高速沖擊下塊體金屬玻璃動力學響應的實驗研究

李 濤，譚多望，李 強，譚興春，傅 華

（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重點實驗室，四川綿陽 621900）

高速沖擊下塊體金屬玻璃動力學響應的實驗研究

李 濤，譚多望，李 強，譚興春，傅 華

（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重點實驗室，四川綿陽 621900）

塊體金屬玻璃具有極高的力學強度，存在潛在的軍事應用價值，實現其應用的關鍵在于認識材料在高應變率下的動力學行為特性。為此，利用飛片驅動速度可達3.5km／s的電炮加載裝置，對一種新制備的鋯基塊體金屬玻璃的動力學響應進行了實驗研究。實驗中，基于高精度DPS激光干涉儀測得的樣品／窗口界面粒子速度波剖面，獲得了新材料在應變率約為106／s下的沖擊響應特性參數。在加載壓力15～25GPa范圍下，確定的Hugoniot彈性極限約為2.4GPa，線性擬合得到的沖擊Hugoniot關系為Ds＝（4.4±0.1）＋（0.58±0.08）up。

塊體金屬玻璃；電炮；動態響應；高速飛片

0 引 言

非晶合金，也稱為金屬玻璃，內部結構為一種短程有序、長程無序狀態，不存在晶界、位錯和晶體學取向效應，其獨特的微觀結構使之在宏觀上表現出一系列特殊的力學性能，如高強度、高硬度和高彈性極限等，被認為是具有廣泛應用前景的新型結構材料。自20世紀60代年制備出來以后，非晶合金得到了廣泛的關注，在塊體材料制造成功后，已經應用到某些特殊領域。

基于非晶合金優異的功能特性，近年來人們對其力學性能開展了大量的研究，但大多數集中在準靜態加載下的變形行為及破壞規律［1-2］，對其高應變率下的沖擊響應特性研究較少，至今仍沒有一個系統的認識。Zhuang［3］、Gupta［4］和Fuping Yuan［5］等利用一維應變實驗觀測到高應變率下非晶合金動態強度下降的現象。M.Martin［6］在測得的非晶合金沖擊波速度-粒子速度數據中發現曲線存在折點，并認為材料發生了相變。Xi［7］結合文獻數據和自己的工作，總結了常用的Zr基非晶合金在不同的壓力范圍下，Hugoniot彈性極限大致在6～7GPa范圍內。

為了認識高應變率下非晶合金的動力學響應特性，利用飛片驅動速度可達3.5km／s的電炮裝置［8］，對一種新研制的鋯基非晶合金材料的動力學行為特性進行了實驗研究。實驗中，利用電爆炸驅動塑料飛片撞擊實現平面一維應變加載，通過測得的樣品／窗口界面粒子速度波剖面，對高速沖擊下非晶合金高應變率下的彈塑性加載行為和Hugoniot關系進行研究。

1 實驗方法

實驗采用的樣品是沈陽金屬所新研制的鋯基非晶合金，材料主要成份包括Zr、Ti、Cu和Ni等。由于材料強度高，且在高溫條件下會發生非晶型轉變，實驗樣品的加工是采用低速線切割初樣，再在控溫條件下進行表面精細研磨，加工成Φ10mm×2mm的正式樣品，樣品材料的密度為6.0g／cm3。

實現樣品平面一維應變加載的電炮裝置主要由2部分組成：能源部分和橋箔飛片組合件。能源部分包括儲能電容器組、充電回路和放電回路以及與之配套的觸發和控制回路等，該部分的作用是向金屬橋箔提供所需能量并使之爆炸。采用的電炮裝置的電容為56μF，最大充電電壓40k V，最大儲能可達45kJ。采用的橋箔為15mm×30mm×0.05mm的鋁箔，飛片為0.5mm厚的PET聚酯膜，用于飛片切割的炮膛為內徑15mm的有機玻璃中空柱體。實驗中，選用流體物理研究所應用成熟的高精度全光纖位移干涉儀，也稱DPS［9］，對飛片速度和樣品在動載下的界面速度歷史曲線進行了精確測量。

圖1 電炮裝置實物圖Fig.1 Image of Electric Gun device

電爆炸加載下，飛片在相同充電電壓下加載速度具有很好的重復性。為了獲得不同壓力條件下的材料動力學響應參數，實驗中選擇了12、15和17k V三種充電電壓，通過DPS實測的不同位置處的飛片速度波形如圖2所示，飛片在飛行6mm時的撞靶速度分別為2.75、3.10和3.30km／s。

