高速冲击下块体金属玻璃动力学响应的实验研究

李 涛，谭多望，李 强，谭兴春，傅 华

（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重点实验室，四川绵阳 621900）

高速冲击下块体金属玻璃动力学响应的实验研究

李 涛，谭多望，李 强，谭兴春，傅 华

（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重点实验室，四川绵阳 621900）

块体金属玻璃具有极高的力学强度，存在潜在的军事应用价值，实现其应用的关键在于认识材料在高应变率下的动力学行为特性。为此，利用飞片驱动速度可达3.5km／s的电炮加载装置，对一种新制备的锆基块体金属玻璃的动力学响应进行了实验研究。实验中，基于高精度DPS激光干涉仪测得的样品／窗口界面粒子速度波剖面，获得了新材料在应变率约为106／s下的冲击响应特性参数。在加载压力15～25GPa范围下，确定的Hugoniot弹性极限约为2.4GPa，线性拟合得到的冲击Hugoniot关系为Ds＝（4.4±0.1）＋（0.58±0.08）up。

块体金属玻璃；电炮；动态响应；高速飞片

0 引 言

非晶合金，也称为金属玻璃，内部结构为一种短程有序、长程无序状态，不存在晶界、位错和晶体学取向效应，其独特的微观结构使之在宏观上表现出一系列特殊的力学性能，如高强度、高硬度和高弹性极限等，被认为是具有广泛应用前景的新型结构材料。自20世纪60代年制备出来以后，非晶合金得到了广泛的关注，在块体材料制造成功后，已经应用到某些特殊领域。

基于非晶合金优异的功能特性，近年来人们对其力学性能开展了大量的研究，但大多数集中在准静态加载下的变形行为及破坏规律［1-2］，对其高应变率下的冲击响应特性研究较少，至今仍没有一个系统的认识。Zhuang［3］、Gupta［4］和Fuping Yuan［5］等利用一维应变实验观测到高应变率下非晶合金动态强度下降的现象。M.Martin［6］在测得的非晶合金冲击波速度-粒子速度数据中发现曲线存在折点，并认为材料发生了相变。Xi［7］结合文献数据和自己的工作，总结了常用的Zr基非晶合金在不同的压力范围下，Hugoniot弹性极限大致在6～7GPa范围内。

为了认识高应变率下非晶合金的动力学响应特性，利用飞片驱动速度可达3.5km／s的电炮装置［8］，对一种新研制的锆基非晶合金材料的动力学行为特性进行了实验研究。实验中，利用电爆炸驱动塑料飞片撞击实现平面一维应变加载，通过测得的样品／窗口界面粒子速度波剖面，对高速冲击下非晶合金高应变率下的弹塑性加载行为和Hugoniot关系进行研究。

1 实验方法

实验采用的样品是沈阳金属所新研制的锆基非晶合金，材料主要成份包括Zr、Ti、Cu和Ni等。由于材料强度高，且在高温条件下会发生非晶型转变，实验样品的加工是采用低速线切割初样，再在控温条件下进行表面精细研磨，加工成Φ10mm×2mm的正式样品，样品材料的密度为6.0g／cm3。

实现样品平面一维应变加载的电炮装置主要由2部分组成：能源部分和桥箔飞片组合件。能源部分包括储能电容器组、充电回路和放电回路以及与之配套的触发和控制回路等，该部分的作用是向金属桥箔提供所需能量并使之爆炸。采用的电炮装置的电容为56μF，最大充电电压40k V，最大储能可达45kJ。采用的桥箔为15mm×30mm×0.05mm的铝箔，飞片为0.5mm厚的PET聚酯膜，用于飞片切割的炮膛为内径15mm的有机玻璃中空柱体。实验中，选用流体物理研究所应用成熟的高精度全光纤位移干涉仪，也称DPS［9］，对飞片速度和样品在动载下的界面速度历史曲线进行了精确测量。

图1 电炮装置实物图Fig.1 Image of Electric Gun device

电爆炸加载下，飞片在相同充电电压下加载速度具有很好的重复性。为了获得不同压力条件下的材料动力学响应参数，实验中选择了12、15和17k V三种充电电压，通过DPS实测的不同位置处的飞片速度波形如图2所示，飞片在飞行6mm时的撞靶速度分别为2.75、3.10和3.30km／s。

图2 厚度0.5mm的PET飞片速度-位移曲线Fig.2 Velocity vs.displacement curves of PET flyers in 0.5mm thickness

电炮实验的样品／窗口界面粒子速度的测试方法为：绝缘飞片经炮筒切割，并在电爆炸高速驱动下撞击待测金属样品，样品后端面紧贴LiF窗口，两者之间通过薄层粘性液体排除空气隙，放置在探针支架上的光纤探头对准样品／窗口界面，DPS激光干涉测速系统通过透明窗口测量所关心界面粒子速度（见图3）。

