動高壓加載下鋯基金屬玻璃強度測量＊

俞宇穎，習 鋒，戴誠達，蔡靈倉，譚 華，李雪梅

（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621999）

金屬玻璃作為原子無序堆垛結構的代表性材料，有獨特的原子短程有序、長程無序的微觀結構，兼有金屬和玻璃特性，是具有廣泛應用前景的新型結構和功能材料［1］。金屬玻璃力學性能的研究有助于理解其變形和損傷破壞機理、提高其結構性能。

對一般環境下金屬玻璃的彈塑性變形、損傷及破壞等力學性能已有了大量研究，C.A.Schuh等［2］和M.M.Trexler等［3］分別對相關研究進行了綜合評述。在已有研究中，金屬玻璃的屈服強度特性是重點關注的內容之一。很多準靜態實驗研究結果表明，金屬玻璃的屈服強度與應力狀態有關。J.Lu等［4］采用圍壓法研究了受約束狀態下Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5金屬玻璃的屈服強度特性（最大壓力約2GPa），結果顯示屈服強度壓力硬化效應非常明顯。近年來，高壓、高應變率等極端條件下金屬玻璃的沖擊波響應特性逐漸引起重視，目前已有Zr基金屬玻璃的沖擊絕熱線［5－6］、層裂現象［7－8］和彈塑性變形行為［9－12］的一些實驗及理論模擬研究。F.P.Yuan等［9］運用壓剪炮技術對 Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5金屬玻璃屈服強度的壓力相關性進行了研究（最大壓力8.8GPa），實驗結果與準靜態不同：壓剪加載下壓力或法向應力對屈服強度影響很?。欢鳶.J.Turneaure等［10］和俞宇穎等［11］的27GPa壓力范圍內平靶沖擊實驗結果表明，鋯基金屬玻璃的沖擊加載波陣面存在剪應力衰減。總之，金屬玻璃的屈服強度特性研究限于較低壓力范圍，而且相關結論并不一致，須進一步研究。此外，表征金屬玻璃強度特性的另外一個物理量——剪切模量也僅有2GPa壓力范圍內的超聲測量結果［13］，還未見沖擊波加載下的高壓剪切模量數據。

本文中，對一種鋯基金屬玻璃進行平靶沖擊，通過測量樣品／透明窗口界面沖擊加載－卸載粒子速度剖面，獲得37～66GPa壓力范圍的屈服強度和剪切模量數據；結合實驗測得的強度數據，對鋯基金屬玻璃沖擊波陣面剪應力松弛現象［10－11］進行分析。

1 實 驗

為簡化沖擊加載－卸載過程樣品中的波系作用，利于粒子速度剖面的處理分析，實驗采用如圖1所示的反向碰撞方式，即由待測樣品（鋯基金屬玻璃）作為飛片直接撞擊透明的單晶LiF窗口。LiF窗口碰撞面鍍有1μm鋁膜作為光學測試的反射面，為保護長歷時測量過程中鋁膜不受破壞，鋁膜前粘接了8μm銅箔。飛片襯墊為低阻抗的聚碳酸酯，實現對沖擊后樣品的卸載。DISAR（displacement interferometer system for any reflector）技術［14］用于測量鋯基金屬玻璃樣品／LiF窗口界面粒子速度剖面，飛片速度采用磁測速技術測量。

實驗用金屬玻璃為Zr51Ti5Ni10Cu25Al9（原子百分比），平均密度為約6.740g／cm3，超聲測量的常態縱波和橫波聲速分別為4.820和2.193km／s［6］。根據測定的縱波和橫波聲速，可以得到體波聲速為4.101km／s，剪切模量為32.4GPa，泊松比為0.369。樣品名義尺寸為?28mm×3mm，表面拋光處理，平行度2～5μm。LiF窗口尺寸為?28mm×12mm，密度為2.638g／cm3，沖擊波速度 D＝5.148km／s＋1.353u（u為粒子速度）［15］。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup

2 結果與分析

在?30mm二級輕氣炮上進行了4發沖擊加載－卸載實驗，沖擊速度為2.889～4.480km／s，鋯基金屬玻璃樣品產生的壓力為37～66GPa。實驗的參數列于表1中，其中ρ0為鋯基金屬玻璃樣品初始密度，Hs為樣品厚度，W 為沖擊速度，σH為沖擊壓力，τH＋τc為屈服強度，G為剪切模量。

表1 平靶沖擊實驗參數及結果Table 1 Experimental conditions and results for four plate－impact experiments

由DISAR測得的4發實驗鋯基金屬玻璃樣品／LiF窗口界面粒子速度剖面如圖2所示。卸載過程中呈現明顯的彈塑性特征，表明在66GPa沖擊壓力范圍內鋯基金屬玻璃沒有發生沖擊熔化。根據波傳播特性，可由粒子速度剖面（見圖2），得到沿著卸載過程的拉格朗日縱波聲速：

式中：Ds為樣品的沖擊波速度，t為來自樣品后界面的卸載波到達樣品／窗口界面時間（以碰靶為起始時刻）。在18～100GPa沖擊壓力范圍，該鋯基金屬玻璃的沖擊波速度Ds＝4.241km／s＋1.015u［6］。