圖2 厚度0.5mm的PET飛片速度-位移曲線Fig.2 Velocity vs.displacement curves of PET flyers in 0.5mm thickness

電炮實驗的樣品／窗口界面粒子速度的測試方法為：絕緣飛片經炮筒切割，并在電爆炸高速驅動下撞擊待測金屬樣品，樣品后端面緊貼LiF窗口，兩者之間通過薄層粘性液體排除空氣隙，放置在探針支架上的光纖探頭對準樣品／窗口界面，DPS激光干涉測速系統通過透明窗口測量所關心界面粒子速度（見圖3）。

圖3 樣品／窗口界面粒子速度測試布局Fig.3 Measurement setup of sample／window interface particle velocity

2 實驗結果

反映高速沖擊下非晶合金動力學響應信息的樣品／窗口界面速度波剖面的3發實驗結果如圖4所示。界面粒子速度波剖面中，可觀測到彈性加載到屈服極限的轉變，之后材料經歷塑性流動后轉入快速的塑性沖擊波加載階段；在塑性沖擊波加載末端緩慢轉變到沖擊Hugoniot狀態，Hugoniot狀態持續較短脈沖后，在背側追趕稀疏波作用下逐漸卸載，相應的粒子速度也隨之下降。

實驗中，增加窗口波剖面測量實驗中測得的速度為窗口折射率改變后的表觀粒子速度ua，而非真實粒子速度up，因此必須進行修正。對于單次沖擊加載的情況，文獻［10］給出了LiF窗口表觀速度的修正公式：

公式（1）中，粒子速度單位為m／s。由于窗口材料與樣品材料的沖擊阻抗不同，測得的樣品／窗口界面速度不等于樣品原有的粒子速度，因此必須通過阻抗匹配法把界面粒子速度換算得到相應的樣品粒子速度。

圖4 不同充電電壓下測得的樣品／窗口界面表觀速度Fig.4 Measured sample／window interface apparent velocity under different charged voltage

基于上述方法換算得到的樣品真實粒子速度，估算的加載應變率約為106／s。根據沖擊波理論，確定的非晶合金彈塑性轉變時的屈服強度，在實驗壓力范圍內材料的Hugoniot彈性極限約為2.4GPa，低于通常的鋯基非晶合金強度，這可能與材料的具體配比與工藝有關。根據已知的非晶合金材料彈性縱波聲速（與一維應變聲速相同）為5.1km／s，利用波剖面的時間間隔數據建立了彈性前驅波與塑性沖擊波的速度關聯，得到塑性沖擊波速度3發實驗結果分別為4.76、4.82和4.88km／s，粒子速度范圍為0.55、0.66和0.76km／s。假定沖擊波速度Ds和粒子速度up為線性關系，擬合得到的材料在較低壓力下的沖擊Hugoniot關系為：Ds＝（4.4±0.01）＋（0.58±0.08）up。其中C0＝4.4km／s與由體積模量計算得到的體波聲速Cb＝4.32km／s有較好的一致性，沖擊波速度與粒子速度關系中的斜率較文獻測量值（約1.0）偏低，可能是實驗壓力范圍較窄導致的實驗誤差較大所引起的。

在實驗壓力范圍內，在粒子速度波形中，未觀測到非晶合金非晶型轉變現象。據推測M.Martin［15］獲得的Hugoniot關系曲線的曲折可能是材料的高強度特性引起的。因為在中低幅值沖擊壓力下，非晶合金材料中存在彈塑性雙波結構，而Hugoniot彈性極限時壓力和粒子速度較高，可能提前導通用于沖擊波速度測量的電探針，此時采用電探針這種離散測量技術來確定的沖擊波速度可能介于一維應變彈性前驅波速度和真實塑性沖擊波速度之間。當加載幅度較低時，測量值可能接近于彈性前驅波速度；隨著加載強度的提高，測量值更接近真實值。由于較低壓力時彈性前驅波速度大于塑性沖擊波速度，則可能導致在測量值推算的Hugoniot關系曲線出現曲折的現象。

