06 km/s,橫波速度cs=3.70 km/s;PMMA材料參數為:密度ρ=1.187 t/m3,剪切模量G=2.31 GPa,縱波速度cl=2.76 km/s,橫波速度cs=1.38 km/s[5]。為了給光學測試提供一個反射面,在樣品的后界面上（自由面）均勻鍍了1層厚度為1 μm 的鋁膜,飛片材料為PMMA和 K9玻璃,尺寸均為?36 mm×5 mm。將16路 DPS探針對稱布置在樣品后界面的1條直徑上（見圖3）,并保持探針頂端離樣品后界面有0.5 mm的垂直距離,且中間探針7～10正對樣品內部的預制缺陷,探針1～16的x軸位置坐標分別為-952.5、-825.5、-698.5、-571.5、-444.5、-317.5、-190.5 、-63.5、63.5、190.5、317.5、444.5 、571.5 、698.5、825.5 和 952.5 μm 。

3.1 實驗結果

第1發實驗飛片材料是 PM MA,彈速為312 m/s,利用陣列DPS探針測得處理后的自由面速度剖面結果見圖4。從實驗結果中可以看到,在沖擊壓縮加載的前100 ns內,由于材料內部缺陷的影響,導致正對缺陷的探針7～10所測到的樣品自由面的粒子速度信號有明顯的震蕩,即中間部分出現明顯的凸起,凸起最大振幅為約10 m/s（探針8信號見圖5（a））。進一步分析看出,偏離缺陷的探針 1～6、11～16測到的自由面粒子速度信號經歷一個緩慢上升到最大值的過程,然后達到一個恒定的速度123 m/s（探針1信號見圖5（b））。在沖擊壓縮加載的前100 ns內,沒有出現明顯的振蕩,反而正對缺陷的DPS探針測得的信號出現明顯的振蕩,最后達到一個穩定值123 m/s。由此可以推斷,在沖擊壓縮加載過程中,缺陷對自由面速度的最終穩定值不存在影響,只是影響到前100 ns左右的信號。也就是說,如果材料內部的夾雜或缺陷的尺寸超過127 μm時,這套DPS測量系統可以反映材料內部非均勻性對材料動態力學性能的影響。

圖4 實驗1中16路探針測到的自由面速度Fig.4 Free surface velocities from pins 1～16 in experiment 1

第2發實驗飛片是K9玻璃,彈速為317 m/s,圖6為16路DPS探針測量結果及曲線頂部放大結果。從實驗結果可以看到,無論是偏移缺陷位置,還是正對缺陷位置,各路探針測到的信號100 ns后基本一致。而在沖擊加載到450 ns后,自由面速度均出現了1 m/s的速度跳躍。這一微小的速度變化現象是否為樣品內部預制缺陷處因動態應力集中造成的失效波,還有待于進一步的實驗核實。需要說明的是,樣品中缺陷離自由面還有一定的距離,而本文中忽略沖擊波在傳播這段距離時因材料本構、波形彌散等因素的影響;并且,實驗重點觀察沖擊壓縮過程,記錄時間較短,只進行了少量的實驗。因此,從此次實驗結果看不出缺陷對材料拉伸斷裂信號的影響,需更進一步的實驗。

圖5 正對缺陷和偏離缺陷的探針信號差異示意圖Fig.5 Signals difference between the faced pins and deflected pins to the defects

圖6 實驗2中16路探針測到的自由面速度Fig.6 Free surface velocities from pins 1～16 in experiment 2

3.2 分析與討論

（1）本文中的測試方法可用來推測材料內部缺陷對材料動態力學性能的影響。另外,由于缺陷離樣品自由面有一定的距離,這段距離大小也影響到測得信號的差異,飛片后界面產生的稀疏波可能趕上沖擊波并影響沖擊波的傳播。隨著傳播距離的增加,這段距離大小就會因距離不同導致測到的樣品自由面的粒子速度信號存在差異。為了避免飛片后界面所產生的稀疏波趕上前面的沖擊波,后續實驗的預制缺陷需距離自由面一段合理距離,即測試界面與缺陷的距離不能太遠。

（2）僅從沖擊壓縮信號可以看出,材料內部存在的缺陷與壓縮沖擊波相互作用后,測得的自由面粒子速度信號與理想無缺陷材料的后界面粒子速度存在差異。因此,可以利用測得的后界面粒子速度信號,分析材料內部微細觀缺陷（微孔洞、微裂紋等）在動態載荷下的成核、長大過程,因為缺陷的長大過程必然會導致測試界面上相應正對的探針測得的信號存在差異。進一步的工作,需要研究在拉伸應力狀態下,分析材料內部微缺陷對材料拉伸斷裂特性的影響,以及利用數值模擬確定缺陷距樣品后界面的距離,研究材料內部微缺陷對材料動態斷裂特性的影響。

4 結 論

（1）采用了具有高空間-時間分辨率的陣列16通道DPS測試技術,從細觀尺度上探討了材料內部缺陷對波傳播的影響,為獲取詳細的波剖面粒子速度信息提供了新的實驗方法。

（2）利用激光內刻技術,測到了沖擊載荷下帶預制缺陷的K9樣品的自由面的粒子速度變化歷史。在忽略波形的彌散、材料本構特性對波傳播的影響等條件下,通過對測試結果的分析,發現當碰撞速度為312 m/s時,樣品自由面粒子速度信號在前100 ns內存在差異,認為樣品內部預制缺陷干擾了沖擊壓縮波在樣品中的傳播;在碰撞速度為317 m/s時,發現樣品自由面速度剖面上出現1 m/s的速度跳躍,推測是樣品內部預制缺陷處因動態應力集中造成的失效波。

實驗得到了翁繼東、汪小松、陳宏、王為、付秋衛、盧敏、葉素華、陳志云、王青松、鮮海峰等的協助,在此表示感謝。

[1] 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]//Furnish M D,Gupta Y M,Forbes J W.Shock Compression of Condensed Matter—2003.Portland:American Institute of Physics,2003:477-482.

[2] Becker B.How metals fail[J].Science&Technology,2002（7-8）:13-18.

[3] Zurek A K,Thissell W R,Trujillo C P,et al.Damage evolution in ductile metals[C]//Los Alamos Science,2003:111-113.

[4] Chhabildas L C,T rott W M,Reinhart W D,et al.Incipient spall studies in tantalum-microstructural effects[C]//Furnish M D,Thadhani N N,Horie Y.Shock Compression of Condensed Matter—2001.Atlanta,Georgia,2001:483-486.

[5] 胡昌明,王翔,劉倉理,等.非均勻性對自由面粒子速度信號的影響[J].實驗力學,2008,23（3）:271-275.

HU Chang-ming,WANG Xiang,LIU Cang-li,et al.Influence of inhomogeneity of the materials on free surface velocity signals[J].Experimental Mechanics,2008,23（3）:271-275.