图3 样品／窗口界面粒子速度测试布局Fig.3 Measurement setup of sample／window interface particle velocity

2 实验结果

反映高速冲击下非晶合金动力学响应信息的样品／窗口界面速度波剖面的3发实验结果如图4所示。界面粒子速度波剖面中，可观测到弹性加载到屈服极限的转变，之后材料经历塑性流动后转入快速的塑性冲击波加载阶段；在塑性冲击波加载末端缓慢转变到冲击Hugoniot状态，Hugoniot状态持续较短脉冲后，在背侧追赶稀疏波作用下逐渐卸载，相应的粒子速度也随之下降。

实验中，增加窗口波剖面测量实验中测得的速度为窗口折射率改变后的表观粒子速度ua，而非真实粒子速度up，因此必须进行修正。对于单次冲击加载的情况，文献［10］给出了LiF窗口表观速度的修正公式：

公式（1）中，粒子速度单位为m／s。由于窗口材料与样品材料的冲击阻抗不同，测得的样品／窗口界面速度不等于样品原有的粒子速度，因此必须通过阻抗匹配法把界面粒子速度换算得到相应的样品粒子速度。

图4 不同充电电压下测得的样品／窗口界面表观速度Fig.4 Measured sample／window interface apparent velocity under different charged voltage

基于上述方法换算得到的样品真实粒子速度，估算的加载应变率约为106／s。根据冲击波理论，确定的非晶合金弹塑性转变时的屈服强度，在实验压力范围内材料的Hugoniot弹性极限约为2.4GPa，低于通常的锆基非晶合金强度，这可能与材料的具体配比与工艺有关。根据已知的非晶合金材料弹性纵波声速（与一维应变声速相同）为5.1km／s，利用波剖面的时间间隔数据建立了弹性前驱波与塑性冲击波的速度关联，得到塑性冲击波速度3发实验结果分别为4.76、4.82和4.88km／s，粒子速度范围为0.55、0.66和0.76km／s。假定冲击波速度Ds和粒子速度up为线性关系，拟合得到的材料在较低压力下的冲击Hugoniot关系为：Ds＝（4.4±0.01）＋（0.58±0.08）up。其中C0＝4.4km／s与由体积模量计算得到的体波声速Cb＝4.32km／s有较好的一致性，冲击波速度与粒子速度关系中的斜率较文献测量值（约1.0）偏低，可能是实验压力范围较窄导致的实验误差较大所引起的。

在实验压力范围内，在粒子速度波形中，未观测到非晶合金非晶型转变现象。据推测M.Martin［15］获得的Hugoniot关系曲线的曲折可能是材料的高强度特性引起的。因为在中低幅值冲击压力下，非晶合金材料中存在弹塑性双波结构，而Hugoniot弹性极限时压力和粒子速度较高，可能提前导通用于冲击波速度测量的电探针，此时采用电探针这种离散测量技术来确定的冲击波速度可能介于一维应变弹性前驱波速度和真实塑性冲击波速度之间。当加载幅度较低时，测量值可能接近于弹性前驱波速度；随着加载强度的提高，测量值更接近真实值。由于较低压力时弹性前驱波速度大于塑性冲击波速度，则可能导致在测量值推算的Hugoniot关系曲线出现曲折的现象。

3 结 论

为认识一种新研制的锆基非晶合金材料的动力学行为，利用电炮加载平台，开展了材料平面一维冲击实验研究，得到如下结论：

（1）电炮实现了0.5mm厚塑料飞片的高速加载，目前加载的最高速度可达3.5km／s，完成了样品高速飞片的冲击加载，样品加载应变率约为106／s；

（2）基于DPS测得的样品／窗口界面粒子速度波剖面，获得了新材料的动力学参数，包括确定的Hugoniot弹性极限约为2.4GPa，线性拟合得到的冲击Hugoniot关系为Ds＝（4.4±0.1）＋（0.58±0.08）up。

［1］惠希东，陈国良.块体非晶合金［M］.北京：化学工业出版社，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.

［8］Weingart R C.The electric gun：a versatile tool for studying explosive initiation［R］.UCRL-52000-76-8，1976.

［9］翁继东，谭华.一种新型全光纤速度干涉仪［J］.强激光与粒子束，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

（编辑：杨 娟）

2013-06-09；

：2013-12-25

国家自然科学基金（11072227；11272294）

LiT，TanDW，LiQ，etal.Experimentalstudyondynamicresponseofbulkmetallicglassunderhighvelocityimpact.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（3）：110-112.李 涛，谭多望，李 强，等.高速冲击下块体金属玻璃动力学响应的实验研究.实验流体力学，2014，28（3）：110-112.

李 涛（1978-），男，四川宜宾人，硕士，助理研究员。研究方向：爆炸力学。通信地址：四川省绵阳市919信箱103分箱（621900）。E-mail：tedleeus＠163.com