3 結 論

為認識一種新研制的鋯基非晶合金材料的動力學行為，利用電炮加載平臺，開展了材料平面一維沖擊實驗研究，得到如下結論：

（1）電炮實現了0.5mm厚塑料飛片的高速加載，目前加載的最高速度可達3.5km／s，完成了樣品高速飛片的沖擊加載，樣品加載應變率約為106／s；

（2）基于DPS測得的樣品／窗口界面粒子速度波剖面，獲得了新材料的動力學參數，包括確定的Hugoniot彈性極限約為2.4GPa，線性擬合得到的沖擊Hugoniot關系為Ds＝（4.4±0.1）＋（0.58±0.08）up。

［1］惠希東，陳國良.塊體非晶合金［M］.北京：化學工業出版社，2007：155-192.Hui Xidong，Chen Guoliang.Bulk amorphous alloy［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2007：155-192.

［2］Lu J，Ravichandran G，Johnson W L.Deformation behavior of the Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 bulk metallic glass over a wide range of strain-rates and temperatures［J］.Acta Materialia，2003，51（12）：3429-3443.

［3］Zhuang Shiming，Lu Jun，Ravichandran G.Shock wave response of a zirconium-based bulk metallic glass and its composite［J］.Applied Physics Letters，2002，80（24）：4522-4524.

［4］Stefan J Turneaure，Winey J M，Gupta Y M.Compressive shock wave response of a Zr-based bulk amorphous alloy［J］.Applied Physics Letters，2004.84（10）：1692-1694.

［5］Yuan Fuping，Prakash Vikas，Lewandowski J J.Spall strength of a zirconium-based bulk metallic glass under shock-induced compression-and-shear loading［J］.Mechanics of Materials，2009.41（7）：886-897.

［6］Martin M.High-pressure equation of the state of a zirconiumbased bulk metallic glass［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2007，38A（11）：2689-2696.

［7］Xi Feng，Yu Yuying，Dai Chengda，et al.Shock compression response of a Zr-based bulk metallic glass up to 110GPa［J］.Journal of Applied Physics，2010，108（8）：083537-083537-5.

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［9］翁繼東，譚華.一種新型全光纖速度干涉儀［J］.強激光與粒子束，2005，17（4）：533-536.Weng Jidong，Tan Hua.A new all-fiber velocity interferometer system for any reflector［J］.High Power Laser and Particle Beams，2005，17（4）：533-536.

［10］Setchell R E.Refractive index of sapphire at 532 nm under shock compression and release［J］.Journal of Applied Physics，2002，91（5）：2833-2841.

Experimental study on dynamic response of bulk metallic glass under high velocity impact

Li Tao，Tan Duowang，Li Qiang，Tan Xingchun，Fu Hua
（Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621900，China）

As a novel material with high strength，bulk metallic glass

concern of many researchers all over the world.For potential military applications，it was important to understand the dynamic response of this material under high strain rate.To this end，Electric Gun was chosen to study dynamic response of a newly prepared Zr-based bulk metallic glass.In the E-lectric Gun experiments，the velocity of electric explosion driven plastic flyer in 0.5 mm thickness could reach 3.5 km／s.Based on bulk metallic glass sample／window interface particle velocity profiles measured by high resolution DPS laser interferometer，two important dynamic behaviors were obtained under high strain rate about 106／s.In a shock pressure range of 15～25GPa，the Hugoniot elastic limit was determined to be about 2.4GPa，and the shock wave velocity（Ds）vs.particle velocity（up）Hugoniot data were linearly fitted byDs＝（4.4±0.1）＋（0.58±0.08）up.

bulk metallic glass；electric gun；dynamic response；high velocity flyer

O347.3；O347.5

：A

1672-9897（2014）03-0110-03doi：10.11729／syltlx2014pz25

（編輯：楊 娟）

2013-06-09；

：2013-12-25

國家自然科學基金（11072227；11272294）

LiT，TanDW，LiQ，etal.Experimentalstudyondynamicresponseofbulkmetallicglassunderhighvelocityimpact.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（3）：110-112.李 濤，譚多望，李 強，等.高速沖擊下塊體金屬玻璃動力學響應的實驗研究.實驗流體力學，2014，28（3）：110-112.

李 濤（1978-），男，四川宜賓人，碩士，助理研究員。研究方向：爆炸力學。通信地址：四川省綿陽市919信箱103分箱（621900）。E-mail：tedleeus＠163.com