圖3給出了由上述加載－卸載粒子速度剖面得到的卸載過程拉格朗日縱波聲速cL隨粒子速度u的變化。其中，粒子速度u由樣品／窗口界面粒子速度uw結合增量型阻抗匹配法計算得到，由此得到的粒子速度計及了卸載波在樣品／窗口界面反射造成的影響［16］。與金屬材料相類似，鋯基金屬玻璃卸載過程也呈現準彈性行為特征，即卸載過程彈、塑性波速為光滑過渡，而沒有發生突降［17］。盡管沖擊壓力不同，但塑性聲速與粒子速度關系基本一致。將塑性段聲速線性外延可得相應的拉格朗日體波聲速cB。

根據J.R.Asay等［18］提出的雙屈服面強度測量方法，對沿卸載過程的聲速進行計算，可得到：

式中：uH和uc分別為Hugoniot狀態對應粒子速度和卸載進入塑性屈服時對應的粒子速度（見圖3），τH和τc分別為Hugoniot狀態剪應力和臨界剪應力，τH＋τc為屈服強度。

沖擊壓縮下（Hugoniot態）的剪切模量：

式中：ρ0為材料的初始密度，ρ為沖擊壓縮下（Hugoniot態）的密度，cL和cB分別為Hugoniot態對應的拉格朗日縱波和體波聲速（見圖3）。

圖2 樣品／窗口界面粒子速度剖面Fig.2 Particle velocity profiles measured at sample／window interface

圖3 卸載過程的拉格朗日縱波和體波聲速Fig.3 Longitudinal and bulk Lagrangian wave speed during unloading

計算得到的屈服強度和剪切模量列于表1中。屈服強度和剪切模量隨沖擊壓力的變化如圖4所示。在涉及的沖擊壓力范圍，Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金屬玻璃的屈服強度和剪切模量均隨沖擊壓力的增加而增加，出現了壓力硬化效應。其中，屈服強度在0～37GPa壓力范圍變化很小，這與F.P.Yuan等［9］應用壓剪炮技術測量的6.3～8.8GPa壓力范圍Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5金屬玻璃屈服強度變化情況一致；在37～66GPa范圍，屈服強度則明顯增加。

圖4 屈服強度和剪切模量隨沖擊壓力的變化Fig.4 Variation of yield strength and shear modulus with shock pressure

與上述的壓力硬化效應不同，已有的實驗結果表明金屬玻璃的沖擊加載波陣面存在剪應力衰減現象。S.J.Turneaure等［10］對17GPa沖擊壓力范圍內的實測 Zr56.7Cu15.3Ni12.5Nb5.0Al10.0Y0.54金屬玻璃粒子速度剖面進行了數值模擬，發現采用應變軟化強度模型計算的剖面才能與實驗結果符合。俞宇穎等［11］則通過軸向應力與靜水壓線的比較獲得了10～27GPa沖擊壓力范圍Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金屬玻璃的沖擊加載波陣面剪應力，表明該金屬玻璃的沖擊加載波陣面剪應力存在明顯衰減，而且衰減幅度隨著沖擊壓力的增加而增加。

通常，材料強沖擊導致的損傷／破壞和高溫是造成材料強度降低的兩種主要因素。如果金屬玻璃沖擊加載波陣面剪應力衰減是由沖擊加載導致的損傷／破壞所引起的，那么由損傷／破壞材料的Hugoniot態卸載獲得的屈服強度和剪切模量也應出現衰減，但本文中強度測量結果顯示一定程度的壓力硬化效應，基于此可以排除損傷／破壞因素；如果金屬玻璃沖擊加載波陣面剪應力衰減是由溫度軟化所引起的，同樣由Hugoniot態卸載獲得的屈服強度和剪切模量也應出現衰減，而且應隨沖擊壓力增加而更明顯衰減，這顯然與本文中強度測量結果不相符，溫度因素也可以排除。因此，導致金屬玻璃沖擊加載波陣面剪應力衰減的，并非損傷／破壞或溫度軟化，而應有其他控制因素。最近，B.Arman等［12］對平面沖擊波加載下二元體系Cu46Zr54金屬玻璃的塑性、層裂及原子結構演化進行了分子動力學模擬，發現金屬玻璃沖擊波陣面上的剪應力衰減與加載過程材料內部具有較強剪切的原子團簇數量減少有關。但由于分子動力學模擬的粒子速度剖面與實測結果還存在一定差異，因此上述剪應力衰減的微觀機理還需進一步研究確認。

3 結 論

對Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金屬玻璃進行了反向碰撞實驗，測得了金屬玻璃樣品／LiF窗口界面粒子速度剖面，由此獲得了37～66GPa壓力范圍的屈服強度和剪切模量數據。結果表明，在上述實驗壓力范圍金屬玻璃的屈服強度和剪切模量均隨沖擊壓力的增加而增加，具有一定程度的壓力硬化效應；進一步分析表明，金屬玻璃沖擊加載波陣面剪應力的衰減，并非由沖擊損傷／破壞或溫度軟化等因素導致。

哈爾濱工業大學材料科學與工程系沈軍教授提供樣品了材料，張毅、王為、葉素華、傅秋衛、汪小松、景海華、藍強、方茂林、向曜明和靳開誠等在實驗測試中給予了幫助，在此表示感謝。

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